采用含硫铁化学污泥作为电子供体的自养反硝化性能研究

发布时间：2020-05-25 20:09

【摘要】：环境污染和水体富营养化问题的尖锐化迫使越来越多的国家和地区制定严格的总氮排放标准,污水脱氮技术成为污水处理领域的热点和难点,生物脱氮是目前最经济和有效的方法。大部分污水处理厂出水总氮普遍难以达标排放,基于进水水质水量不稳定、提高回流比造成水力负荷增大、降低反应动力学且耗能、投加有机碳源带来二次污染以及高污泥产率等问题,急需寻求一种节能降耗、操作简单的深度脱氮方法。针对低C/N值的二级生物出水,外加有机碳源(如甲醇、乙酸等)来完成异养反硝化,其操作难度大、运营成本高,还会有亚硝酸盐累积和有机物溢出的风险。自养反硝化,因其可利用无机化合物(如S、S~(2-)、Fe、Fe~(2+)、FeS_2、H_2等)作为反硝化电子供体,具有污泥产率低、二次污染少等优点,目前得到越来越多的关注。基于以上考虑,本研究主要利用含硫工业废水预处理产生的含硫铁化学污泥(简称“硫铁泥”)作为固相电子供体进行自养反硝化深度脱氮,研究内容和结果如下:(1)通过批次实验,考察硫铁泥的化学氧化特性,及硫铁泥投加量、污泥浓度、HRT及各种理化因素(pH、温度、NH_4~+-N浓度、HCO_3~-浓度、PO_4~(3-)-P浓度等)对硫铁泥自养反硝化性能影响。在硫铁泥自养反硝化过程中,当进水NO_3~--N浓度为75 mg/L时,硫铁泥的最佳投加量为0.56 g/L,最适污泥浓度约为4000 mg/L;当HRT为8 h时,NO_3~--N、TON去除率分别为88.50%、45.09%,NO_2~--N累积率达到最大值为46.85%,反应至第18 h,NO_3~--N和TON去除率大于90%;该体系最适温度范围为25~35°C,在pH 6~9范围内对NO_3~--N均有较高的还原效率;NH_4~+-N、Mg~(2+)、HCO_3~-和PO_4~(3-)-P的限制浓度分别为2.0、0.4、40和0.2 mg/L,当PO_4~(3-)-P浓度50 mg/L时,磷去除率高达99%。高浓度NO_3~--N对硝酸盐还原速率没有影响,但当NO_2~--N浓度大于200 mg/L时,会抑制硫自养反硝化菌活性。(2)在优化试验操作条件基础上建立了连续流的集成垂直上流式生物悬浮床反应器,考察硫铁泥自养反硝化(简称“ISAD”)体系长期运行的脱氮特性。ISAD体系运行时间超过90 d,进水pH 7.0~8.0,反应温度20~30°C,当进水NO_3~--N、NO_2~--N浓度分别是74.54 mg/L、1.11 mg/L,水力停留时间为18 h时,氮负荷达到4.20 mg/(L·h),对应出水浓度分别降低至2.78 mg/L、2.87 mg/L,TON去除率高达93.36%,NO_3~--N还原速率、NO_2~--N还原和累积速率分别为12.06 mmol(L/d)、3.70 mmol(L/d)、7.74 mmol(L/d),表现出高效的特征。当HRT为12 h,会造成出水亚硝酸盐累积,累积率为34.05%。硫铁泥中的固相硫化物经微生物氧化转化为溶解性的硫酸盐,同时释放电子还原硝酸根,有扁平状和针状次生矿物晶体形成。微生物群落结构分析表明,含硫铁化学污泥自养反应器的优势菌种为Proteobacteria,反应器中存在起主要反硝化作用的Thiobacillus。(3)系统比较了硫铁泥和黄铁矿作为自养反硝化的电子供体应用于缺乏有机质的废水深度脱氮的稳定性和差异性。硫铁泥和黄铁矿自养反硝化过程中NO_3~--N还原速率为8.51 mg/(L·h)vs 3.80 mg/(L·h),NO_2~--N还原速率为2.67 mg/(L·h)vs 1.59 mg/(L·h),NO_2~--N累积速率为4.60 mg/(L·h)vs 2.09 mg/(L·h)。ISAD体系和黄铁矿自养反硝化(简称“PAD”)体系UASB反应器连续运行超过90 d,进水NO_3~--N浓度为70~80 mg/L,当HRT为18 h,ISAD体系的NO_3~--N和TON去除率分别为96.30%、91.51%;而PAD体系逐渐失去还原硝酸根能力,在第40 d NO_3~--N、TON去除率仅为13.73%和13.90%。ISAD体系污泥经微生物腐蚀有扁平状和针状次生矿物形成,其硫元素占比从15.14%降至1.93%,而PAD体系污泥和元素组成未发生明显变化。ISAD和PAD体系的主要优势菌属均为Thiobacillus,但两个反应器在长期运行中逐渐形成了不同的微生物群落结构。硫铁泥和黄铁矿自养反硝化在微生物作用下还原废水硝酸盐氮是可行的,反应中会出现亚硝酸盐累积现象。硫铁泥相比黄铁矿,具有较大比表面积、表面疏松多孔、化学活性高、无固定晶型等特点,在废水深度脱氮方面表现出优势。基于ISAD体系稳定高效的氮去除率、稳定的出水pH值和较低的硫酸盐产率,其在实际工程应用中表现出潜力。因此,含硫废水预处理产生的化学硫铁泥作为反硝化电子供体深度脱氮可以达到以废治废的双赢效果,在实现此类化学污泥资源化利用的同时,不需要外加碳源、减少固废的处置量,在实际工程应用中表现出综合的环境效应。
【图文】：

地球化学循环,生物固氮,氮素

图 1.1 氮素的地球化学循环（BNF：生物固氮）ig. 1.1 The geochemical cycle of nitrogen (BNF: biological nitrog脱氮的需求与技术生利用的需求严重缺水的国家，淡水资源不到世界人均水量的 1/4。据多座城市缺水，，2/3 的城市存在供水不足，大部分城市据环保部《2016 年中国环境公报》公布的我国水质监

技术路线图

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【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

【参考文献】