硫酸盐还原菌生物膜在废水中生长与传质机理研究

利用超声精密测厚和激光共聚焦显微技术研究硫酸盐还原菌生物膜在处理含重金属离子酸性废水时的生长动力学并以此为基础进行过程模拟；利用离子探针技术研究硫酸盐还原菌生物膜内部的金属离子、硫酸根离子、硫离子、底物和产物在膜内外的传质过程、膜内产物累积对生物膜活性的影响；分析硫酸盐还原菌对硫酸盐进行还原反应时体系的溶液化学特征，尤其是生物膜内的溶液化学特征，提出有效控制S 元素转化形态的具体方法和措施；建立硫酸盐还原菌生物膜三维双向传质动力学方程，并利用该组模型和CFD 技术对生物膜的传质过程进行计算机模拟。

目前，SRB生物膜技术已广泛的用于矿山废水的工业化处理，但由于SRB生物膜对环境的变化和重金属等条件比较敏感，因此需要深入研究SRB生物膜的生长及传质过程。本项目考察各因素对SRB生物膜生长和传质的影响，以及重金属离子对SRB生物膜生长的传质的影响。同时建立数学模型以模拟SRB生物膜中SO42-和硫化物的传质过程。.首先，通过分析SRB生物膜的比生长速率，考察温度、pH、液相流速、SO42-浓度以及C/S对SRB生物膜生长的影响。同时对比Monod单底物模型和双底物模型对SRB生物膜生长的预测，确定Monod双底物模型对SRB生物膜生长的描述更加准确。在SRB生物膜的生长过程中，以EPS作为SRB生物膜的代谢产物，利用Monod双底物模型描述生物膜生长过程，建立EPS产生模型预测其产生过程。结果表明，EPS产生的动力学模型可以很好的描述SRB生物膜生长过程中EPS的产生。.其次，从宏观角度考察SRB生物膜传质过程，并利用传质通量、传质效率和传质系数分析温度、pH、液相流速、SO42-浓度、乳酸盐浓度以及生物膜厚度对SRB生物膜传质的影响。随着温度、pH和液相流速的升高，SO42-的传质效率以及传质通量增加，但传质系数与这些操作条件的关系相对复杂。随初始SO42-始浓度增加，传质系数先增加后降低。当与乳酸根共同传递时，两种离子的传质过程复杂。SO42-的传质效率，传质通量以及传质系数随乳酸根浓度的增加而减小。乳酸根的传质效率随其浓度的增加在上升。不同厚度的SRB生物膜中的传质存在很大差异，当SO42-单独传递和与乳酸根同时传递的过程中，其传质效率，传质通量以及传质系数都随生物膜厚度的增加而降低。.再次，以Cu2+作为重金属离子，考察其对SRB生物膜生长和传质过程的影响。结果表明，Cu2+的出现影响生物膜内细胞的形态和EPS的分布，Cu2+对SRB生物膜的生长具有显著的影响。Cu2+的出现对SO42-和乳酸根的传质过程产生显著影响，随着Cu2+浓度的增加，SO42-和乳酸根的传质效率和传质系数逐渐减小，而Cu2+的传质效率和传质通量同样随Cu2+浓度的升高而逐渐减小。.最后，利用2-D数学模型模拟SRB的生长过程，当SO42-浓度低时容易导致SRB生物膜产生异质性，增大硫酸根浓度或Re都可以降低SRB生物膜异质性，SRB生物膜孔洞中的漩涡可以促进SO42-传递。