尾氣增氧人工濕地污染物強化去除機制及其氧化亞氮減排效能研究.pdf

1、水體污染和水資源緊缺已成為限制經(jīng)濟和社會發(fā)展的全球性問題，水污染綜合治理逐漸引起國家政府和環(huán)保部門的重視。在水污染綜合治理方面，活性污泥工藝已發(fā)展成為當今應(yīng)用最為廣泛的污水生物處理技術(shù)，但其卻存在尾水中仍然含有多余氮、磷及氣態(tài)污染的問題。人工濕地作為一種由基質(zhì)、植物、微生物等組成的污水生態(tài)處理技術(shù)，因投資少、效果好、管理方便、環(huán)境經(jīng)濟效益高等優(yōu)勢在過去幾十年中被廣泛應(yīng)用于城市和農(nóng)村生活污水、河流和湖泊生態(tài)修復等領(lǐng)域，尤其在提升污水處理廠

2、出水的水質(zhì)方面有著良好的應(yīng)用潛力。但傳統(tǒng)人工濕地由于自身工藝結(jié)構(gòu)的限制，使其長期處于缺氧和厭氧環(huán)境，溶解氧供應(yīng)不足導致去污效率較差，極大地限制了其推廣應(yīng)用。
　　針對以上存在的問題，本論文以傳統(tǒng)人工濕地脫氮限制因素——溶解氧為切入點，開發(fā)新型人工濕地強化供氧技術(shù)，探索將污水生物處理尾氣用于增強垂直潛流人工濕地復氧能力的可行性，在此基礎(chǔ)上分析污水處理系統(tǒng)內(nèi)污染物去除作用機理及微生物豐度和種群的變化。隨后，將尾氣增氧模式應(yīng)用于短程硝化

3、反硝化N2O減量化研究，探究運用人工濕地進行短程硝化反硝化尾水尾氣深度處理的可行性，掌握尾水中污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和降解特征，考察人工濕地對N2O的減排效果，從微生物角度解析N2O的減排機理。取得的主要研究結(jié)論如下:
　　1.通過將原本有害的生物污水處理過程中產(chǎn)生的尾氣進行收集用于垂直潛流濕地(VFCW)曝氣增氧，成功構(gòu)建了實驗室規(guī)模的新型尾氣增氧人工濕地系統(tǒng)，在消除尾氣氣態(tài)污染的同時提高人工濕地對氮等污染物的處理效率。與

4、空白不曝氣濕地相比，尾氣增氧濕地可以分別提高NH4+-N和TN去除率128.48±3.13％和59.09±2.26％;尾氣增氧對植物生長有積極的影響，尾氣增氧濕地葉綠素含量最高比對照濕地提高40.7±2.2％。尾氣含有的CO2引入濕地后可以被濕地植物光合作用利用，促進植物生長，產(chǎn)生更高的生物量;尾氣通過VFCW后，尾氣中的臭氣成分（H2S和NH3）、溫室氣體(N2O)和微生物氣溶膠的濃度均顯著降低。H2S，NH3和N2O的去除率分別為7

5、7.78±3.46％，52.17±2.53％和87.40±3.89％。細菌和真菌氣溶膠去除效率分別為42.72±3.21％和47.89±2.82％。結(jié)果表明:尾氣增氧在強化人工濕地水質(zhì)凈化效果的同時，尾氣的污染風險通過人工濕地的過濾凈化作用被消除。人工濕地可看成一個生物濾池，通過基質(zhì)吸收作用、水的溶解作用和微生物降解作用共同凈化尾氣，真正達到水氣同步凈化的效果，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用前景。
　　2.增加曝氣后濕地中氮和磷的去除遷

6、移途徑均被改變，傳統(tǒng)濕地中氮主要依靠基質(zhì)的吸附蓄積作用被去除，曝空氣濕地內(nèi)部有氣流流動從而降低了基質(zhì)的吸附作用，但是曝尾氣濕地基質(zhì)固氮作用沒有明顯減弱，原因是曝尾氣濕地基質(zhì)中蓄積的微生物數(shù)量較多。傳統(tǒng)濕地中磷主要通過濕地基質(zhì)填料的吸附蓄積作用得以去除，其次是植物吸收富集作用，曝氣濕地系統(tǒng)植物吸收氮磷作用明顯強于不曝氣濕地系統(tǒng)，原因是曝氣通過促進植物生長加強了植物對氮磷的富集作用。此外，尾氣增氧人工濕地不僅能夠優(yōu)化濕地內(nèi)部溶解氧分布，還能

7、夠?qū)BR中的微生物引入人工濕地，大幅度提高氮循環(huán)相關(guān)菌豐度，有利于污染物的高效去除，尾氣增氧濕地中硝化細菌和反硝化細菌的豐度分別是對照濕地的6.3倍和2.6倍;除了氮循環(huán)相關(guān)菌之外，尾氣增氧濕地中全菌的數(shù)量也大幅提升，是對照組的3.6倍;分析了不同實驗系統(tǒng)之間微生物同源性，結(jié)果顯示尾氣增氧濕地和SBR共有的OTU的比例最高(19.70％)，這便證明尾氣增氧人工濕地較高的微生物豐度，是由于尾氣的引入，將SBR中的微生物帶入人工濕地中造成

8、的。
　　3.菖蒲對于亞硝酸鹽存在一定程度的耐受性。當亞硝酸鹽濃度低于30mg/L時，由于植物的自我保護，菖蒲可以通過調(diào)整自身的生理、生化進程繼續(xù)正常生長;當亞硝酸鹽濃度高于30mg/L時，菖蒲的生理保護機制被啟動，體現(xiàn)在丙二醛(MDA)、相對電解質(zhì)滲透率、抗氧化酶活性（T-SOD、POD和CAT）和脯氨酸含量的顯著增加，同時還有葉綠素含量和株高的相應(yīng)減少;在過量的亞硝酸鹽濃度（≥40mg/L）或長時間高亞硝酸鹽作用下，菖蒲生理代

9、謝失衡，膜脂結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，生長被抑制;最終得出結(jié)論，菖蒲對亞硝酸鹽的耐受閾值為30mg/L。為日后菖蒲應(yīng)用于短程硝化反硝化耦合人工濕地處理系統(tǒng)提供實用信息和理論支持。進行耦合實驗的出水亞硝酸鹽濃度控制在30mg/L以下為宜。通過減少好氧階段的攪拌時間將反應(yīng)器的NAR由43.38％提高至52.88％，并利用FISH分析反應(yīng)器污泥中AOB和NOB的相對數(shù)量，結(jié)果顯示污泥中AOB和NOB分別占總菌數(shù)的78.48％和13.83％，說明AOB被逐

10、漸富集，而NOB在反應(yīng)器中被慢慢洗脫。因此，減少好氧階段的攪拌時間可有效實現(xiàn)生活污水模式下的穩(wěn)定短程硝化反硝化過程。構(gòu)建短程硝化反硝化耦合人工濕地處理系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)將短程硝化反硝化尾水引入曝氣濕地中后NO2--N濃度由17.07±1.54mg/L降低至0.34±0.18mg/L，說明短程硝化反硝化尾水在曝氣濕地運行模式下可以被深度處理，消除高亞硝酸鹽污染的風險。
　　4.短程硝化反硝化尾氣經(jīng)過VFCW后N2O的去除率達到88.72±2