生物固锰除锰工艺及其微生物群落结构解析

发布时间：2020-08-02 16:31

【摘要】：地下水除锰技术是以“生物固锰除锰”理论为指导,同时也开辟了该理论应用于工程实践的工程范例。将传统的二级处理工艺改进为“跌水弱曝气+一级生物滤池”的工艺流程,这是应用生物滤池同层去除地下水中的铁锰的典型工艺,并得到了广泛的应用。实际应用结果表明,该工艺出水水质均优于国家标准。困扰了人类半个多世纪的针对地下水净化锰难题找到了一条捷径,同时也是一条高效且非常经济的解决办法。根据实际运行水厂以往的经验,如果滤池中有较高浓度的亚铁离子存在的话,生物滤池的滤层对于铁锰同层净化的培养周期会出现较大的延长,比正常培养周期多出5至6个月的时间,而且成熟后的生物滤层的稳定性较差;此外,一定浓度的氨氮往往会存在于地下水中,也会抑制生物滤层的培养,必须考虑先将氨氮完全硝化去除后,再将地下水中的锰离子彻底去除。本文针对高铁高锰并含有氨氮的地下水中在生物除铁除锰滤池中锰离子的去除机理进行研究,研究去除锰离子的过程中起到关键作用的锰氧化菌,并对其群落结构进行解析,以便更好地指导和应用于工程实践。根据以往对生物滤池中铁锰去除过程中的铁锰离子之间的相互作用的氧化还原关系的研究结果得知:在生物滤层中铁锰离子之间存在着较为复杂的氧化还原反应,同时还与地下水水质情况有着密切的关系:当地下水中Fe~(2+)浓度高于3mg/L,会为较高价态的锰氧化物的还原提供电子供体,导致二价锰离子析出,就会破坏生物滤层中已经形成的生物膜结构,进而影响出水水质。只有当绝大部分亚铁离子在生物滤池的上层被氧化作用去除后,生物滤层的中下层才能形成高效且稳固的生物固锰除锰滤层,也就是说铁锰离子是在同一个滤池中去除,但是在滤池的不同高度层被去除。本文所研究的目标水厂的地下水水源是高铁高锰含氨氮的水质,在生物滤池的上层去除大部分铁并伴有较弱的除锰功能,锰离子是在滤池的中下部被去除掉的,因此滤层的厚度必须超过一定的阈值,才能保证以上功能的实现。对于高铁的地下水源,生物除锰的成熟滤层需要较长的培养周期,同时二价铁离子的浓度较高是对生物除锰的成熟滤层的除锰效果有较大的干扰,由此给出了在原水铁含量较高时成熟的生物除锰滤层的解决办法:如果成熟的生物滤层采用单层滤料的培养周期中,成熟的生物滤膜就会受到反冲洗水和亚铁离子的冲击并遭到破坏,因此需要延长培养时间,以利于成熟生物滤膜的形成。基于这些情况,本文提出以两层滤料的方式加快除锰生物滤膜的快速培养,通过模拟滤柱实验得知,采用两层滤料后,当亚铁离子浓度为18mg/L,二价锰离子浓度为1.4mg/L时,生物除铁除锰在同层去除的培养周期将缩短在两个月之内。对于源水中含有氨氮的水质去除过程就需要较高的溶解氧消耗,本论文研究的水质浓度为(Fe~(2+)约为18mg/L,Mn~(2+)约为1.4mg/L,NH4+-N约为1mg/L),还需要实现在同层中将铁锰和氨氮去除,进水中的溶解氧至少要在7.9mg/L以上。因为生物滤层上亚铁离子和氨氮以及一些还原性物质将消耗大量的溶解氧,生物除铁除锰滤层的中下层也是需要一定量的溶解氧才能够将原水中的锰去掉,这也是除锰的关键因素之一。基于源水中含有的氨氮量,以及生物固锰除锰的工艺的曝气装置和全工艺过程,在本研究的水质情况下,跌水弱曝气的方式(DO约4~5mg/L)就无法满足去除相应成分的需求,就需要考虑用机械曝气或是喷淋曝气这样较强的曝气方式(DO约8.5);当氨氮浓度较高时,受到水中氧气溶解度饱和的影响,单次的供氧方式就无法满足需求,需要试验两次充氧曝气和二级串联滤料去除或是连续曝气充氧的过滤去除方式来实现。地下水中的氨氮对于生物除铁除锰滤池的快速启动的关键因素是需要硝化细菌的聚集,采用循环培养法来进行快速启动研究,从实验结果得知循环培养法对于锰氧化菌群和硝化细菌的聚集有加速作用,将伴有氨氮的高铁锰地下水在同层生物去除的前期启动时间缩短至20天以内。分离得到了14株分纯锰氧化菌的菌株。并对其菌落形态和菌体的形态进行了观察。生物滤池上层的优势菌群共有四株,分别是Propionibacterinm、Nitrosomonas、Prevotella、Methylophilace,生物滤池的中、下层中Nitrospira、unclassified(接近50%)、others(未分类)较多,下层Delftia、Acinetobacter、Burkholderia、Ochrobactrum、Gemmatimonadace、Saprospirace、unclassified、others较多,其中Ochrobactrum为下层独有的属。基于研究结果,对哈尔滨市松北区自来水厂的曝气系统进行了二次改造并实现了一级处理工艺的稳定运行,出水指标均优于国家标准。又成功启动松北区水厂二期工程且稳定运行,在生物固锰除锰工艺的全流程中并未投加任何一种药剂的前提下实现了对典型的北方寒冷地区高铁高锰和由面源污染带来的含有氨氮的地下水质的净化,是生物固锰除锰工艺的又一次成功应用。
【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】：2018
【分类号】：X523;X172
【图文】：

模拟试验装置,水箱

图 2-1 模拟试验装置Fig.2-1 Equipment of experiment有机玻璃试验滤柱均为本课题组自主设计，在科学价值的数据。水和反冲洗水箱的尺寸为 1.5m×1.5m×1.5m，为 5mm 厚的玻璃泵用来反冲洗使用。实验所使用的水箱是根据供水的运行方式采用连续给水的方式进行的，水力停留时间等数据的实际要求来计算和调整进水量为 10 吨。在实验用水水箱的长期使用过浓度一直呈较高的状态，就会产生大量的高价水箱中留存的铁氧化物，避免这些高价态的铁验数据的准确性。也是实验水箱的重要作用之一，实验滤柱需要

纯培养,菌株,锰氧化,重新编号

哈尔滨工业大学工学博士学位论文了一种叫 Wurster Blue 的可溶性物质，是在自然MPD 快速反应的结果，具体从量化的角度来分析产生 1mol Wurster Blue。可以采用分光光度法在吸光值来判断各个}培养锰氧化菌株锰氧化能力D 法的初步筛选，得到了较为理想的显色反应结较强锰氧化能力的菌株 14 株，重新编号为 1-14 段进一步分析检测其生物学特性和群落结构特点。3-3 所示。

透射电镜,锰氧化,透射电镜,锰砂

图 3-4 锰砂表面形态扫描电镜图3-4 SEM results of manganese sand surface morphological character运行水厂生物滤池中、下层挖取锰砂样品，从图 3-4 来量的锰氧化菌膜[128]，同时也有锰氧化物沉淀聚集。更直中下层为除锰层。化菌形态分析化菌进行透射电镜形态观察前，先在实验室先将菌株进-5 所示。

【相似文献】