核桃壳基填料BAF释碳与生物氧化耦联脱氮特性研究

发布时间：2020-07-25 19:15

【摘要】：水是生命之源,良好的水质是人类生存的基本保证之一。但据2016年《中国环境状况公报》,全国局部地区依然有水质恶化现象,其中,氨氮是地表水和地下水水质监测的主要超标指标之一。去除水体中的氮素污染、净化水质刻不容缓。同时我国核桃壳产量大,核桃壳的资源化利用在资源紧缺的当代中国涵义深远。因此,将核桃壳用于处理废水中氨氮倍显其生态和环境意义。我国又是皮革生产大国,制革行业在促进经济发展的同时也带来越来越紧迫的环境问题。氨氮也是制革行业废水中主要污染物之一。近年来,制革业废水中氨氮的治理虽取得了长足的发展,但随着十三五期间,国家对总氮污染控制,制革行业总氮的去除又成为关注的焦点。本研究以核桃壳为研究对象,以对制革工业产生的废水中氨氮和总氮的去除为研究目标,首先利用ESEM、红外光谱分析等观察测试核桃壳物化特性,结合长期、短期浸出有机物试验、静态反硝化试验、静态和动态吸附试验,揭示核桃壳释放有机碳特性和吸附氨氮特性。其次,将核桃壳、陶粒和沸石分别按1㑳1组合,构建W-BAF、C-BAF、CW-BAF、ZW-BAF四种类型填料BAF,以制革废水中氨氮、总氮等污染物为处理目标,探讨不同的水力停留时间下各反应器对污染物的去除效能;并进一步比较分析了四种填料BAF沿滤池不同高度填料区对主要污染物的去除特性以及氮素转化特性,明确核桃壳基填料BAF脱氮特性。最后通过对四种填料沿程生物膜的电镜观察和生物量、生物活性测试,结合利用Biolog-ECO技术,从分析四种填料沿程生物膜微生物代谢特性指纹、碳源利用效率明确了微生物代谢活性和微生物群落多样性。研究主要结论如下:(1)新疆核桃壳中综纤维素含量最多,其次是木质素和聚戊糖。短期清水浸出有机碳和反硝化试验表明核桃壳结构稳定、释碳量高,适合作为具有支撑作用的固体碳源;释碳长效性试验表明,单位核桃壳每天释放有机物是一个释放量衰减的过程。释碳0~3天为快速衰减期,第4~6天为中速衰减期,6~12天为慢速衰减期,12天以后为逐步稳定期,趋势曲线y=4.7221x~(-0.893)。(2)ESEM观察核桃壳表面结构致密、微孔多而通透,且孔隙分布很有规律,呈现同向性,具有较大的总孔隙面积和孔隙度;表面带有-OH等官能团,具有一定的吸附性能。静态吸附NH_4~+是以物理吸附为主的有单层和多层吸附的自发吸热过程。动态吸附过程符合Thomas吸附动力学模型,吸附方程y=-0.0063x+2.1488,R~2=0.9769。(3)挂膜阶段,以COD去除率稳定在80%以上判断,核桃壳初期的释碳使得W-BAF挂膜所用时间较长,其次是组合填料,C-BAF挂膜所需时间最短。以NH_4~+去除率稳定在60%以上判断,组合填料挂膜时间最短,其次是W-BAF,C-BAF需要时间较长。组合填料挂膜时间优势明显。BAF稳定运行阶段,HRT对核桃壳及其组合BAF去除COD影响不大,HRT=12h、8 h和6 h,四种滤池的出水COD均小于20mg/L,去除率均在80~90%之间。HRT对NH_4~+去除影响较大,NH_4~+的去除率随HRT的减少总体是下降趋势。四种填料BAF抗NH_4~+负荷冲击能力按强弱排列顺序为:C-BAFCW-BAFW-BAFZW-BAF。组合填料滤池中有较强的反硝化作用,使得其对TN的去除率总体好于单一填料滤池,C-BAF对TN的去除效果较差。(4)四种填料BAF沿程进水端生物量丰富,出水端生物量较少,滤池40cm高度以下生物活性较高,接近出水端,生物活性降低。COD、氨氮和总氮的去除主要发生在滤池中下部,沿水流方向远离进水端,去除效果总体较弱。不同类型填料BAF氮素转化特性不同,脱氮特性不相同。W-BAF沿水流方向氨氮浓度呈逐渐下降趋势,而硝态氮生成量较低,有亚硝酸盐积累,且DO含量较低,TN去除率较高,判断发生了短程硝化反硝化作用。C-BAF亚硝态氮累积量近乎为0,滤池的下部区域去除氨氮是以硝化-反硝化作用为主,而上部区域以硝化作用为主。CW-BAF亚硝态氮积累量较少,核桃壳释放的碳源增加了反硝化细菌的活性,NH_4~+转化为硝态氮,因此NH_4~+的去除主要依靠碳释放、硝化和反硝化耦联作用。ZW-BAF脱氮的特性主要是沸石的离子交换吸附作用和核桃壳释碳、硝化、反硝化的耦联作用。利用Biolog-ECO方法对四种填料BAF沿程生物膜微生物群落结构和多样性研究表明,四种填料BAF中生物膜微生物对糖类及其衍生物类碳源的利用率均较高,对胺类和醇类碳源利用率较低。W-BAF填料沿程生物膜微生物高利用碳源数量最多,其次是ZW-BAF和CW-BAF,C-BAF最少。填料材料整体的形态均匀度影响微生物附着分布的均匀性。不同类型填料组合较单一填料有利于生物膜微生物种类多样化,互补不足,一定程度上维持BAF系统的稳定性和效能的提高。利用核桃壳去除废水中氮,以废治废,废弃的富含氮素的核桃壳可以还田或作堆肥等进一步的深度利用,不仅为制革生产废水中氮素的去除提供了新思路和新的“绿色”方法,促进制革行业可持续发展的同时也将对于农林废弃物充分发挥其潜在价值以及扩展在环境保护领域的应用有着积极的意义。
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703
【图文】：

地下水水质,状况,水质

气、水、生态保护等方面的环境状况有稍许改善，但空气污染仍有水质恶化现象发生。全国 112 个重要湖泊、水库中，Ⅰ类～Ⅱ类水质占 32.1%、Ⅲ类、劣Ⅴ类分别占 5.4%和 8.0%。全国地表水 1940 个监测断面、Ⅲ类～Ⅳ类占 50.7%、Ⅴ类、劣Ⅴ类分别占 6.9%和 8.6%。国 31 个省（区、市）225 个地市级行政区的 6124 个监测点的分别用 5 个级别显示：水质为优良级的监测点占 10.1%、良好级、较差级占 45.4%和极差级占 14.7%（图 1-1）。较差级、极差占过半比例，监测点中主要的超标指标为 Mn、Fe、总硬度、O3-和 NH4+等。338 个地级及以上城市，地表水水源监测断面 6.4%；地下水水源监测断面 334 个，不达标率占 15.0%，主 NH4+。全国的淡水资源七大水系，除长江、珠江流域水质状花江和辽河流域均为轻度污染，海河流域水质属重度污染水优良级10.1%良好级极差级14.7%

占比,氨氮,情况,农业源

铵态氮（NH4+-N）、硝酸盐氮（NO3--N）和亚硝酸盐氮种最主要的存在形态，主要以 NH3和 NH4+两种形态存国城市化进程的不断加快，工业、农业的快速发展，造湖海之中。据 2015 年发布的《环境统计年报》数据， 2015 年全国废水氨氮排放总量和工业、农业和城市和自占全国排放量的比例，据资料统计，2015 年城镇生活年还增加 0.4%。表 1-1 2015 全国氨氮废水排放总量及占比情况Table 1-1 Total ammonia nitrogen emissions and proportion in 2015全国废水工业废水农业源废水城吨） 229.9 21.7 72.6 %） 9.40 31.60 工业废水9.40%农业源

示意图,核桃壳,碳源,载体

[149]来吸附污染物质；三则利用核桃壳生物质为反硝化过程提供碳源用于去除制革废水中的氨氮和TN（图1-4）。此构想原因有五个方面：（1）核桃壳来源丰富、廉价易得、质地坚硬、生物和化学性能稳定；（2）核桃壳亲水和亲生物性好、可自身降解，为微生物的生长提供有机碳；（3）核桃壳具有较大的比表面积和孔隙率，孔径适中，具有良好的截污能力，且内部网状的相互连通的小孔通向载体表面，使微生物易于进入孔中附着、生长，从而形成丰富的生物膜微生物群落结构。核桃壳还可起到骨架支撑作用；（4）陶粒是目前使用最多的一种填料，以此为对照，有利用对核桃壳填料的工业化应用做出预评估；（5）沸石结构呈架状，孔隙丰富，具有较大的比表面积，是常用的一种吸附材料，作为填料对氨氮有较好的吸附效果

【参考文献】