由于人類長期重視經(jīng)濟發(fā)展而忽視環(huán)境保護,硝酸鹽(NO_3~-)已經(jīng)成為生態(tài)系統(tǒng)中主要的污染物。水體中NO_3~-濃度升高會對人體和動物健康造成威脅。本研究在前人對微生物反硝化技術研究的基礎上,針對不同NO_3~-污染水,遴選反硝化電子供體,構建反硝化反應器與處理工藝,為NO_3~-污染水的修復提供理論基礎及技術支撐。通過批實驗對比研究農林廢棄物(淘米水(RWD)、秸稈、楊樹葉和鋸末)作為反硝化碳源去除地下水中NO_3~-的性能,發(fā)現(xiàn)RWD具有較高的NO_3~-降解速率。在以RWD為基質的反硝化性能研究中,證明了RWD既可作為反硝化碳源又可作為菌源,且以RWD為菌源的系統(tǒng)中微生物群落結構及溶解性有機質的化學成分簡單。接種活性污泥中的優(yōu)勢菌屬為Thiobacillus、Anaerolineaceae和Methylophilaceae,投加RWD后的優(yōu)勢菌屬變?yōu)镮deonella、Cloacibacterium和Enterobacter,而在RWD為反硝化碳源和菌源的系統(tǒng)中,Stenotrophomonas和Enterobacter為優(yōu)勢菌屬。以沸石為填充介質構建的上流式反應器可同步處理受NO_3~-污染地下水和RWD廢水,RWD/地下水=1/5.5(v/v)時,接種和未接種活性污泥的反應器均能有效去除NO_3~-和TOC,NO_3~-去除率95%,RWD中TOC濃度下降80%以上。針對模擬海洋循環(huán)水產養(yǎng)殖系統(tǒng)(RAS)水(鹽度15 ppt)的批實驗研究發(fā)現(xiàn),以甲醇為基質的反硝化速率最高,依此為魚類廢棄物、S~0、桉樹覆蓋物和桉樹覆蓋物與S~0的混合物。同時,發(fā)現(xiàn)木材品種影響反硝化速率,松樹具有較高的反硝化速率,其次是橡樹和桉樹;木材與S~0基質協(xié)同反硝化,相較于單獨硫自養(yǎng)和木塊異養(yǎng)反硝化工藝,具有較高的反硝化速率,且SO_4~(2-)的生成和COD的釋放量較少,可避免二次污染。以S~0和牡蠣殼為介質構建的間歇式浸沒反硝化反應器(IOSDR),可用于海洋RAS水中NO_3~-的去除,具有反硝化率高、有機碳剩余和生物質產量少等優(yōu)勢,不同HRT下的反硝化速率為84-942 g N/(m~3·d),并隨HRT降低而升高;當HRT為12 h時,海洋RAS能有效地控制魚池中TSS、TAN、NO_2~-、NO_3~-和S~(2-)濃度在魚類健康范圍之內。通過氮質量守恒估算得知,此RAS中魚同化7%的氮,取樣流失1%,固體去除26%,被動反硝化去除6%,而IOSDR去除60%。為了減少海洋RAS魚池中SO_4~(2-)積累,開發(fā)了木塊與S~0協(xié)同反硝化(WSHAD)和IOSDR的組合工藝(WS-DR)處理海洋RAS水。WS-DR具有反硝化效率高和SO_4~(2-)產量低等優(yōu)勢,在HRT=12 h時,NO_3~-去除率為90.3%±4.3%,反硝化速率為102.6±8.5 g N/(m~3·d),RAS魚池中NO_3~-濃度維持在56.8±2.7 mg NO_3~--N/L,SO_4~(2-)產量(4.25±2.35 mg SO_4~(2-)/mg NO_3~--N)低于硫自養(yǎng)反硝化理論產值(7.54 mg SO_4~(2-)/mg NO_3~--N),魚池中未發(fā)現(xiàn)明顯的SO_4~(2-)積累。在WS-DR系統(tǒng)中,運行初期木塊釋放較多的有機質,異養(yǎng)反硝化占主導(50%),而在運行后期有機質釋放不足,硫自養(yǎng)反硝化占主導(80%)。木塊有機質的釋放符合一級動力學,溶解性COD和易生物降解COD釋放衰減速率常數(shù)分別為0.271和0.403 d~(-1)。本研究證明了RWD作為碳源和菌源處理NO_3~-污染地下水的有效性,以及S~0或木質材料與S~0構建的IOSDR可維持海洋RAS水質在魚類健康范圍之內,為處理不同類型NO_3~-污染水(淡水及鹽水)提供了一條新途徑。
【學位單位】：中國地質大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

圖 2-1 RWD、秸稈、楊樹葉和鋸末浸出實驗中 COD 濃度變化e 2-1 Changes in COD concentration in RWD, maize stalks, poplar leaves and leaching experiment同碳源材料的反硝化性能

同時 RWD 本身也能得到一定程度的處理。圖2-2 不同碳源反硝化性能實驗中NO3-、NO2-、 NH4+、COD濃度和pH的變化Figure 2-2 Changes in concentrations of NO3-、NO2-、 NH4+、COD and pH when using RWD,maize stalks, poplar leaves, and sawdust as carbon sources

2.3.3.3 COD和 pH的變化隨著反硝化過程的進行，反應器中COD也隨時間不斷變化。圖2-3d展示了在前 1.5 d，各比例的反硝化反應器中 COD 下降劇烈，表明 RWD 中的有機物能夠快速被微生物利用。1.5d之后，10/390和20/380的反應器中，COD濃度約15mg/L，而比例為 50/350 的反應器中 COD 濃度低于 60 mg/L，表明在此些比例下，微生物幾乎能夠完全利用反應器中的有機物。但是當比例為 100/300 和 200/200時，COD 濃度分別為 250 和 500 mg/L左右

本文編號：2888011