發(fā)布時(shí)間：2020-07-08 16:39

【摘要】：近年來隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,原以水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定而著稱的地下水也在補(bǔ)給過程中受到了不同程度的污染,為應(yīng)對(duì)含鐵、錳地下水中氨氮含量逐步攀升和有機(jī)物復(fù)合污染的加劇,本研究采用三座模擬生物濾池構(gòu)建了耦合自養(yǎng)脫氮功能生物濾池同步凈化地下水中鐵、錳和氨氮技術(shù),明確同步凈化鐵、錳和氨氮、同步凈化鐵、錳、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)和用于在低溫下同步凈化鐵、錳和氨氮生物濾池的啟動(dòng)方法和工藝參數(shù);通過將理論計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合,明晰全程自養(yǎng)脫氮過程為總氮損失的主要原因,并探究有機(jī)物、低溫及錳和氨氮含量對(duì)生物濾池內(nèi)氮素轉(zhuǎn)化的影響,同時(shí),利用分子生物學(xué)手段分析了生物濾池內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)組成和演替規(guī)律。本研究中三座耦合自養(yǎng)脫氮功能生物濾池均采用分布接種啟動(dòng)方式啟動(dòng),1#同步凈化鐵、錳和氨氮生物濾池經(jīng)過56天的運(yùn)行啟動(dòng)成功,穩(wěn)定運(yùn)行期濾速為5m/h,總氮損失量的平均值為0.69 mg/L,錳的去除能力培養(yǎng)是影響整個(gè)啟動(dòng)期長(zhǎng)短的關(guān)鍵因素;2#同步凈化鐵、錳、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)生物濾池經(jīng)過243天的運(yùn)行啟動(dòng)成功,穩(wěn)定運(yùn)行期內(nèi)最終濾速為4 m/h,總氮損失量的均值為0.32 mg/L,進(jìn)水中有機(jī)物的存在增大了濾池的運(yùn)行難度,錳、氨氮和亞硝酸鹽氮去除能力的培養(yǎng)及生物濾池的堵塞狀況綜合影響了最終工況和啟動(dòng)期耗時(shí);3#低溫同步凈化鐵、錳和氨氮生物濾池啟動(dòng)過程中,原水水溫為4.1-4.3~oC,啟動(dòng)過程中不同濾速導(dǎo)致進(jìn)入濾層和出水水溫呈現(xiàn)梯度降溫現(xiàn)象,啟動(dòng)期共耗時(shí)333天,穩(wěn)定運(yùn)行期濾速為3 m/h,進(jìn)出水水溫分別為5~oC和6.5~oC,總氮損失量的均值為0.18 mg/L,亞硝酸鹽氮去除能力的培養(yǎng)是影響啟動(dòng)期長(zhǎng)短及最終工況的關(guān)鍵因素。進(jìn)水中有機(jī)物的存在以及低溫都導(dǎo)致耦合自養(yǎng)脫氮生物濾池內(nèi)總氮損失量降低并延長(zhǎng)生物濾池的啟動(dòng)時(shí)間。在耦合自養(yǎng)脫氮生物濾池中,自養(yǎng)脫氮過程是造成生物濾池內(nèi)部總氮損失的主要原因,氮素的轉(zhuǎn)化通過完全硝化過程和自養(yǎng)脫氮過程共同完成。生物濾池穩(wěn)定運(yùn)行期內(nèi),通過自養(yǎng)脫氮過程轉(zhuǎn)化的氨氮占比分別為48.1%(1#)、29.5%(2#)和15.9%(3#),進(jìn)水中有機(jī)物的存在及低溫所引起的環(huán)境和工況的變化對(duì)自養(yǎng)脫氮過程存在明顯的影響。在同步凈化鐵、錳和氨氮生物濾池內(nèi),自養(yǎng)脫氮過程在氮素轉(zhuǎn)化過程中的占比隨著進(jìn)水錳含量的升高而升高,隨著進(jìn)水氨氮含量的升高而下降;錳和氨氮含量的變化可以影響生物濾層深度方向上氮素的轉(zhuǎn)化規(guī)律。錳的氧化動(dòng)力學(xué)過程在整個(gè)試驗(yàn)期中均可用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程描述,擬合方程中所獲得的k值略低于傳統(tǒng)生物除鐵除錳濾池中所獲得的結(jié)果,但相比非生物氧化過程依舊更具與參考價(jià)值。在微生物群落結(jié)構(gòu)組成分析中,不同工況和水質(zhì)條件下生物濾池內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)組成和演替規(guī)律存在顯著差異。同步凈化鐵、錳和氨氮生物濾池內(nèi)共有11個(gè)錳氧化細(xì)菌所在菌屬被發(fā)現(xiàn),錳氧化細(xì)菌在整個(gè)濾層中均為優(yōu)勢(shì)菌屬,微小桿菌屬(Exiguobacterium)為占比最大的錳氧化細(xì)菌所在菌屬;共有三種氨氧化菌屬和三種硝化菌屬被檢測(cè)到,Candidatus Kuenenia是唯一被檢測(cè)到的厭氧氨氧化菌屬。同步凈化鐵、錳、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)生物濾池內(nèi),共檢測(cè)到9個(gè)錳氧化細(xì)菌所在菌屬,錳氧化細(xì)菌所在菌屬占比大幅下降,Candidatus Kuenenia依舊為唯一被檢測(cè)到的厭氧氨氧化菌屬。低溫同步凈化鐵、錳和氨氮生物濾池內(nèi),共檢測(cè)到7個(gè)錳氧化細(xì)菌所在菌屬,錳氧化細(xì)菌所在菌屬相比1#生物濾池大幅下降;亞硝化毛桿菌屬(Nitrosomonas)和硝化螺旋菌屬(Nitrospira)分別為濾層中氨氧化菌屬和硝化細(xì)菌菌屬,Candidatus Brocadia是唯一被檢測(cè)到的厭氧氨氧化菌屬。耦合自養(yǎng)脫氮生物濾池內(nèi)深度方向上污染物去除量的大小與功能微生物占比并無(wú)明顯正相關(guān)關(guān)系。以分子生物學(xué)分析結(jié)果為基礎(chǔ)對(duì)生物濾池進(jìn)行反向調(diào)控過程的重點(diǎn)應(yīng)為以不同工況下穩(wěn)定運(yùn)行期內(nèi)具有突出適應(yīng)性的功能菌屬為指導(dǎo),通過為其創(chuàng)造合適的增殖代謝條件加速生物濾池的成熟和提高運(yùn)行穩(wěn)定性,進(jìn)而提高處理效能。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：X523
【圖文】：

`- 9 -圖1-1 物化法去除水中鐵的機(jī)制[29]Fig. 1-1 Physicochemical iron removal mechanisms[29]化工藝通常與過濾相組合使用，以期達(dá)到鐵、錳和氨氮的同步去除效果。盡管這種組合方法十分高效，但氨氮的去除過程需投加大量的氧化劑，每去除1.0mg 的氨氮就需要消耗 10mg 的氯[94]，投加的化學(xué)藥劑增加了工藝的運(yùn)行成本，同時(shí)化學(xué)氧化還會(huì)產(chǎn)生潛在的危險(xiǎn)副產(chǎn)物并引起二次污染[95]。1.3.2 鐵錳和氨氮的生物凈化技術(shù)隨著科研人員的不斷探索，采用生物處理技術(shù)處理鐵、錳、氨氮共存地下逐漸在世界范圍內(nèi)流行開來。在 20 世紀(jì) 90 年代，生物法就已在歐洲被應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中[87]。在我國(guó) 20 世紀(jì) 80 年代，中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究院基于大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期高效除錳濾池內(nèi)部存在大量的鐵、錳氧化細(xì)菌

圖 1-2 生物錳氧化機(jī)制[12]Fig. 1-2 Biogenic Mn oxidation mechanisms[12]成后進(jìn)行。鑒于此，處理單元的設(shè)計(jì)必須要考慮到上述三種污染物生物過程的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。生物濾池是一種操作簡(jiǎn)單并高效的生物處理單元生物濾池內(nèi)，鐵、錳和氨氮均可通過生物作用被有效去除，簡(jiǎn)單預(yù)處理級(jí)或多級(jí)生物濾池組合的方式是目前廣為采用的地下水去除工藝。鑒于

因此可在研究中通過對(duì)截取的柱狀濾層進(jìn)行試驗(yàn)研究并以此反應(yīng)整個(gè)生物濾池的運(yùn)行效果。本研究于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)置三座具有相同規(guī)格的生物濾柱反應(yīng)器用以模擬不同工況運(yùn)行下的生物濾池，編號(hào)依次為 1#、2#和 3#，模擬生物濾池反應(yīng)器示意圖如圖 2-1 所示，實(shí)際搭建起的反應(yīng)器實(shí)物圖如圖 2-2 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2746787