微污染水源扬水曝气强化原位生物脱氮特性与试验研究

发布时间：2020-03-28 05:17

【摘要】：由于污废水大量排放及农业长期大量施用化肥,饮用水源氮源污染日益严重,已引起世界各国的高度重视。三十多年来人们采用各种方法对受污染水源水进行脱氮处理,其中生物脱氮法是目前去除水体氮源污染物最经济、有效的方法。尽管国内外对微污染水体生物脱氮进行了大量研究,但现有地表水源生物脱氮技术主要以异位生物修复为主,其水力停留时间受到限制,对总氮去除效果不理想,且大多需投加电子供体,增加了水处理成本,同时有些基质或其氧化的中间产物对生物有毒害作用。本文将扬水曝气与原位生物净化两种技术有机结合,针对微污染水体原位生物脱氮存在的低温、贫营养及好氧问题,采用贫营养脱氮功能菌群及低温贫营养脱氮功能菌群制成微生态菌剂,形成能有效去除水中氮源及有机污染物的原位生物投菌技术和原位生物膜技术,并结合扬水曝气技术,揭示了该组合技术用于微污染水源水生物脱氮的特性及效能。论文成果主要包括以下几方面: (1)贫营养好氧反硝化细菌的驯化、筛分及脱氮特性研究。在低营养条件下驯化、筛分出具有较好脱氮性能的贫营养好氧反硝化细菌PY8、DA15和DF7,结合菌株形态、生理生化试验及16S rDNA序列分析,可基本确定菌株PY8属于Rhizobium sp.,菌株DA15属于Arthrobacter sp.,菌株DF7属于Bacillus sp.。在前期已筛分出的高效脱氮菌种FY3、FY5和FY7的基础之上,采用生态位分离策略构建了贫营养脱氮功能菌群Z4(PY8+FY3+FY7),并对其中各功能菌的生长曲线、脱氮特性进行了系统的研究。结果表明,各菌株生长速率较慢,pH、温度、C/N、NaNO3浓度及接种量对各贫营养好氧反硝化细菌的脱氮性能影响有差异,且PY8异养硝化性能明显。周质硝酸盐还原酶亚基基因(napA)PCR扩增结果证实这3株菌具有可在好氧环境中还原硝酸盐的系统,好氧反硝化作用的确是由周质硝酸盐还原酶来催化的。 (2)低温好氧反硝化细菌的驯化、筛分及脱氮特性研究。通过逐渐降低温度条件驯化、筛分出耐冷脱氮细菌DW3、DW4、D3和D4,经过生理生化鉴定及16S rDNA序列分析,基本确定菌株DW3属于Pseudomonas sp.,菌株DW4、D3和D4均属于Acinetobacter sp.。各耐冷脱氮菌株生长曲线及脱氮特性试验表明,除D3菌株外,其他菌株在培养过程中都存在明显的衰亡期,各菌株的反硝化过程都发生在对数生长期,pH、温度、C/N及接种量对各菌株的脱氮性能有影响,各菌株具有明显的异养硝化性能,且在10℃温度条件下仍能保持一定的脱氢酶活性。选择菌株DW3和D3进行周质硝酸盐还原酶亚基基因(napA)PCR扩增,证实了这2株菌具有周质硝酸盐还原酶,可实现好氧反硝化。采用自适应及菌源生态重组策略构建出在极端环境中具有较好反硝化效果的低温贫营养脱氮功能菌群L1(PY8+DW3+D3)和L2(PY8+DW3+D4)。 (3)微污染水体原位生物投菌技术脱氮特性与效能研究。小试研究以贫营养脱氮功能菌群Z4作为菌源制成微生态菌剂,采用不同菌剂投量直接投加到水库原水中,菌投量为0.1mg/L时净化效果最好,整个运行期间(32d),硝氮、总氮、CODMn及TOC去除率分别达到72.3%、71.3%、32.3%和34.8%,稳定期的脱氮效果可满足地表水环境Ⅲ类水体的质量标准要求;同时溶解氧、水温、pH及C/N会影响生物菌剂的脱氮性能。将低温贫营养脱氮功能菌群L1用于微污染水原位生物投菌技术中,在低温环境条件下运行36d,该菌剂对原水硝氮及总氮去除率最大可达到46%和53%。 (4)微污染水体原位生物膜技术脱氮特性与效能研究。选择脱氮性能较稳定的硬性悬浮填料,同时研制出适合于微污染水体原位修复、且可创造适宜微生物生长的不同溶解氧环境的新型多孔悬浮填料作为生物载体,以贫营养脱氮功能菌群Z4作为菌源对载体进行人工强化挂膜,小试研究结果表明,试验运行46d,贫营养原位生物膜技术对原水硝氮及总氮去除率均可达到75%以上,CODMn去除率在25%以上,稳定时期脱氮效果可满足地表水环境Ⅲ类水体的质量标准要求,且温度、填料填充率及C/N比对原位生物膜系统脱氮效果有一定影响。贫营养细菌以较低速率进行生长时,对外界环境具有较大的抗性,是微生物适应贫营养环境的结果,在贫营养条件下,吸附和生物膜形成是微生物的一种生存策略。 (5)原位生物投菌系统对混合充氧技术的条件要求。DO浓度对贫营养好氧反硝化菌群的脱氮性能有一定影响。当DO浓度大于7mg/L时,反硝化速率很慢,始终保持在较低的水平;当DO浓度低于7mg/L时,反硝化速率随DO值的降低而较大幅度地升高,说明贫营养好氧反硝化菌群的阈值较高,对氧气有较高的耐受能力。DO浓度为3~4mg/L、5~6mg/L和7~8mg/L时,系统运行期间对原水总氮去除率分别为91%、84%和31%。好氧反硝化细菌的反硝化酶系和有氧呼吸系统同时存在,氧不再是抑制反硝化酶活性和反硝化酶生成的直接因素,周质硝酸盐还原酶亚基基因的扩增进一步解释了好氧反硝化菌可以在DO浓度相对较高的条件下进行反硝化作用。 (6)扬水曝气—原位生物净化组合技术中试研究。在扬水曝气强化混合条件下,进行原位生物净化系统中试研究。以贫营养脱氮功能菌群Z4为菌源,分别构成扬水曝气—贫营养生物膜和扬水曝气—贫营养生物投菌组合技术,在溶解氧浓度为5.0~7.0mg/L,水温范围为10℃~ 23℃、CODMn/TN≈1.56的贫营养条件下,扬水曝气—贫营养生物膜组合系统稳定运行时的氨氮、硝氮、总氮和TOC去除率范围分别为82%~100%、62%~79%、70%~80%和72%~80%,BOD5/CODMn比值可由初始0.476降至0.054,且三维荧光光谱图显示运行期间原水生源性DOM变化较大;扬水曝气—贫营养生物投菌组合系统稳定运行时的氨氮、硝氮、总氮、TOC和CODMn去除率分别为82%~100%、43%~58%、63%~70%、65%~73%和51%~57%。PCR-DGGE图谱分析表明,生物膜上种群演替进程缓慢,α-proteobacterium纲是生物膜中最优势的细菌类群,固定的菌株PY8和FY3成为生物膜上的优势菌群;生物投菌系统中FY3和FY7成为系统中的优势菌群。消毒剂灭活试验、群落结构多样性及小鼠急性经口毒性试验表明,生物菌剂不会对原生态系统产生较大的破坏,且不会对饮用水水质构成威胁。采用低温贫营养脱氮功能菌群L1与扬水曝气技术有机结合,在初期水温不足15℃,CODMn/TN≈1.0的低温、贫营养条件下,稳定运行阶段的硝氮及总氮去除率分别在50%和60%以上,最大硝氮及总氮去除率分别为81%和84%,TOC、CODMn及BOD5月平均去除率分别为63%、49%和62%。上述结果表明,该组合技术用于净化微污染原水是可行的,稳定运行期的脱氮效果均可满足地表水环境Ⅲ类水体的质量标准要求。
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X703

【引证文献】