水平潛流人工濕地強(qiáng)化脫氮的技術(shù)及其機(jī)制研究.pdf

1、當(dāng)前我國(guó)水體氮素污染形勢(shì)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(kù)、湖泊等水體嚴(yán)重富營(yíng)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(guò)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(shí)研究了不同碳源添

2、加方式對(duì)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(wèn)題，從而強(qiáng)化系統(tǒng)的脫氮效率。主要研究工作及成果如下：
　?。?）外加碳源和反硝化排氣管強(qiáng)化水平潛流人工濕地脫氮效果及機(jī)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?xiàng)l件下，水葫蘆（Eichhornia

3、crassipes）的COD釋放量最大可以達(dá)到368.6mg.L-1。同時(shí)考察了2種不同的碳源添加方式：外加碳源通過(guò)進(jìn)水添加和外加碳源通過(guò)反硝化排氣管添加，對(duì)濕地系統(tǒng)脫氮效率的影響，研究表明，通過(guò)反硝化排氣管外加碳源的系統(tǒng)對(duì)NO3--N的去除效果最好，出水NO3--N去除率達(dá)到93.56%、TN去除率達(dá)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(guò)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(jìn)無(wú)機(jī)氮形態(tài)的轉(zhuǎn)變，

4、從而有利于反硝化作用的進(jìn)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(duì)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(guò)減小N2和N2O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(guò)程產(chǎn)生的N2和N2O，促進(jìn)水中反硝化化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，從而保障反硝化作用的順暢進(jìn)行，有利于NO3--N的去除。
　?。?）新型噴淋增氧系統(tǒng)強(qiáng)化水平潛流人工濕地脫氮效果及機(jī)理研究。研究通過(guò)構(gòu)建一組自動(dòng)增氧系統(tǒng)，以進(jìn)水噴

5、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(jìn)水與大氣接觸的時(shí)間和面積，通過(guò)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(jìn)水有利于增強(qiáng)人工濕地硝化脫氮的能力。噴淋增氧系統(tǒng)開(kāi)放的人工濕地中NH4+-N出水濃度明顯低于噴淋增氧系統(tǒng)關(guān)閉的系統(tǒng)，說(shuō)明了噴淋增氧系統(tǒng)的開(kāi)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(jìn)行，從而加速?gòu)U水中NH4+-N的去除。
　?。?）噴淋增氧水平潛流人工濕地微生物群落結(jié)

6、構(gòu)和空間變化研究。研究考察了噴淋增氧系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)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7.92×106-4.29×107MPN.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6.33×104MPN.g-1，下層反硝化細(xì)菌數(shù)量比上層高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且下層前端靠近進(jìn)水區(qū)域部分反硝化細(xì)菌數(shù)量

7、最多，約為3.92×107MPN.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)NH4+-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(jìn)行從而保障NO3--N的高效去除。
　?。?）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(duì)固定化顆粒成球難易性、機(jī)械強(qiáng)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

8、聯(lián)劑為2.0%的CaCl2-硼酸溶液，此時(shí)制備的固定化硝化細(xì)菌小球?qū)H4+-N、COD的去除效果最佳，制備的小球成型狀況良好，機(jī)械機(jī)械強(qiáng)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(guò)改變溫度、pH、DO和固定化小球的用量，來(lái)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(shí)驗(yàn)溫度為30℃，pH為8.5，DO濃度為4.0mg

9、.L-1，小球用量為60g.L-1，此時(shí)固定化硝化細(xì)菌小球?qū)H4+-N的去除效果最佳。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，將溫度控制在25-35℃，pH值控制在7.0-8.5，DO濃度控制在4.0mg.L-1左右，都可以保持較好的NH4+-N去除效果。
　?。?）固定化硝化細(xì)菌強(qiáng)化水平潛流人工濕地脫氮效果及機(jī)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(jìn)水COD/N的情況下NH4+-N、TN的去除效果均好于對(duì)照組。當(dāng)進(jìn)水COD/N比值為9:

10、1時(shí)，投加固定化小球的人工濕地系統(tǒng)TN去除效率達(dá)到最佳為65.27%。外加固定化硝化細(xì)菌小球通過(guò)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(jìn)硝化作用的順暢進(jìn)行，從而顯著提高人工濕地系統(tǒng)的NH4+-N去除效率，同時(shí)配合以不同進(jìn)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(jìn)行，通過(guò)高效的硝化-反硝化作用，促進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)TN的去除。
　?。?）本研究構(gòu)建的新型噴淋增氧系統(tǒng)，通過(guò)形成空氣中的水霧滴增加了氧氣溶于水的速

11、率和數(shù)量，富氧進(jìn)水有利于硝化作用的進(jìn)行，提高人工濕地系統(tǒng)的NH4+-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(guò)強(qiáng)化人工濕地系統(tǒng)內(nèi)微生物數(shù)量和活性，從而增強(qiáng)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(guò)減小N2和N2O氣體的分壓，有助于系統(tǒng)排出反硝化過(guò)程產(chǎn)生的N2和N2O，促進(jìn)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(jìn)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NO3--N的去除強(qiáng)化人工濕地