【摘要】：由于污廢水大量排放及農業(yè)長期大量施用化肥,飲用水源氮源污染日益嚴重,已引起世界各國的高度重視。三十多年來人們采用各種方法對受污染水源水進行脫氮處理,其中生物脫氮法是目前去除水體氮源污染物最經(jīng)濟、有效的方法。盡管國內外對微污染水體生物脫氮進行了大量研究,但現(xiàn)有地表水源生物脫氮技術主要以異位生物修復為主,其水力停留時間受到限制,對總氮去除效果不理想,且大多需投加電子供體,增加了水處理成本,同時有些基質或其氧化的中間產(chǎn)物對生物有毒害作用。 本文將揚水曝氣與原位生物凈化兩種技術有機結合,針對微污染水體原位生物脫氮存在的低溫、貧營養(yǎng)及好氧問題,采用貧營養(yǎng)脫氮功能菌群及低溫貧營養(yǎng)脫氮功能菌群制成微生態(tài)菌劑,形成能有效去除水中氮源及有機污染物的原位生物投菌技術和原位生物膜技術,并結合揚水曝氣技術,揭示了該組合技術用于微污染水源水生物脫氮的特性及效能。論文成果主要包括以下幾方面: (1)貧營養(yǎng)好氧反硝化細菌的馴化、篩分及脫氮特性研究。在低營養(yǎng)條件下馴化、篩分出具有較好脫氮性能的貧營養(yǎng)好氧反硝化細菌PY8、DA15和DF7,結合菌株形態(tài)、生理生化試驗及16S rDNA序列分析,可基本確定菌株PY8屬于Rhizobium sp.,菌株DA15屬于Arthrobacter sp.,菌株DF7屬于Bacillus sp.。在前期已篩分出的高效脫氮菌種FY3、FY5和FY7的基礎之上,采用生態(tài)位分離策略構建了貧營養(yǎng)脫氮功能菌群Z4(PY8+FY3+FY7),并對其中各功能菌的生長曲線、脫氮特性進行了系統(tǒng)的研究。結果表明,各菌株生長速率較慢,pH、溫度、C/N、NaNO3濃度及接種量對各貧營養(yǎng)好氧反硝化細菌的脫氮性能影響有差異,且PY8異養(yǎng)硝化性能明顯。周質硝酸鹽還原酶亞基基因(napA)PCR擴增結果證實這3株菌具有可在好氧環(huán)境中還原硝酸鹽的系統(tǒng),好氧反硝化作用的確是由周質硝酸鹽還原酶來催化的。 (2)低溫好氧反硝化細菌的馴化、篩分及脫氮特性研究。通過逐漸降低溫度條件馴化、篩分出耐冷脫氮細菌DW3、DW4、D3和D4,經(jīng)過生理生化鑒定及16S rDNA序列分析,基本確定菌株DW3屬于Pseudomonas sp.,菌株DW4、D3和D4均屬于Acinetobacter sp.。各耐冷脫氮菌株生長曲線及脫氮特性試驗表明,除D3菌株外,其他菌株在培養(yǎng)過程中都存在明顯的衰亡期,各菌株的反硝化過程都發(fā)生在對數(shù)生長期,pH、溫度、C/N及接種量對各菌株的脫氮性能有影響,各菌株具有明顯的異養(yǎng)硝化性能,且在10℃溫度條件下仍能保持一定的脫氫酶活性。選擇菌株DW3和D3進行周質硝酸鹽還原酶亞基基因(napA)PCR擴增,證實了這2株菌具有周質硝酸鹽還原酶,可實現(xiàn)好氧反硝化。采用自適應及菌源生態(tài)重組策略構建出在極端環(huán)境中具有較好反硝化效果的低溫貧營養(yǎng)脫氮功能菌群L1(PY8+DW3+D3)和L2(PY8+DW3+D4)。 (3)微污染水體原位生物投菌技術脫氮特性與效能研究。小試研究以貧營養(yǎng)脫氮功能菌群Z4作為菌源制成微生態(tài)菌劑,采用不同菌劑投量直接投加到水庫原水中,菌投量為0.1mg/L時凈化效果最好,整個運行期間(32d),硝氮、總氮、CODMn及TOC去除率分別達到72.3%、71.3%、32.3%和34.8%,穩(wěn)定期的脫氮效果可滿足地表水環(huán)境Ⅲ類水體的質量標準要求;同時溶解氧、水溫、pH及C/N會影響生物菌劑的脫氮性能。將低溫貧營養(yǎng)脫氮功能菌群L1用于微污染水原位生物投菌技術中,在低溫環(huán)境條件下運行36d,該菌劑對原水硝氮及總氮去除率最大可達到46%和53%。 (4)微污染水體原位生物膜技術脫氮特性與效能研究。選擇脫氮性能較穩(wěn)定的硬性懸浮填料,同時研制出適合于微污染水體原位修復、且可創(chuàng)造適宜微生物生長的不同溶解氧環(huán)境的新型多孔懸浮填料作為生物載體,以貧營養(yǎng)脫氮功能菌群Z4作為菌源對載體進行人工強化掛膜,小試研究結果表明,試驗運行46d,貧營養(yǎng)原位生物膜技術對原水硝氮及總氮去除率均可達到75%以上,CODMn去除率在25%以上,穩(wěn)定時期脫氮效果可滿足地表水環(huán)境Ⅲ類水體的質量標準要求,且溫度、填料填充率及C/N比對原位生物膜系統(tǒng)脫氮效果有一定影響。貧營養(yǎng)細菌以較低速率進行生長時,對外界環(huán)境具有較大的抗性,是微生物適應貧營養(yǎng)環(huán)境的結果,在貧營養(yǎng)條件下,吸附和生物膜形成是微生物的一種生存策略。 (5)原位生物投菌系統(tǒng)對混合充氧技術的條件要求。DO濃度對貧營養(yǎng)好氧反硝化菌群的脫氮性能有一定影響。當DO濃度大于7mg/L時,反硝化速率很慢,始終保持在較低的水平;當DO濃度低于7mg/L時,反硝化速率隨DO值的降低而較大幅度地升高,說明貧營養(yǎng)好氧反硝化菌群的閾值較高,對氧氣有較高的耐受能力。DO濃度為3~4mg/L、5~6mg/L和7~8mg/L時,系統(tǒng)運行期間對原水總氮去除率分別為91%、84%和31%。好氧反硝化細菌的反硝化酶系和有氧呼吸系統(tǒng)同時存在,氧不再是抑制反硝化酶活性和反硝化酶生成的直接因素,周質硝酸鹽還原酶亞基基因的擴增進一步解釋了好氧反硝化菌可以在DO濃度相對較高的條件下進行反硝化作用。 (6)揚水曝氣—原位生物凈化組合技術中試研究。在揚水曝氣強化混合條件下,進行原位生物凈化系統(tǒng)中試研究。以貧營養(yǎng)脫氮功能菌群Z4為菌源,分別構成揚水曝氣—貧營養(yǎng)生物膜和揚水曝氣—貧營養(yǎng)生物投菌組合技術,在溶解氧濃度為5.0~7.0mg/L,水溫范圍為10℃~ 23℃、CODMn/TN≈1.56的貧營養(yǎng)條件下,揚水曝氣—貧營養(yǎng)生物膜組合系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的氨氮、硝氮、總氮和TOC去除率范圍分別為82%~100%、62%~79%、70%~80%和72%~80%,BOD5/CODMn比值可由初始0.476降至0.054,且三維熒光光譜圖顯示運行期間原水生源性DOM變化較大;揚水曝氣—貧營養(yǎng)生物投菌組合系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的氨氮、硝氮、總氮、TOC和CODMn去除率分別為82%~100%、43%~58%、63%~70%、65%~73%和51%~57%。PCR-DGGE圖譜分析表明,生物膜上種群演替進程緩慢,α-proteobacterium綱是生物膜中最優(yōu)勢的細菌類群,固定的菌株PY8和FY3成為生物膜上的優(yōu)勢菌群;生物投菌系統(tǒng)中FY3和FY7成為系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌群。消毒劑滅活試驗、群落結構多樣性及小鼠急性經(jīng)口毒性試驗表明,生物菌劑不會對原生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的破壞,且不會對飲用水水質構成威脅。采用低溫貧營養(yǎng)脫氮功能菌群L1與揚水曝氣技術有機結合,在初期水溫不足15℃,CODMn/TN≈1.0的低溫、貧營養(yǎng)條件下,穩(wěn)定運行階段的硝氮及總氮去除率分別在50%和60%以上,最大硝氮及總氮去除率分別為81%和84%,TOC、CODMn及BOD5月平均去除率分別為63%、49%和62%。上述結果表明,該組合技術用于凈化微污染原水是可行的,穩(wěn)定運行期的脫氮效果均可滿足地表水環(huán)境Ⅲ類水體的質量標準要求。
【學位授予單位】：西安建筑科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：X703

【引證文獻】

相關期刊論文 前4條

1 魏巍;黃廷林;李娜;;低溫貧營養(yǎng)原位生物投菌技術脫氮特性研究[J];供水技術;2012年04期

2 魏巍;黃廷林;;低溫好氧反硝化菌的分離鑒定及脫氮特性研究[J];供水技術;2012年06期

3 張勇;魏巍;章武首;;基于微污染水體特征的脫氮功能菌群的構建[J];供水技術;2013年03期

4 黃廷林;王X;李娜;劉婷婷;;原位投菌技術修復微污染水源水的中試研究[J];環(huán)境工程學報;2012年07期

相關博士學位論文 前1條

1 柴蓓蓓;水源水庫沉積物多相界面污染物遷移轉化與污染控制研究[D];西安建筑科技大學;2012年

相關碩士學位論文 前2條

1 王X;揚水曝氣強化原位投菌技術修復微污染水源試驗研究[D];西安建筑科技大學;2012年

2 劉婷婷;水源水庫微生物種群結構與功能研究[D];西安建筑科技大學;2013年

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本文編號：2603982