自养异养反硝化协同修复地下水硝酸盐氮污染的研究

发布时间：2017-07-20 06:02

  本文关键词：自养异养反硝化协同修复地下水硝酸盐氮污染的研究

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【摘要】：目前,地下水硝酸盐氮的污染已严重影响到世界上众多国家和地区人们的生活,我国是工农业大国,且正处在快速发展的发展中国家阶段,我国的硝酸盐污染尤其严重,受硝酸盐污染的水体不仅会危害人类的健康,诱发癌症,同时制约着我国工农业的发展。生物反硝化法是相比物理化学法更加经济、实用的方法,但是,不足的有机碳源一直是限制我国异养反硝化的脱氮效果的。针对此问题,本研究从以下两方面解决:一是利用秸秆、聚乙烯醇(PVA)、纤维素酶等原材料制备出一种具有缓释功能的新型碳材料,并研究了其抗压性能、结构性能和释碳性能;二是建立了电极生物膜反应器,并向反应器中投加上述释碳材料,使其形成自养异养协同修复受硝酸盐污染的地下水。本研究以秸秆、聚乙烯醇(PVA)、五种淀粉酶为原料,按正交试验把原材料按不同配比分为5组,采用凝胶成型法工艺,经过预处理、溶液共混、注入模具、冷冻成型四个阶段,共制备出了5组28种释碳材料。使用微机控制电子万能试验机对材料进行力学测试,结果表明释碳材料中秸秆与PVA能够较好的混合,抗压性能约为1066.67KN/m2,能够满足地下水中对材料的压力,且PVA含量越高,抗压性越强;以扫描电子显微镜(SEM)对材料表面结构进行分析,结果表明PVA作为骨架材料把秸秆包裹成固定的形状,两种物质的相容性良好,并且随着两种物质含量的变化,材料的表面结构也表现出一种逐渐变化的趋势;秸秆含量越高,材料的释碳量越高,且当材料添加剂为纤维素酶时,材料释碳性能最好。通过材料配比的正交试验表得出在制备释碳材料过程中,对释碳量的影响程度为秸秆:PVA添加剂添加剂量;通过对常温下释碳材料的静态释放数据进行拟合,最终得到该材料释碳的动力学公式为k值越高,材料释碳性能越好。本研究的自养反应阶段结果表明:NO3ˉ-N去除率随着电流强度增大是先升高后降低。当电流在150m A时,NO3ˉ-N去除率达到最大,去除率为27.5%,脱氮效果最佳;不同进水浓度对反硝化脱氮效果有一定的影响,试验过程中,随着进水NO3ˉ-N浓度的提高,NO3ˉ-N去除率下降,且NO2ˉ-N浓度也相应增加。当进水浓度超过30mg/L时,脱氮率迅速下降;水力停留时间对反硝化影响明显,在一定范围内,HRT越长,NO3ˉ-N去除率越高,NO2ˉ-N积累减少。但是从经济方面考虑,确定12h为自养阶段最佳水力停留时间。自养异养协同反应阶段结果如下:水力停留时间过短或过长都会限制反应器NO3ˉ-N的去除效果,且水力停留时间过长会造成NO2ˉ-N的积累。在HRT为8h时,NO3ˉ-N的去除率最高,可达98.8%;由于受到产氢不足或“氢抑制现象”的作用,电流过大或过小都会使NO3ˉ-N的去除效果不佳和产生NO2ˉ-N的积累现象。在处理模拟地下水试验时,50m A的电流强度是最理想,此时的NO3ˉ-N去除率为90%,且无明显NO2ˉ-N的积累现象;温度是通过影响反应器中反硝化菌来影响反硝化效果的,温度过高或过低都会影响菌内酶的活性,继而影响NO3ˉ-N的去除率以及NO2ˉ-N的积累,考虑到经济成本及出水质量,本试验将温度设为30℃,此时的去除率为84.3%;随着进水浓度的增大NO3ˉ-N的去除率缓慢减小,且逐渐产生NO2ˉ-N的积累现象,试验NO3ˉ-N初始浓度为30mg/L。对取自复合系统的两个样品进行高通量测序,发现两个样品测序结果中的Coverage指数都在0.999以上,测序结果真实。由Shannon和Simpson指数值可知自养异养的反硝化菌种没有单纯的异养反硝化菌种多样性丰富。自养异养接触面的碳材料样品中检测到12个菌门,其中变形菌门(Proteobacteria)所占比重最大,在样品中的丰度为98%,样品中的第二大优势菌门是拟杆菌门(Bacteroidetes),在样品中所占比例为1.06%。样品中假单胞菌科(Pseudomonadaceae)和鞘脂单胞菌科(Sphingomonadaceae)为主要优势菌科,所占比重分别为48.08%和22.7%。假单胞菌属(Pseudomonas)在属类中的丰度值最大,可达37.4%,其是比较普遍的一种反硝化菌属。样品中的第二大菌属为鞘氨醇单胞菌属(Sphingobium),所占比例为15.07%。
【关键词】：地下水污染 硝酸盐治理 缓释碳材料 协同反硝化 微生物群落
【学位授予单位】：河北工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X523
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-26
• 1.1 研究背景13-15
• 1.1.1 地下水体硝酸盐污染的原因13-15
• 1.1.2 硝酸盐污染的危害15
• 1.2 硝酸盐的去除方法15-20
• 1.2.1 物理处理技术16-18
• 1.2.2 化学还原法18
• 1.2.3 生物反硝化法18-20
• 1.3 国内外对碳源材料的研究现状20-22
• 1.3.1 无机小分子碳源20
• 1.3.2 有机小分子碳源20-21
• 1.3.3 有机高分子碳源21
• 1.3.4 BDPs（可生物降解聚合物）类碳源21-22
• 1.4 电极生物反应器22-24
• 1.4.1 电极生物膜法原理22-23
• 1.4.2 国内外对电极生物反应器的研究23-24
• 1.4.3 现阶段地下水硝酸盐污染处理技术中存在的问题24
• 1.5 本研究的目的和内容24-26
• 第2章 缓释碳源材料的制备26-38
• 2.1 材料的选择26-29
• 2.1.1 释碳材料26-27
• 2.1.2 骨架材料27-28
• 2.1.3 添加剂28-29
• 2.2 材料的制备方法29-33
• 2.2.1 螺旋挤压成型法29-30
• 2.2.2 干燥成型法30
• 2.2.3 流延成型法30-31
• 2.2.4 射出成型法31
• 2.2.5 凝胶成型法31-33
• 2.3 材料的制备33-38
• 2.3.1 试验中的原材料与仪器设备33
• 2.3.2 预处理33-34
• 2.3.3 溶液共混34
• 2.3.4 注模成型34-35
• 2.3.5 材料成分配比35-38
• 第3章 释碳材料的性能分析38-48
• 3.1 试验材料与方法38-40
• 3.1.1 试验材料38-39
• 3.1.2 试验方法39-40
• 3.2 性能分析结果与讨论40-47
• 3.2.1 材料的力学分析40-41
• 3.2.2 材料的结构特征分析41-43
• 3.2.3 材料的释碳性能分析43-47
• 3.3 本章小结47-48
• 第4章 电极生物膜法自养脱氮阶段48-55
• 4.1 试验材料与方法48-50
• 4.1.1 试验材料48-50
• 4.1.2 微生物挂膜和驯化50
• 4.1.3 分析方法50
• 4.2 试验结果与分析50-54
• 4.2.1 电流大小对脱氮效果的影响50-52
• 4.2.2 进水浓度对脱氮效果的影响52-53
• 4.2.3 水力停留时间（HRT）对反硝化的影响53-54
• 4.3 本章小结54-55
• 第5章 自养异养协同复合系统脱氮研究55-68
• 5.1 试验材料与方法55-57
• 5.1.1 试验用水55-56
• 5.1.2 试验装置与材料56
• 5.1.3 微生物挂膜和驯化方法56-57
• 5.1.4 试验根据57
• 5.2 试验指标分析方法57-58
• 5.2.1 试验指标57
• 5.2.2 硝酸盐氮的测定57
• 5.2.3 亚硝酸盐氮的测定57-58
• 5.2.4 氨氮的测定58
• 5.2.5 试验药品及仪器设备58
• 5.3 试验结果与分析58-66
• 5.3.1 水力停留时间59-61
• 5.3.2 电流强度61-64
• 5.3.3 进水浓度64
• 5.3.4 温度64-65
• 5.3.5 最佳参数试验65-66
• 5.4 本章小结66-68
• 第6章 自养异养协同复合系统微生物群落的分析68-78
• 6.1 研究方法68-69
• 6.1.1 样品采集68
• 6.1.2 测序数据流程68-69
• 6.2 自养异养反硝化细菌群落分析69-72
• 6.2.1 测序数据分析方法与结果69-70
• 6.2.2 细菌群落分析70-72
• 6.3 自养异养反硝化菌的类别分析72-76
• 6.4 本章小结76-78
• 结论78-81
• 致谢81-82
• 参考文献82-87
• 作者简介87-88
• 在学期间发表的学术论文和研究成果88
• 在学期间参加的科研项目88-89

【参考文献】

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本文编号：566494