虾蟹壳优化酸性矿山废水生物修复系统及其处理机制研究

发布时间：2020-03-18 13:23

【摘要】：酸性矿山废水(AMD)具有低pH、高硫酸盐和高溶解态金属含量等特征,直接排放会导致受纳水体酸化和生物多样性下降,并对水生生物和下游居民健康造成威胁。本研究以有机秸秆堆肥(straw compost,SCP)和虾蟹壳(crab shell，CS)两种有机废弃物为硫酸盐还原菌(SRB)提供碳氮源底物,构建了九组不同质量配比的连续流柱生物修复系统,通过金属离子、硫酸盐、酸碱度、溶解性有机碳(DOC)等出水指标分析和物料衡算考察反应器处理性能,并结合高通量测序数据研究微生物多样性和群落结构变化规律,探索不同底物组合对AMD废水的净化效果、处理容量和经济成本,从而在筛选出最优底物组合的同时研究其处理机制。主要研究结论如下:(1)八组含有机填料的连续流柱反应器的出水碱度、pH和DOC在驯化后第1天达到整个运行期间的最高值,随后逐渐降低。反应器填料层的虾蟹壳含量越高,出水释放碱度、DOC与氨氮浓度越高,且有效释放的持续时间越长,这说明相对于传统有机秸秆堆肥,虾蟹壳是一种更好的中和剂和有机碳氮源缓释剂。(2)作为AMD废水生物修复系统的关键微生物反应,硫酸盐还原对提高/维持碱度以及促进金属硫化物沉淀起重要作用。七组含虾蟹壳反应器的硫酸盐浓度总体上低于进水浓度,且虾蟹壳含量越高,硫酸盐的去除率相对越高,最高达到60%。反应器硫酸盐还原能力的维持时间随虾蟹壳含量的升高而延长。(3)AMD废水生物修复系统对金属的去除率与金属的种类、反应器运行阶段与有机填料层中虾蟹壳所占比例有关。七组含虾蟹壳反应器在运行期间对镉与铜的去除率维持在90%以上,而传统有机堆肥反应器对镉和铜的去除率分别在第6天与第30天开始低于5 0%。对于铁、锰、铝、锌、镍和钻六种金属,反应器填料层的虾蟹壳含量越高,在同一采样时间点的去除率越高,高去除率(50%)维持的时间也越长。其中,含90%虾蟹壳反应器对镍、钴两种金属的平均去除率最高,总体维持在50%以上(最高去除率达99%)。(4)不同底物反应器中微生物可利用有机碳的释放量存在明显差异。物料衡算结果显示,传统有机底物秸秆堆肥反应器中SRB等微生物对可利用机碳量不足,是导致其AMD废水处理能力不足的原因之一。含虾蟹壳反应器的有机碳来源以底物生物分解过程中产生的挥发性脂肪酸(VFA)为主,有利于微生物的高效利用。金属物料衡算结果显示,各有机填料反应器对不同金属的保留效果存在差异。七组含虾蟹壳的反应器对镉和铜的截留率均在90%以上,而传统有机堆肥反应器对铜的截留率为37%,对隔则没有明显截留效果。对于铝、锌、镍和钴四种金属,反应器填料中虾蟹壳含量越高,金属截留率越高。含50/%及以上虾蟹壳的反应器对四种金属的截留率均可达到50%以上,最高截留率为90%。其中,含900-/0虾蟹壳反应器对铝、镍和钻的金属截留率均为所有反应器中最高。(5)AMD废水的生物修复与反应器内SRB等微生物及其产生碱度、硫化物和固定金属的能力有关。通过对填料中微生物DNA样品的高通量测序及主成分分析(PCA)、非度量多维尺度分析(NMDS)分析和聚类分析得出,含70%、80%、90%和100%虾蟹壳反应器微生物样本之间的群落结构相似。不同样品之间的微生物在属分类水平上的相对丰度有差异,主要以醋杆菌属(Acetobacteroides),脱硫弧菌属(Desulfovibrio)和脱硫孢菌属(Desulfurispora)为主。虾蟹壳含量高于60%的样品中均检测到与SRB有关的菌群,分别为脱硫弧菌属(Desulfovibrio,1.2%-/%-9.8%)、脱硫化微菌属(Desulfomicrobium,0.1%-%-2.6%)、脱硫化小杆菌属(Desulfobacterium,0.6%-2.3%)、脱硫孢抱菌属(Desulfurispora,0.2%-2.2%)、脱硫酸盐杖菌属(Desulfatiferula,0.20%-0.7%)和脱硫化肠菌属(Desulfotomaculum,0.1%-0.6%)。结合反应器性能结果表明,微生物组成对AMD废水处理发挥了关键作用。
【图文】：

50% CS+50% SCP 7.7 13 92+60% CS+40% SCP 7.6 30 92+70% CS+30% SCP 7.6 30 7980% CS+20% SCP 7.6 46 92+90% CS+10% SCP 8.2 79 92+100% CS 7.9 61 92+：+代表在结束实验时，反应器中 pH 仍大于进水在连续进水条件开始时，，所有处理均产生足够的碱度（图 3-2），以完全中和进水在的酸度。传统有机堆肥反应器在进水第 1 天后碱度达到最大值，为 198mg CaCO3后碱度逐渐降低。而含有虾蟹壳底物的反应器产生的碱度明显高于传统有机堆肥反应高浓度接近 5100 mg CaCO3/L。石英砂空白反应器中由于没有有机底物的存在，出水乎没有碱度产生。含有虾蟹壳反应器比传统有机堆肥反应器出水含有碱度的时间更虾蟹壳含量越高其出水含有碱度的时间越久。在进水第 19 天后，低配比反应25%CS+75%SCP）的出水碱度首次降至 41 mg CaCO3/L（若碱度＜50 mg CaCO3/L，为该反应器失去产生碱度能力）。进水第 92 天后，所有反应器均失去产生碱度的能中 90%虾蟹壳反应器的出水碱度首次降至 33 mg CaCO3/L。

（a） （b）图 3-4 在连续流动条件下出水中 性有 碳(DOC)浓度变化Figure.3-4 Changes in dissolved organic carbon (DOC) concentration in effluent under continuous flowconditions（a） （b）图 3-5 在连续流动条件下出水中 氮浓度变化Figure.3-5 Changes in ammonium concentration in effluent under continuous flow conditions
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X751

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本文编号：2588776