水平潜流人工湿地强化脱氮的技术及其机制研究

发布时间：2020-06-06 16:34

【摘要】：当前我国水体氮素污染形势十分严峻,由于传统水处理工艺的脱氮效率不高以及大量含氮农田退水排入水体,导致河流、水库、湖泊等水体严重富营养化,生态服务功能下降。人工湿地作为一种低成本、生态化的治理技术,被广泛应用于污废水的脱氮治理。人工湿地中氮素的去除主要依靠微生物的硝化-反硝化作用。本研究从影响人工湿地硝化-反硝化作用的主要因素入手,通过构建新型喷淋增氧系统和反硝化排气系统,改善了人工湿地内氧环境不佳抑制硝化反应的情况,同时研究了不同碳源添加方式对人工湿地系统脱氮效率的影响,提升反硝化脱氮中碳源的供应水平。此外,将微生物固定化技术引入人工湿地,以解决人工湿地内部由于微生物数量和活性不足所引起的硝化作用不完全问题,从而强化系统的脱氮效率。主要研究工作及成果如下:(1)外加碳源和反硝化排气管强化水平潜流人工湿地脱氮效果及机理研究。研究选取4种不同湿地植物和4种不同处理方式,考察植物碳源的释放情况,研究表明,在利用5%稀硫酸处理条件下,水葫芦(Eichhornia crassipes)的COD释放量最大可以达到368.6 mg.L~(-1)。同时考察了2种不同的碳源添加方式:外加碳源通过进水添加和外加碳源通过反硝化排气管添加,对湿地系统脱氮效率的影响,研究表明,通过反硝化排气管外加碳源的系统对NO_3~--N的去除效果最好,出水NO_3~--N去除率达到93.56%、TN去除率达到86.70%,外加的碳源作为电子供体,参与氧化还原反应,通过改变系统的氧化还原电位,使得体系内呈现高还原性环境,促进无机氮形态的转变,从而有利于反硝化作用的进行,提高系统的脱氮效率。此外,研究了反硝化排气管的存在对系统脱氮效率的影响,由亨利定律可知,反硝化排气管通过减小N_2和N_2O气体的分压,从而减小气体摩尔分数溶解度,有助于系统排出反硝化过程产生的N_2和N_2O,促进水中反硝化化学平衡向正反应方向移动,从而保障反硝化作用的顺畅进行,有利于NO_3~--N的去除。(2)新型喷淋增氧系统强化水平潜流人工湿地脱氮效果及机理研究。研究通过构建一组自动增氧系统,以进水喷淋增氧的方式,改善湿地的溶解氧环境。结果表明:喷淋布水的方式,可增加进水与大气接触的时间和面积,通过形成空气中的水雾滴增加了氧气溶于水的速率和数量,富氧进水有利于增强人工湿地硝化脱氮的能力。喷淋增氧系统开放的人工湿地中NH_4~+-N出水浓度明显低于喷淋增氧系统关闭的系统,说明了喷淋增氧系统的开放可以提高人工湿地系统内DO浓度,有利于硝化作用的顺畅进行,从而加速废水中NH_4~+-N的去除。(3)喷淋增氧水平潜流人工湿地微生物群落结构和空间变化研究。研究考察了喷淋增氧系统开放的条件下,水平潜流人工湿地系统内沿程微生物的群落结构和数量变化。研究表明,喷淋增氧系统开放的人工湿地系统上层氨化细菌的数量高于下层,上层氨化细菌数量约为7.92×10~6-4.29×10~7 MPN.g~(-1),上层硝酸盐细菌数量沿水流方向呈现递增规律,靠近出水区域的硝酸盐细菌数量最多,约为6.33×10~4MPN.g~(-1),下层反硝化细菌数量比上层高出一个数量级,并且下层前端靠近进水区域部分反硝化细菌数量最多,约为3.92×10~7 MPN.g~(-1)。亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌数量的增加,有利于硝化反应的发生从而提高系统NH_4~+-N的去除效率,反硝化细菌数量的增加则有利于反硝化反应的顺畅进行从而保障NO_3~--N的高效去除。(4)固定化硝化细菌最佳包埋条件研究。研究考察载体材料中添加剂和交联剂对固定化颗粒成球难易性、机械强度和传质性能的影响,结果表明:利用10%的聚乙烯醇(PVA)和2.0%的海藻酸钠(SA)混合溶液作为载体包埋剂,交联剂为2.0%的CaCl_2-硼酸溶液,此时制备的固定化硝化细菌小球对NH_4~+-N、COD的去除效果最佳,制备的小球成型状况良好,机械机械强度高、传质性能良好。(5)固定化硝化细菌降解条件的优化研究。研究通过改变温度、p H、DO和固定化小球的用量,来探究固定化硝化细菌最适宜的降解条件,从而为固定化硝化细菌应用到人工湿地奠定理论基础。研究表明,固定化硝化细菌最适宜的降解条件是:实验温度为30°C,p H为8.5,DO浓度为4.0 mg.L~(-1),小球用量为60 g.L~(-1),此时固定化硝化细菌小球对NH_4~+-N的去除效果最佳。在实际应用过程中,将温度控制在25-35°C,p H值控制在7.0-8.5,DO浓度控制在4.0 mg.L~(-1)左右,都可以保持较好的NH_4~+-N去除效果。(6)固定化硝化细菌强化水平潜流人工湿地脱氮效果及机理研究。投加固定化硝化细菌小球的人工湿地系统在三组进水COD/N的情况下NH_4~+-N、TN的去除效果均好于对照组。当进水COD/N比值为9:1时,投加固定化小球的人工湿地系统TN去除效率达到最佳为65.27%。外加固定化硝化细菌小球通过人为的增加人工湿地系统内硝化细菌的数量,促进硝化作用的顺畅进行,从而显著提高人工湿地系统的NH_4~+-N去除效率,同时配合以不同进水COD/N比值,保障了反硝化作用有充足的碳源供给,使得反硝化作用顺畅进行,通过高效的硝化-反硝化作用,促进系统内TN的去除。(7)本研究构建的新型喷淋增氧系统,通过形成空气中的水雾滴增加了氧气溶于水的速率和数量,富氧进水有利于硝化作用的进行,提高人工湿地系统的NH_4~+-N去除效果。而固定化硝化细菌技术的应用,则是通过强化人工湿地系统内微生物数量和活性,从而增强人工湿地硝化脱氮的能力。此外,反硝化排气系统的构建,通过减小N_2和N_2O气体的分压,有助于系统排出反硝化过程产生的N_2和N_2O,促进水中反硝化化学平衡右移,从而保障反硝化作用的顺畅进行。而外加的植物碳源,则是保障反硝化作用有充足的电子供体,从而有利于NO_3~--N的去除强化人工湿地反硝化脱氮的能力。
【图文】：

脱氮效果,高氮,低碳,碳源

对于改善人工湿地的脱氮效果有着重要作用。此外，目前城市污水普遍存在低碳高氮的问题，碳源不足影响了反硝化作用的顺利进行，导致人工湿地脱氮效果欠佳[24]。因此，如何获得制备方式简单、可控性高、经济无毒的植物碳源，进而通过外加碳源的方式，提高人工湿地系统对低碳高氮废水中氮的去除，也成为当前领域的研究热点。1.2 人工湿地的概述1.2.1 人工湿地的定义及类型人工湿地（Constructed Wetlands，简称 CWs），，是利用人工筑成的水池或沟槽，在其内部填充基质、种植水生植物，在其底部铺设防渗漏的隔水层，利用基质、植物、微生物的协同作用净化污废水。在设计和构建人工湿地时，可以在水流方式、植物和填料等方面进行选择和搭配，进而优化人工湿地生态系统中的物理、化学和生物作用，从而提高其水质净化效果。如图 1-1 所示，按照污水的流动方式，分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。

示意图,示意图,充气管,反硝化

图 2-1 水平潜流人工湿地示意图Figure 2-1 Schematic diagram of horizontal subsurface flow constructe wetland2.1.3.2 反硝化排气系统的构建反硝化排气管埋深至水平潜流人工湿地的底部反硝化区，排气管埋设密度为 1-2 个.m-2，管底反硝化区域上开设的通孔孔径为 5-7 mm，孔间距为 5-10 mm，其上部设有开关装置。反硝化排气管多孔段外壁包裹纱网，防止砂石堵塞充气管的开口。2.1.3.3 新型喷淋增氧系统的构建喷淋增氧系统包括一组垂直排布的多孔充气管和一组向上开孔的喷淋布水管，多孔充气管垂直插入人工湿地，埋设密度为 1-2 个.m-2，管壁开设的通孔孔径为 5-7 mm，孔间距为 5-10 mm，在水平潜流人工湿地的排水中通过大气压力而自动充入氧气。充气管外壁包裹纱网，防止砂石堵塞充气管的开口。喷淋布水管水平架设在人工湿地基质层上方，布水管之间的间距为 20-25 cm，安置直径为15-20 mm 的 4 分雾化喷头，喷头间距为 10-15 cm。新型喷淋增氧水平潜流人工
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X703

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