【摘要】：當(dāng)前我國水體氮素污染形勢十分嚴(yán)峻,由于傳統(tǒng)水處理工藝的脫氮效率不高以及大量含氮農(nóng)田退水排入水體,導(dǎo)致河流、水庫、湖泊等水體嚴(yán)重富營養(yǎng)化,生態(tài)服務(wù)功能下降。人工濕地作為一種低成本、生態(tài)化的治理技術(shù),被廣泛應(yīng)用于污廢水的脫氮治理。人工濕地中氮素的去除主要依靠微生物的硝化-反硝化作用。本研究從影響人工濕地硝化-反硝化作用的主要因素入手,通過構(gòu)建新型噴淋增氧系統(tǒng)和反硝化排氣系統(tǒng),改善了人工濕地內(nèi)氧環(huán)境不佳抑制硝化反應(yīng)的情況,同時研究了不同碳源添加方式對人工濕地系統(tǒng)脫氮效率的影響,提升反硝化脫氮中碳源的供應(yīng)水平。此外,將微生物固定化技術(shù)引入人工濕地,以解決人工濕地內(nèi)部由于微生物數(shù)量和活性不足所引起的硝化作用不完全問題,從而強化系統(tǒng)的脫氮效率。主要研究工作及成果如下:(1)外加碳源和反硝化排氣管強化水平潛流人工濕地脫氮效果及機理研究。研究選取4種不同濕地植物和4種不同處理方式,考察植物碳源的釋放情況,研究表明,在利用5%稀硫酸處理條件下,水葫蘆(Eichhornia crassipes)的COD釋放量最大可以達到368.6 mg.L~(-1)。同時考察了2種不同的碳源添加方式:外加碳源通過進水添加和外加碳源通過反硝化排氣管添加,對濕地系統(tǒng)脫氮效率的影響,研究表明,通過反硝化排氣管外加碳源的系統(tǒng)對NO_3~--N的去除效果最好,出水NO_3~--N去除率達到93.56%、TN去除率達到86.70%,外加的碳源作為電子供體,參與氧化還原反應(yīng),通過改變系統(tǒng)的氧化還原電位,使得體系內(nèi)呈現(xiàn)高還原性環(huán)境,促進無機氮形態(tài)的轉(zhuǎn)變,從而有利于反硝化作用的進行,提高系統(tǒng)的脫氮效率。此外,研究了反硝化排氣管的存在對系統(tǒng)脫氮效率的影響,由亨利定律可知,反硝化排氣管通過減小N_2和N_2O氣體的分壓,從而減小氣體摩爾分?jǐn)?shù)溶解度,有助于系統(tǒng)排出反硝化過程產(chǎn)生的N_2和N_2O,促進水中反硝化化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動,從而保障反硝化作用的順暢進行,有利于NO_3~--N的去除。(2)新型噴淋增氧系統(tǒng)強化水平潛流人工濕地脫氮效果及機理研究。研究通過構(gòu)建一組自動增氧系統(tǒng),以進水噴淋增氧的方式,改善濕地的溶解氧環(huán)境。結(jié)果表明:噴淋布水的方式,可增加進水與大氣接觸的時間和面積,通過形成空氣中的水霧滴增加了氧氣溶于水的速率和數(shù)量,富氧進水有利于增強人工濕地硝化脫氮的能力。噴淋增氧系統(tǒng)開放的人工濕地中NH_4~+-N出水濃度明顯低于噴淋增氧系統(tǒng)關(guān)閉的系統(tǒng),說明了噴淋增氧系統(tǒng)的開放可以提高人工濕地系統(tǒng)內(nèi)DO濃度,有利于硝化作用的順暢進行,從而加速廢水中NH_4~+-N的去除。(3)噴淋增氧水平潛流人工濕地微生物群落結(jié)構(gòu)和空間變化研究。研究考察了噴淋增氧系統(tǒng)開放的條件下,水平潛流人工濕地系統(tǒng)內(nèi)沿程微生物的群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量變化。研究表明,噴淋增氧系統(tǒng)開放的人工濕地系統(tǒng)上層氨化細(xì)菌的數(shù)量高于下層,上層氨化細(xì)菌數(shù)量約為7.92×10~6-4.29×10~7 MPN.g~(-1),上層硝酸鹽細(xì)菌數(shù)量沿水流方向呈現(xiàn)遞增規(guī)律,靠近出水區(qū)域的硝酸鹽細(xì)菌數(shù)量最多,約為6.33×10~4MPN.g~(-1),下層反硝化細(xì)菌數(shù)量比上層高出一個數(shù)量級,并且下層前端靠近進水區(qū)域部分反硝化細(xì)菌數(shù)量最多,約為3.92×10~7 MPN.g~(-1)。亞硝酸鹽細(xì)菌和硝酸鹽細(xì)菌數(shù)量的增加,有利于硝化反應(yīng)的發(fā)生從而提高系統(tǒng)NH_4~+-N的去除效率,反硝化細(xì)菌數(shù)量的增加則有利于反硝化反應(yīng)的順暢進行從而保障NO_3~--N的高效去除。(4)固定化硝化細(xì)菌最佳包埋條件研究。研究考察載體材料中添加劑和交聯(lián)劑對固定化顆粒成球難易性、機械強度和傳質(zhì)性能的影響,結(jié)果表明:利用10%的聚乙烯醇(PVA)和2.0%的海藻酸鈉(SA)混合溶液作為載體包埋劑,交聯(lián)劑為2.0%的CaCl_2-硼酸溶液,此時制備的固定化硝化細(xì)菌小球?qū)H_4~+-N、COD的去除效果最佳,制備的小球成型狀況良好,機械機械強度高、傳質(zhì)性能良好。(5)固定化硝化細(xì)菌降解條件的優(yōu)化研究。研究通過改變溫度、p H、DO和固定化小球的用量,來探究固定化硝化細(xì)菌最適宜的降解條件,從而為固定化硝化細(xì)菌應(yīng)用到人工濕地奠定理論基礎(chǔ)。研究表明,固定化硝化細(xì)菌最適宜的降解條件是:實驗溫度為30°C,p H為8.5,DO濃度為4.0 mg.L~(-1),小球用量為60 g.L~(-1),此時固定化硝化細(xì)菌小球?qū)H_4~+-N的去除效果最佳。在實際應(yīng)用過程中,將溫度控制在25-35°C,p H值控制在7.0-8.5,DO濃度控制在4.0 mg.L~(-1)左右,都可以保持較好的NH_4~+-N去除效果。(6)固定化硝化細(xì)菌強化水平潛流人工濕地脫氮效果及機理研究。投加固定化硝化細(xì)菌小球的人工濕地系統(tǒng)在三組進水COD/N的情況下NH_4~+-N、TN的去除效果均好于對照組。當(dāng)進水COD/N比值為9:1時,投加固定化小球的人工濕地系統(tǒng)TN去除效率達到最佳為65.27%。外加固定化硝化細(xì)菌小球通過人為的增加人工濕地系統(tǒng)內(nèi)硝化細(xì)菌的數(shù)量,促進硝化作用的順暢進行,從而顯著提高人工濕地系統(tǒng)的NH_4~+-N去除效率,同時配合以不同進水COD/N比值,保障了反硝化作用有充足的碳源供給,使得反硝化作用順暢進行,通過高效的硝化-反硝化作用,促進系統(tǒng)內(nèi)TN的去除。(7)本研究構(gòu)建的新型噴淋增氧系統(tǒng),通過形成空氣中的水霧滴增加了氧氣溶于水的速率和數(shù)量,富氧進水有利于硝化作用的進行,提高人工濕地系統(tǒng)的NH_4~+-N去除效果。而固定化硝化細(xì)菌技術(shù)的應(yīng)用,則是通過強化人工濕地系統(tǒng)內(nèi)微生物數(shù)量和活性,從而增強人工濕地硝化脫氮的能力。此外,反硝化排氣系統(tǒng)的構(gòu)建,通過減小N_2和N_2O氣體的分壓,有助于系統(tǒng)排出反硝化過程產(chǎn)生的N_2和N_2O,促進水中反硝化化學(xué)平衡右移,從而保障反硝化作用的順暢進行。而外加的植物碳源,則是保障反硝化作用有充足的電子供體,從而有利于NO_3~--N的去除強化人工濕地反硝化脫氮的能力。
【圖文】：

對于改善人工濕地的脫氮效果有著重要作用。此外，目前城市污水普遍存在低碳高氮的問題，碳源不足影響了反硝化作用的順利進行，導(dǎo)致人工濕地脫氮效果欠佳[24]。因此，如何獲得制備方式簡單、可控性高、經(jīng)濟無毒的植物碳源，進而通過外加碳源的方式，提高人工濕地系統(tǒng)對低碳高氮廢水中氮的去除，也成為當(dāng)前領(lǐng)域的研究熱點。1.2 人工濕地的概述1.2.1 人工濕地的定義及類型人工濕地（Constructed Wetlands，簡稱 CWs），，是利用人工筑成的水池或溝槽，在其內(nèi)部填充基質(zhì)、種植水生植物，在其底部鋪設(shè)防滲漏的隔水層，利用基質(zhì)、植物、微生物的協(xié)同作用凈化污廢水。在設(shè)計和構(gòu)建人工濕地時，可以在水流方式、植物和填料等方面進行選擇和搭配，進而優(yōu)化人工濕地生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物作用，從而提高其水質(zhì)凈化效果。如圖 1-1 所示，按照污水的流動方式，分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地。

圖 2-1 水平潛流人工濕地示意圖Figure 2-1 Schematic diagram of horizontal subsurface flow constructe wetland2.1.3.2 反硝化排氣系統(tǒng)的構(gòu)建反硝化排氣管埋深至水平潛流人工濕地的底部反硝化區(qū)，排氣管埋設(shè)密度為 1-2 個.m-2，管底反硝化區(qū)域上開設(shè)的通孔孔徑為 5-7 mm，孔間距為 5-10 mm，其上部設(shè)有開關(guān)裝置。反硝化排氣管多孔段外壁包裹紗網(wǎng)，防止砂石堵塞充氣管的開口。2.1.3.3 新型噴淋增氧系統(tǒng)的構(gòu)建噴淋增氧系統(tǒng)包括一組垂直排布的多孔充氣管和一組向上開孔的噴淋布水管，多孔充氣管垂直插入人工濕地，埋設(shè)密度為 1-2 個.m-2，管壁開設(shè)的通孔孔徑為 5-7 mm，孔間距為 5-10 mm，在水平潛流人工濕地的排水中通過大氣壓力而自動充入氧氣。充氣管外壁包裹紗網(wǎng)，防止砂石堵塞充氣管的開口。噴淋布水管水平架設(shè)在人工濕地基質(zhì)層上方，布水管之間的間距為 20-25 cm，安置直徑為15-20 mm 的 4 分霧化噴頭，噴頭間距為 10-15 cm。新型噴淋增氧水平潛流人工
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：X703

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5 李

本文編號：2699960