耦合自养脱氮生物滤池同步净化地下水中铁锰和氨氮技术研究

发布时间：2020-07-08 16:39

【摘要】：近年来随着我国经济的快速发展,原以水质相对稳定而著称的地下水也在补给过程中受到了不同程度的污染,为应对含铁、锰地下水中氨氮含量逐步攀升和有机物复合污染的加剧,本研究采用三座模拟生物滤池构建了耦合自养脱氮功能生物滤池同步净化地下水中铁、锰和氨氮技术,明确同步净化铁、锰和氨氮、同步净化铁、锰、氨氮和高锰酸盐指数和用于在低温下同步净化铁、锰和氨氮生物滤池的启动方法和工艺参数;通过将理论计算和试验数据相结合,明晰全程自养脱氮过程为总氮损失的主要原因,并探究有机物、低温及锰和氨氮含量对生物滤池内氮素转化的影响,同时,利用分子生物学手段分析了生物滤池内微生物群落结构组成和演替规律。本研究中三座耦合自养脱氮功能生物滤池均采用分布接种启动方式启动,1#同步净化铁、锰和氨氮生物滤池经过56天的运行启动成功,稳定运行期滤速为5m/h,总氮损失量的平均值为0.69 mg/L,锰的去除能力培养是影响整个启动期长短的关键因素;2#同步净化铁、锰、氨氮和高锰酸盐指数生物滤池经过243天的运行启动成功,稳定运行期内最终滤速为4 m/h,总氮损失量的均值为0.32 mg/L,进水中有机物的存在增大了滤池的运行难度,锰、氨氮和亚硝酸盐氮去除能力的培养及生物滤池的堵塞状况综合影响了最终工况和启动期耗时;3#低温同步净化铁、锰和氨氮生物滤池启动过程中,原水水温为4.1-4.3~oC,启动过程中不同滤速导致进入滤层和出水水温呈现梯度降温现象,启动期共耗时333天,稳定运行期滤速为3 m/h,进出水水温分别为5~oC和6.5~oC,总氮损失量的均值为0.18 mg/L,亚硝酸盐氮去除能力的培养是影响启动期长短及最终工况的关键因素。进水中有机物的存在以及低温都导致耦合自养脱氮生物滤池内总氮损失量降低并延长生物滤池的启动时间。在耦合自养脱氮生物滤池中,自养脱氮过程是造成生物滤池内部总氮损失的主要原因,氮素的转化通过完全硝化过程和自养脱氮过程共同完成。生物滤池稳定运行期内,通过自养脱氮过程转化的氨氮占比分别为48.1%(1#)、29.5%(2#)和15.9%(3#),进水中有机物的存在及低温所引起的环境和工况的变化对自养脱氮过程存在明显的影响。在同步净化铁、锰和氨氮生物滤池内,自养脱氮过程在氮素转化过程中的占比随着进水锰含量的升高而升高,随着进水氨氮含量的升高而下降;锰和氨氮含量的变化可以影响生物滤层深度方向上氮素的转化规律。锰的氧化动力学过程在整个试验期中均可用一级动力学方程描述,拟合方程中所获得的k值略低于传统生物除铁除锰滤池中所获得的结果,但相比非生物氧化过程依旧更具与参考价值。在微生物群落结构组成分析中,不同工况和水质条件下生物滤池内微生物群落结构组成和演替规律存在显著差异。同步净化铁、锰和氨氮生物滤池内共有11个锰氧化细菌所在菌属被发现,锰氧化细菌在整个滤层中均为优势菌属,微小杆菌属(Exiguobacterium)为占比最大的锰氧化细菌所在菌属;共有三种氨氧化菌属和三种硝化菌属被检测到,Candidatus Kuenenia是唯一被检测到的厌氧氨氧化菌属。同步净化铁、锰、氨氮和高锰酸盐指数生物滤池内,共检测到9个锰氧化细菌所在菌属,锰氧化细菌所在菌属占比大幅下降,Candidatus Kuenenia依旧为唯一被检测到的厌氧氨氧化菌属。低温同步净化铁、锰和氨氮生物滤池内,共检测到7个锰氧化细菌所在菌属,锰氧化细菌所在菌属相比1#生物滤池大幅下降;亚硝化毛杆菌属(Nitrosomonas)和硝化螺旋菌属(Nitrospira)分别为滤层中氨氧化菌属和硝化细菌菌属,Candidatus Brocadia是唯一被检测到的厌氧氨氧化菌属。耦合自养脱氮生物滤池内深度方向上污染物去除量的大小与功能微生物占比并无明显正相关关系。以分子生物学分析结果为基础对生物滤池进行反向调控过程的重点应为以不同工况下稳定运行期内具有突出适应性的功能菌属为指导,通过为其创造合适的增殖代谢条件加速生物滤池的成熟和提高运行稳定性,进而提高处理效能。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X523
【图文】：

物化法,机制,氨氮

`- 9 -图1-1 物化法去除水中铁的机制[29]Fig. 1-1 Physicochemical iron removal mechanisms[29]化工艺通常与过滤相组合使用，以期达到铁、锰和氨氮的同步去除效果。尽管这种组合方法十分高效，但氨氮的去除过程需投加大量的氧化剂，每去除1.0mg 的氨氮就需要消耗 10mg 的氯[94]，投加的化学药剂增加了工艺的运行成本，同时化学氧化还会产生潜在的危险副产物并引起二次污染[95]。1.3.2 铁锰和氨氮的生物净化技术随着科研人员的不断探索，采用生物处理技术处理铁、锰、氨氮共存地下逐渐在世界范围内流行开来。在 20 世纪 90 年代，生物法就已在欧洲被应用于实际生产当中[87]。在我国 20 世纪 80 年代，中国市政工程东北设计研究院基于大量实验的基础上发现长期高效除锰滤池内部存在大量的铁、锰氧化细菌

锰氧化,机制,生物滤池

图 1-2 生物锰氧化机制[12]Fig. 1-2 Biogenic Mn oxidation mechanisms[12]成后进行。鉴于此，处理单元的设计必须要考虑到上述三种污染物生物过程的特性进行设计。生物滤池是一种操作简单并高效的生物处理单元生物滤池内，铁、锰和氨氮均可通过生物作用被有效去除，简单预处理级或多级生物滤池组合的方式是目前广为采用的地下水去除工艺。鉴于

示意图,试验生物,滤池,反应装置

因此可在研究中通过对截取的柱状滤层进行试验研究并以此反应整个生物滤池的运行效果。本研究于实验室内设置三座具有相同规格的生物滤柱反应器用以模拟不同工况运行下的生物滤池，编号依次为 1#、2#和 3#，模拟生物滤池反应器示意图如图 2-1 所示，实际搭建起的反应器实物图如图 2-2 所示。

【参考文献】