重金属有机废水电生物修复及生物膜结构与生物吸附模拟

【摘要】： 电生物技术作为一项绿色高新技术在环境污染治理领域的应用已初见端倪，深入开展有关研究具有重要的理论和现实意义。 针对污染严重的重金属有机废水，提出了全新电沉积-生物膜复合工艺进行综合治理，关键在于一是筛选高效功能菌，二是确定生物体系中最佳的电沉积电位。本文主要研究内容如下： 培养与驯化后混合微生物TEM、SEM分析表明，不同于混合培养，驯化后微生物种群数量急剧减少，但适应性个体数量明显增加，且细胞结构，表面形态均发生了变化。同时，降解动力学实验也发现，尽管混合培养与驯化后微生物均能将葡萄糖降解到很低水平，但比降解速率曲线差异很大。 对于重金属电沉积过程中的极化现象，从理论与实验两方面进行了探讨，并确定了不同金属的还原峰电位。 采用新型复合工艺连续处理重金属有机废水，同时，与单一电沉积法和生物膜法对比发现，复合工艺具有更高的净化效果。 生物膜形成过程一直是关注的焦点，本文运用离散-微分结合法进行了动态模拟，其形态特征如厚度、密度和表面粗糙性等以输出量形式反映出来，并研究了模型参数改变对生物膜结构的影响。 最后，建立了电场强化重金属传递与生物膜吸附模型，并结合实验结果进行了验证。进而，探讨了电迁移速度、废水进口流速、重金属初始浓度对平衡吸附量的影响。 【关键词】：重金属离子 生物降解 极化曲线 复合工艺 生物膜 非均匀性 生物吸附
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2003
【分类号】：X703
【目录】：

• 前言8-10
• 第一章 文献综述10-32
• §1．1水体中有机物与重金属污染概况10-11
• 1．1．1 有机物污染及其危害性10-11
• 1．1．2 重金属污染及其毒理效应11
• §1．2生物膜概述11-17
• 1．2．1 生物膜的形成11-13
• 1．2．2 生物膜生长动力学13-15
• 1．2．3 生物膜微观结构与模型预测15-17
• §1．3重金属元素与生物膜的相互作用17-18
• 1．3．1 重金属元素与混合微生物的相互作用17-18
• 1．3．2 重金属元素与胞外聚合物的相互作用18
• §1．4降解有机污染物理论发展概况18-22
• 1．4．1 反应-扩散模式19-20
• 1．4．2 表面反应模式20-22
• §1．5重金属有机废水净化工艺发展概况22-29
• 1．5．1 传统处理工艺22
• 1．5．2 生物膜法22-24
• 1．5．3 电解法24-28
• 1．5．4 电-生物复合法28-29
• §1．6本文主要的实验与理论研究工作29-31
• §1．7本章小结31
• 本章符号说明31-32
• 第二章 混合微生物的培养、驯化及其TEM、SEM图像研究32-46
• §2．1混合微生物接种、培养与驯化32-34
• §2．2镜检样品制备34-35
• 2．2．1 电镜标本预处理34
• 2．2．2 透射电镜样品制备34-35
• 2．2．3 扫描电镜样品制备35
• §2．3混合微生物样品TEM、SEM分析35-45
• 2．3．1 培养后微生物原样35-37
• 2．3．2 重金属驯化样品37-43
• 2．3．2．1 Cr~(3+)离子驯化后混合微生物样品37-39
• 2．3．2．2 Cu~(2+)离子驯化后混合微生物样品39-41
• 2．3．2．3 Cu~(2+)与Cr~(3+)离子驯化后混合微生物样品41-43
• 2．3．3 难降解有机物驯化样品43-45
• 2．3．3．1 苯驯化后混合微生物样品43-44
• 2．3．3．2 三氯乙烯驯化混合微生物样品44-45
• §2．4本章小结45-46
• 第三章 培养或驯化后混合微生物降解有机物动力学46-54
• §3．1混合微生物降解有机物速度模型46-47
• §3．2葡萄糖生物降解实验流程47-48
• §3．3实验结果与讨论48-52
• 3．3．1 培养后混合微生物48-50
• 3．3．2 Cu~(2+)驯化后混合微生物50
• 3．3．3 Cr~(3+)驯化后混合微生物50-51
• 3．3．4 Cu~(2+)与Cr~(3+)驯化后混合微生物51-52
• §3．5本章小结52-53
• 本章符号说明53-54
• 第四章 金属电沉积过程中的极化现象54-72
• §4．1极化现象54-56
• 4．1．1 电极过程的不可逆性54
• 4．1．2 电极的极化54-55
• 4．1．3 电极过程的速度控制步骤55
• 4．1．4 金属的电沉积55-56
• §4．2电流-过电位方程56
• §4．3平板电极表面附近的质量传递模型56-58
• 4．3．1 平板电极表面附近的扩散56-57
• 4．3．2 平板电极附近的一维非稳态扩散解57-58
• §4．4平板电极上的LSV响应58-63
• 4．4．1 可逆反应58-59
• 4．4．2 不可逆反应59-61
• 4．4．3 准可逆反应61-63
• §4．5平板电极上的CV响应63
• §4．6金属电沉积过程极化现象实验研究63-70
• 4．6．1 实验原理63-64
• 4．6．2 实验装置与流程64-65
• 4．6．3 结果与讨论65-70
• §4．7本章小结70-71
• 本章符号说明71-72
• 第五章 电沉积-生物膜复合工艺处理重金属有机废水72-98
• §5．1实验装置与工艺流程72-78
• 5．1．1 混合微生物的挂膜过程72-75
• 5．1．2 电沉积工艺流程75-76
• 5．1．3 生物膜工艺流程76-77
• 5．1．4 电沉积-生物膜复合工艺流程77-78
• §5．2实验结果与讨论78-95
• 5．2．1 电沉积工艺处理重金属废水78-85
• 5．2．1．1 电解法间歇处理含Cu~(2+)废水78-79
• 5．2．1．2 电解法间歇处理含Cr~(3+)废水79-81
• 5．2．1．3 电解法间歇处理含Cu~(2+)与Cr~(3+)废水81-82
• 5．2．1．4 操作条件对重金属电沉积的影响82-85
• 5．2．2 生物膜工艺净化重金属有机废水85-89
• 5．2．2．1 培养后混合微生物生物膜处理有机废水85-86
• 5．2．2．2 驯化后混合微生物生物膜处理含Cu~(2+)有机废水86-87
• 5．2．2．3 驯化后混合微生物生物膜处理含Cr~(3+)有机废水87-88
• 5．2．2．4 驯化后混合微生物生物膜处理含Cu~(2+)与Cr~(3+)有机废水88-89
• 5．2．3 复合工艺净化重金属有机废水89-95
• 5．2．3．1 复合工艺处理有机废水89-91
• 5．2．3．2 复合工艺处理含Cu~(2+)有机废水91-92
• 5．2．3．3 复合工艺处理含Cr~(3+)有机废水92-94
• 5．2．3．4 复合工艺处理含Cu~(2+)与Cr~(3+)有机废水94-95
• §5．3本章小结95-98
• 第六章 混合微生物好氧生物膜形成与发展动态模拟98-116
• §6．1生物膜模拟发展背景98-101
• §6．2混合培养好氧生物膜形成、发展动态模拟101-106
• 6．2．1 生物膜形成与发展模型的建立101-104
• 6．2．2 细胞自识别算法104-105
• 6．2．3 生物膜形成与发展模型求解步骤105-106
• §6．3模拟结果与讨论106-114
• 6．3．1 生长时间对生物膜形成与发展的影响106-108
• 6．3．2 初始接种数对生物膜形成与发展的影响108-111
• 6．3．3 初始接种密度分率对生物膜形成与发展的影响111-114
• §6．4本章小结114-115
• 本章符号说明115-116
• 第七章 电场强化好氧生物膜吸附废水中重金属二维稳态模拟116-179
• §7．1生物膜吸附重金属机理116-117
• §7．2电场强化重金属传递与生物膜吸附模型建立117-120
• §7．3电场强化重金属传递与生物膜吸附模型实验验证120-122
• §7．4模型计算结果与讨论122-125
• 7．4．1 电迁移速度对生物膜吸附重金属的影响123-124
• 7．4．2 重金属初始浓度对生物膜平衡吸附量的影响124
• 7．4．3 废水溶液最大入口流速对生物膜吸附重金属的影响124-125
• §7．4本章小结125
• 本章符号说明125-179
• 参考文献179-190
• 发表论文和参加科研情况说明190-194
• 致谢194

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