电极强化人工湿地处理低碳氮比污水效果及机理研究

【摘要】：作为一种生态化的污水处理技术,人工湿地(Constructed Wetlands,CWs)被证实能够有效脱除污水中的氮和有机物等多种污染物。由于人工湿地中同时存在反硝化和硝化过程,其不但能够有效脱除硝态氮,也能够较好的脱除氨氮。而且人工湿地具有脱氮效率高、费用低、适用面广以及对污染负荷变化适应力强等优点。但是,低C/N进水会造成人工湿地后段基质异养反硝化过程受阻,影响出水脱氮效果。而投加碳源改善反硝化的方法会导致出水有机物二次污染或脱氮效果不彻底的问题,同时外加碳源的添加也会增加处理成本。我国南方城市生活污水多为低C/N污水。结合了电化学法和生物法的电极生物膜法是目前有效处理低C/N污水的工艺之一,由于其内部产氢,利用自养反硝化菌不需要有机碳源等特点,在高效脱氮的同时具有安全、节约成本等优点。但是,该方法主要对硝态氮有较好的处理效果,对氨氮等去除能力较差,且对高浓度硝态氮去除效果不佳。本研究针对以上问题将人工湿地与电极生物膜反应器耦合探究低C/N污水的处理效果。采用复合和串联两种连接方式,将人工湿地和电极生物膜反应器结合构建复合电极人工湿地(Electrode Constructed Wetland,ECW)以及人工湿地串联电极生物膜反应器(Constructed Wetland combined Biofilm-electrode Reactor,CWBER),使得二者优势互补,以期实现对低C/N污水的高效脱氮处理。通过C/N、进水总氮浓度、电流强度、HRT和p H五个因素对联合体系处理效果影响的研究,探究两个体系的关键影响因子和优化调控措施,以及最佳条件下的去除效果。并运用高通测序手段对两个系统内部的微生物多样性进行测试分析,从而探究电极强化人工湿地处理低C/N污水的效果和机理。研究结果表明:(1)除p H外其它四种因素对ECW处理低C/N污水的效果均有显著性影响。最佳运行条件为C/N=0.75,进水总氮浓度=75mg/L,I=10m A和HRT=48h,此时,系统对硝态氮、氨氮、总氮和COD的去除率达到最高,分别为89.59%、39.6%、63.56%和87.01%。与单一CW相比,ECW的氮和有机物去除具有明显的强化效果。(2)对于CWBER,其处理低C/N污水的显著性影响因素与ECW相同。体系的最适运行参数为C/N=1,进水总氮浓度=60mg/L,I=15m A和HRT=12h(人工湿地保持HRT=24h),此时硝态氮、氨氮、总氮和COD的去除率最高,分别为98.97%、30.36%、71.55%和88.91%。对比单一BER和单一CW,CWBER对二者脱氮、单一BER有机物去除有明显加强作用,而对单一CW有机物去除则没有明显加强。(3)就两种联合方式组成的体系而言,ECW中具有更强的硝化作用,而CWBER的反硝化能力则更强,对有机物的去除能力二者相差不大。就两体系最佳运行参数而言,ECW较CWBER有更高进水氮负荷以及更低C/N,且所需电流更低,但所需停留时间较长;而CWBER则需要更高电流以及更高进水C/N,而能承受进水负荷更低,但它所需停留时间较短。(4)利用高通量测序手段分别测试ECW和CWBER的阴极生物膜,并在最佳条件下运行后进行微生物多样性的探究。采集的样品均成功提取了DNA,进行了有效的PCR扩增,并获得了足够的测序深度。结果表明:对于微生物群落组成而言,在门分类水平中,两个体系主要菌门为Proteobacteria和Bacteroidetes,而属水平分类中,ECW中主要为Thiobacillus和Thauera以及Arenimonas和Rhodobacter、Flavobacterium,CWBER中则主要为Dechloromonas、Simplicispira和Pseudoxanthomonas,并且Shinella、Thermomonas、Enterbacter、Bdellovibrio和Rhodobacter、Flavobacterium等在该体系中丰度也相对较高。这些菌种大部分都是重要的反硝化菌和具有降解有机物能力的菌,它们在脱除氮和有机物的过程中起到了重要的作用。ECW和CWBER中大量富集的一些菌(如Arenimonas)在有关单一BER微生物研究的文献中不常见报道,而一些常见的菌(如Hydrogenophaga)在两个体系中的含量均较低。这和本研究中BER和CW进行复合或串联有关。(5)通过对比两个体系中菌群多样性和丰度差异发现:微生物群落多样性在ECW和CWBER中不存在显著性差异,而微生物群落丰度在ECW中相对较高。本研究构建ECW和CWBER两个体系,探究二者对低C/N污水处理的关键影响因子、优化调控措施以及高效处理的机理,结果分别得到二者的最佳条件、最佳去除效果和其中微生物群落结构,并且比较得出两种体系处理能力及微生物群落结构和多样性的差异。 【关键词】：人工湿地 电极生物膜法 低碳氮比污水 联合体系 微生物多样性
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要5-9
• ABSTRACT9-14
• 第一章 绪论14-32
• 1.1 人工湿地技术14-18
• 1.1.1 人工湿地概述14
• 1.1.2 人工湿地类型14-15
• 1.1.3 人工湿地组成15
• 1.1.4 人工湿地优缺点15-16
• 1.1.5 人工湿地脱氮原理16-17
• 1.1.6 人工湿地研究现状及发展趋势17-18
• 1.2 低C/N污水脱氮工艺18-22
• 1.2.1 低C/N污水概念18-19
• 1.2.2 低C/N污水处理方法19-22
• 1.2.3 低C/N污水处理现状22
• 1.3 电极生物膜法22-29
• 1.3.1 电极生物膜法原理22-24
• 1.3.2 电极生物膜法脱氮影响因素24-26
• 1.3.3 电极生物膜法研究现状26-28
• 1.3.4 电极生物膜法与其它工艺联用28-29
• 1.4. 研究目的与内容29-32
• 1.4.1 研究意义和目的29-30
• 1.4.2 研究内容30-31
• 1.4.3 技术路线31-32
• 第二章 复合电极人工湿地处理效果影响因素的研究32-66
• 2.1 实验材料与方法32-38
• 2.1.1 实验装置32-34
• 2.1.2 实验材料34-36
• 2.1.3 实验用水36-37
• 2.1.4 实验测试项目与分析方法37-38
• 2.2 实验结果与分析38-64
• 2.2.1 微生物的挂膜与驯化38-39
• 2.2.2 C/N对复合电极人工湿地处理效果的影响39-44
• 2.2.3 进水总氮浓度对复合电极人工湿地处理效果的影响44-49
• 2.2.4 电流强度对复合电极人工湿地处理效果的影响49-54
• 2.2.5 水力停留时间对复合电极人工湿地处理效果的影响54-59
• 2.2.6 进水pH对复合电极人工湿地处理效果的影响59-64
• 2.3 本章小结64-66
• 第三章 人工湿地串联电极生物膜反应器处理效果影响因素的研究66-96
• 3.1 实验材料与方法66-68
• 3.1.1 实验装置66-67
• 3.1.2 实验材料及实验用水67
• 3.1.3 实验测试项目与分析方法67-68
• 3.2 实验结果与分析68-93
• 3.2.1 微生物的挂膜与驯化68-69
• 3.2.2 C/N对人工湿地串联电极生物膜处理效果的影响69-73
• 3.2.3 进水总氮浓度对人工湿地串联电极生物膜处理效果的影响73-78
• 3.2.4 电流强度对人工湿地串联电极生物膜处理效果的影响78-83
• 3.2.5 水力停留时间对人工湿地串联电极生物膜处理效果的影响83-88
• 3.2.6 进水pH对人工湿地串联电极生物膜处理效果的影响88-93
• 3.3 本章小结93-96
• 第四章 复合电极人工湿地及人工湿地串联电极生物膜微生物群落多样性研究96-114
• 4.1 实验材料与方法96-98
• 4.1.1 实验样品采集96
• 4.1.2 实验仪器及试剂96-97
• 4.1.3 高通量测序方法97-98
• 4.2 高通量测序结果分析98-112
• 4.2.1 样品基因组DNA提取和 16s rDNA PCR扩增98-100
• 4.2.3 高通量测序结果100-112
• 4.3 本章小结112-114
• 第五章 结论与展望114-118
• 5.1 主要结论114-115
• 5.2 不足与展望115-118
• 参考文献118-126
• 攻读学位期间研究成果126-127
• 致谢127

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