一体化臭氧—曝气生物滤池系统去除污染物方法与机理研究

拟采用一体化臭氧-曝气生物滤池工艺，处理难生物降解的有机废水，以无法生物降解的酸性玫瑰红染料作为研究对象，通过双混合停流光谱仪反应器、核糖体RNA基因的链式聚合酶反应和变性梯度凝胶电泳等方法，研究一体化系统中陶粒介质和微生物存在环境下臭氧氧化规律、传质机理、反应动力学方程，建立一体化系统中臭氧氧化模型。重点研究含微量臭氧环境下曝气生物滤池的微生物生长规律与分布情况，一体化系统中生物总量、生物酶活性、生物膜厚度、微生物种类、数量、附着生长特点等与常规曝气生物滤池系统的差异，阐明微量臭氧条件下曝气生物滤池生物吸附、生物降解、生物絮凝、过滤截获的各种污染物去除因素的相互关系，揭示一体化臭氧-曝气生物滤池系统降解有机物的协同作用机理。为臭氧高级氧化-好氧生化工艺提供微观层次的理论分析数据，同时对含难生物降解有机物废水处理技术工程化应用也有重要指导意义。

本研究选用难生物降解的酸性玫瑰红作为模拟染料废水，采用臭氧氧化-曝气生物滤池组合工艺处理该印染废水。研究比较了一体化臭氧-曝气生物滤池和分离式臭氧-曝气生物滤池对酸性玫瑰红染料废水的去除效果，研究发现在不投加臭氧情况下，分离式装置的脱色效果略好于一体化装置，但随着臭氧投加量的增加，两种系统的脱色效果均不断上升，但一体化装置的脱色效果略优于分离式臭氧曝气生物滤池。本文还研究了一体化与分离式臭氧曝气生物滤池内部的微生物指标，通过比较发现：分离式臭氧-曝气生物滤池底部的微生物量与生物活性远远高于顶部，生物活性与生物量随着BAF高度的增加、染料浓度的增加而不断降低，受染料浓度的影响变化较大；而一体化反应器内部的微生物在臭氧存在的环境下，处于较低的活性状态，生物活性与生物量随着BAF高度的增加而呈现倒”V”型变化，生物生长状况受染料浓度的影响较小，不同染料浓度下，微生物生长状况变化不大。经过优势菌种鉴定，一体化臭氧-曝气生物滤池内部优势菌种组成为：微小杆菌属、枯草芽孢杆菌、产气肠杆菌、变形杆菌属。优势菌种中有兼性厌氧菌和好氧异养菌两种菌类，这些菌种在一体化臭氧-曝气生物滤池处理废水时发挥着重要的作用，兼性厌氧菌起到将大分子有机物降解转化为小分子有机物的作用，提高了废水的可生化性，同时好氧异养菌将废水中的有机物转化为水和二氧化碳，去除废水中的有机物。实验还研究了三种填料柱对污染物的沿程降解规律。同等条件下，锰砂对酸性玫瑰红的综合降解速率较快，在60 cm填料层高度处即可实现90 %以上的去除率。此外，酸性玫瑰红的脱色过程被证明是通过臭氧直接氧化途径来实现的，而在反应后期的中间产物降解阶段，臭氧在锰砂催化作用下分解产生的羟基自由基也发挥了不可忽视的作用。本文探索了锰砂-陶粒填充臭氧BAF的最佳运行条件，发现在一定范围内，锰砂的填充高度越大，臭氧BAF的处理效果越好。锰砂填料层内生物量与生物活性极低，而在陶粒填料层内，生物量随水流方向沿程增加，生物活性则呈现先指数式增长后小幅下降的变化趋势。