电解强化生物反硝化固定床去除地下水中硝酸盐的研究

发布时间：2017-09-03 10:05

  本文关键词：电解强化生物反硝化固定床去除地下水中硝酸盐的研究

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【摘要】：地下水一直以来都是重要的饮用水资源,但由于氮肥的大量施用等原因,地下水硝酸盐污染不断加剧。饮用硝酸盐污染的水会严重危害人体健康。由于具有去除效率高,对环境友好的特点,生物反硝化技术被广泛应用于去除水中的硝酸盐。将自养反硝化与异养反硝化相结合,能够互相取长补短,更具有优势。氢自养菌相比于硫自养菌更适宜用来构建自养-异养协同反硝化体系。使用固定床形式的反应器,能够将电化学部分与微生物部分分离,克服此前电极生物膜反应器中,微生物活性容易受到电化学作用抑制的缺点。本研究开发了一种新型去除地下水中硝酸盐的电解强化反硝化固定床反应器(Heterotrophic coupled with Electro-Autotrophic Denitrifying Packed Bed Reactor,HEAD-PBR)。反应器使用不锈钢网做阴极,Ti/RuO2网做阳极,二者构成反应器下部的电解段。作为固相碳源的锯末与作为生物载体的陶粒混合,接种污泥后构成反应器上部的反硝化段。电解段与反硝化段上下串联运行,通过电解水产生氢气,构建自养-异养反硝化体系。实验考察了针对不同硝酸盐浓度的模拟地下水,在不同条件下HEAD-PBR的反硝化性能。同时对反应机理做了深入探究。实验结果表明:当极板间距为30 mm,电流为0.1 A时,氢气产生速率为1.78mmol/h,效率最高且副产物积累少,为最优的电解条件。此条件下,添加126.46g锯末的HEAD-PBR针对初始硝酸盐浓度为50 mg N/L和25 mg N/L的模拟地下水,分别最快在24 h和18 h的水力停留时间内去除约99%的硝酸盐,且出水中没有亚硝酸盐和氨氮的积累。反应器整体的硝酸盐容积还原速率最快为28.19±0.70 g N/(m3·d)。在整个运行期间,电化学作用、异养反硝化和自养反硝化分别平均去除23.3%±6.8%、61.3%±7.0%和15.4%±4.6%的硝酸盐。Thauera和Hydrogenophaga等菌属为主要的反硝化菌属,其中氢自养菌主要分布在反硝化段中部。电解产生的氧气能够被微生物快速利用,并在反硝化段中部以上保持良好的缺氧环境。锯末和微生物新陈代谢能够中和电解后产生的OH-,使出水pH保持在7.82±0.09的水平。光合细菌Chlorobium能够完善HEAD-PBR中的碳循环并提高氢气的利用率。对碳元素转化和相关微生物的分析可以明确,在HEADPBR中形成了自养-异养协同反硝化的体系。
【关键词】：硝酸盐 生物反硝化 固定床反应器 锯末 协同反硝化
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X523
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 地下水硝酸盐污染现状11-13
• 1.1.1 地下水硝酸盐污染的来源11-12
• 1.1.2 地下水硝酸盐污染状况12-13
• 1.1.3 地下水硝酸盐污染危害13
• 1.2 地下水硝酸盐污染的修复技术13-17
• 1.2.1 物理化学修复技术14
• 1.2.2 化学修复技术14-15
• 1.2.3 生物修复技术15-17
• 1.3 电极强化生物反硝化反应器研究进展17-21
• 1.3.1 反应器的研究进展及脱氮原理17-20
• 1.3.2 电极强化生物反硝化反应器的优势与不足20-21
• 1.4 研究目的、内容与创新点21-24
• 1.4.1 研究目的21-22
• 1.4.2 研究内容22-23
• 1.4.3 研究创新点23-24
• 1.5 技术路线24-25
• 第2章 电解条件的优化25-38
• 2.1 引言25
• 2.2 材料与方法25-28
• 2.2.1 实验装置25-26
• 2.2.2 实验材料26-27
• 2.2.3 实验方法27
• 2.2.4 分析方法27-28
• 2.3 结果与讨论28-37
• 2.3.1 不同电解条件对产氢的影响28-30
• 2.3.2 不同电解条件对水质的影响30-36
• 2.3.3 最优电解条件的选择36-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第3章 HEAD-PBR去除水中硝酸盐 的性能38-60
• 3.1 引言38
• 3.2 材料与方法38-43
• 3.2.1 实验装置38-40
• 3.2.2 实验材料与污泥培养40-41
• 3.2.3 实验方法41-42
• 3.2.4 分析方法42-43
• 3.2.5 计算方法43
• 3.3 结果与讨论43-58
• 3.3.1 氮元素的转化43-48
• 3.3.2 碳元素的转化48-51
• 3.3.3 溶解氧的变化51-55
• 3.3.4 pH的变化55-56
• 3.3.5 各脱氮反应的贡献度56-58
• 3.4 本章小结58-60
• 第4章 HEAD-PBR中的微生物群落结构60-75
• 4.1 引言60
• 4.2 材料与方法60-62
• 4.2.1 微生物样品采集60
• 4.2.2 实验方法60-62
• 4.3 结果与讨论62-74
• 4.3.1 微生物群落相似性与多样性62-64
• 4.3.2 HEAD-PBR中的优势菌群64-68
• 4.3.3 微生物群落分布特点68-72
• 4.3.4 HEAD-PBR中的物质转化72-74
• 4.4 本章小结74-75
• 第5章 结论与建议75-77
• 5.1 结论75-76
• 5.2 建议76-77
• 参考文献77-90
• 致谢90-91
• 个人简历91

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本文编号：784333