電極強(qiáng)化人工濕地處理低碳氮比污水效果及機(jī)理研究

【摘要】：作為一種生態(tài)化的污水處理技術(shù),人工濕地(Constructed Wetlands,CWs)被證實(shí)能夠有效脫除污水中的氮和有機(jī)物等多種污染物。由于人工濕地中同時(shí)存在反硝化和硝化過(guò)程,其不但能夠有效脫除硝態(tài)氮,也能夠較好的脫除氨氮。而且人工濕地具有脫氮效率高、費(fèi)用低、適用面廣以及對(duì)污染負(fù)荷變化適應(yīng)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是,低C/N進(jìn)水會(huì)造成人工濕地后段基質(zhì)異養(yǎng)反硝化過(guò)程受阻,影響出水脫氮效果。而投加碳源改善反硝化的方法會(huì)導(dǎo)致出水有機(jī)物二次污染或脫氮效果不徹底的問(wèn)題,同時(shí)外加碳源的添加也會(huì)增加處理成本。我國(guó)南方城市生活污水多為低C/N污水。結(jié)合了電化學(xué)法和生物法的電極生物膜法是目前有效處理低C/N污水的工藝之一,由于其內(nèi)部產(chǎn)氫,利用自養(yǎng)反硝化菌不需要有機(jī)碳源等特點(diǎn),在高效脫氮的同時(shí)具有安全、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)。但是,該方法主要對(duì)硝態(tài)氮有較好的處理效果,對(duì)氨氮等去除能力較差,且對(duì)高濃度硝態(tài)氮去除效果不佳。本研究針對(duì)以上問(wèn)題將人工濕地與電極生物膜反應(yīng)器耦合探究低C/N污水的處理效果。采用復(fù)合和串聯(lián)兩種連接方式,將人工濕地和電極生物膜反應(yīng)器結(jié)合構(gòu)建復(fù)合電極人工濕地(Electrode Constructed Wetland,ECW)以及人工濕地串聯(lián)電極生物膜反應(yīng)器(Constructed Wetland combined Biofilm-electrode Reactor,CWBER),使得二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),以期實(shí)現(xiàn)對(duì)低C/N污水的高效脫氮處理。通過(guò)C/N、進(jìn)水總氮濃度、電流強(qiáng)度、HRT和p H五個(gè)因素對(duì)聯(lián)合體系處理效果影響的研究,探究?jī)蓚€(gè)體系的關(guān)鍵影響因子和優(yōu)化調(diào)控措施,以及最佳條件下的去除效果。并運(yùn)用高通測(cè)序手段對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的微生物多樣性進(jìn)行測(cè)試分析,從而探究電極強(qiáng)化人工濕地處理低C/N污水的效果和機(jī)理。研究結(jié)果表明:(1)除p H外其它四種因素對(duì)ECW處理低C/N污水的效果均有顯著性影響。最佳運(yùn)行條件為C/N=0.75,進(jìn)水總氮濃度=75mg/L,I=10m A和HRT=48h,此時(shí),系統(tǒng)對(duì)硝態(tài)氮、氨氮、總氮和COD的去除率達(dá)到最高,分別為89.59%、39.6%、63.56%和87.01%。與單一CW相比,ECW的氮和有機(jī)物去除具有明顯的強(qiáng)化效果。(2)對(duì)于CWBER,其處理低C/N污水的顯著性影響因素與ECW相同。體系的最適運(yùn)行參數(shù)為C/N=1,進(jìn)水總氮濃度=60mg/L,I=15m A和HRT=12h(人工濕地保持HRT=24h),此時(shí)硝態(tài)氮、氨氮、總氮和COD的去除率最高,分別為98.97%、30.36%、71.55%和88.91%。對(duì)比單一BER和單一CW,CWBER對(duì)二者脫氮、單一BER有機(jī)物去除有明顯加強(qiáng)作用,而對(duì)單一CW有機(jī)物去除則沒(méi)有明顯加強(qiáng)。(3)就兩種聯(lián)合方式組成的體系而言,ECW中具有更強(qiáng)的硝化作用,而CWBER的反硝化能力則更強(qiáng),對(duì)有機(jī)物的去除能力二者相差不大。就兩體系最佳運(yùn)行參數(shù)而言,ECW較CWBER有更高進(jìn)水氮負(fù)荷以及更低C/N,且所需電流更低,但所需停留時(shí)間較長(zhǎng);而CWBER則需要更高電流以及更高進(jìn)水C/N,而能承受進(jìn)水負(fù)荷更低,但它所需停留時(shí)間較短。(4)利用高通量測(cè)序手段分別測(cè)試ECW和CWBER的陰極生物膜,并在最佳條件下運(yùn)行后進(jìn)行微生物多樣性的探究。采集的樣品均成功提取了DNA,進(jìn)行了有效的PCR擴(kuò)增,并獲得了足夠的測(cè)序深度。結(jié)果表明:對(duì)于微生物群落組成而言,在門(mén)分類(lèi)水平中,兩個(gè)體系主要菌門(mén)為Proteobacteria和Bacteroidetes,而屬水平分類(lèi)中,ECW中主要為T(mén)hiobacillus和Thauera以及Arenimonas和Rhodobacter、Flavobacterium,CWBER中則主要為Dechloromonas、Simplicispira和Pseudoxanthomonas,并且Shinella、Thermomonas、Enterbacter、Bdellovibrio和Rhodobacter、Flavobacterium等在該體系中豐度也相對(duì)較高。這些菌種大部分都是重要的反硝化菌和具有降解有機(jī)物能力的菌,它們?cè)诿摮陀袡C(jī)物的過(guò)程中起到了重要的作用。ECW和CWBER中大量富集的一些菌(如Arenimonas)在有關(guān)單一BER微生物研究的文獻(xiàn)中不常見(jiàn)報(bào)道,而一些常見(jiàn)的菌(如Hydrogenophaga)在兩個(gè)體系中的含量均較低。這和本研究中BER和CW進(jìn)行復(fù)合或串聯(lián)有關(guān)。(5)通過(guò)對(duì)比兩個(gè)體系中菌群多樣性和豐度差異發(fā)現(xiàn):微生物群落多樣性在ECW和CWBER中不存在顯著性差異,而微生物群落豐度在ECW中相對(duì)較高。本研究構(gòu)建ECW和CWBER兩個(gè)體系,探究二者對(duì)低C/N污水處理的關(guān)鍵影響因子、優(yōu)化調(diào)控措施以及高效處理的機(jī)理,結(jié)果分別得到二者的最佳條件、最佳去除效果和其中微生物群落結(jié)構(gòu),并且比較得出兩種體系處理能力及微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的差異。 【關(guān)鍵詞】：人工濕地 電極生物膜法 低碳氮比污水 聯(lián)合體系 微生物多樣性
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：X703
【目錄】：

• 摘要5-9
• ABSTRACT9-14
• 第一章 緒論14-32
• 1.1 人工濕地技術(shù)14-18
• 1.1.1 人工濕地概述14
• 1.1.2 人工濕地類(lèi)型14-15
• 1.1.3 人工濕地組成15
• 1.1.4 人工濕地優(yōu)缺點(diǎn)15-16
• 1.1.5 人工濕地脫氮原理16-17
• 1.1.6 人工濕地研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)17-18
• 1.2 低C/N污水脫氮工藝18-22
• 1.2.1 低C/N污水概念18-19
• 1.2.2 低C/N污水處理方法19-22
• 1.2.3 低C/N污水處理現(xiàn)狀22
• 1.3 電極生物膜法22-29
• 1.3.1 電極生物膜法原理22-24
• 1.3.2 電極生物膜法脫氮影響因素24-26
• 1.3.3 電極生物膜法研究現(xiàn)狀26-28
• 1.3.4 電極生物膜法與其它工藝聯(lián)用28-29
• 1.4. 研究目的與內(nèi)容29-32
• 1.4.1 研究意義和目的29-30
• 1.4.2 研究?jī)?nèi)容30-31
• 1.4.3 技術(shù)路線(xiàn)31-32
• 第二章 復(fù)合電極人工濕地處理效果影響因素的研究32-66
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法32-38
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置32-34
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)材料34-36
• 2.1.3 實(shí)驗(yàn)用水36-37
• 2.1.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目與分析方法37-38
• 2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析38-64
• 2.2.1 微生物的掛膜與馴化38-39
• 2.2.2 C/N對(duì)復(fù)合電極人工濕地處理效果的影響39-44
• 2.2.3 進(jìn)水總氮濃度對(duì)復(fù)合電極人工濕地處理效果的影響44-49
• 2.2.4 電流強(qiáng)度對(duì)復(fù)合電極人工濕地處理效果的影響49-54
• 2.2.5 水力停留時(shí)間對(duì)復(fù)合電極人工濕地處理效果的影響54-59
• 2.2.6 進(jìn)水pH對(duì)復(fù)合電極人工濕地處理效果的影響59-64
• 2.3 本章小結(jié)64-66
• 第三章 人工濕地串聯(lián)電極生物膜反應(yīng)器處理效果影響因素的研究66-96
• 3.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法66-68
• 3.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置66-67
• 3.1.2 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)用水67
• 3.1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目與分析方法67-68
• 3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析68-93
• 3.2.1 微生物的掛膜與馴化68-69
• 3.2.2 C/N對(duì)人工濕地串聯(lián)電極生物膜處理效果的影響69-73
• 3.2.3 進(jìn)水總氮濃度對(duì)人工濕地串聯(lián)電極生物膜處理效果的影響73-78
• 3.2.4 電流強(qiáng)度對(duì)人工濕地串聯(lián)電極生物膜處理效果的影響78-83
• 3.2.5 水力停留時(shí)間對(duì)人工濕地串聯(lián)電極生物膜處理效果的影響83-88
• 3.2.6 進(jìn)水pH對(duì)人工濕地串聯(lián)電極生物膜處理效果的影響88-93
• 3.3 本章小結(jié)93-96
• 第四章 復(fù)合電極人工濕地及人工濕地串聯(lián)電極生物膜微生物群落多樣性研究96-114
• 4.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法96-98
• 4.1.1 實(shí)驗(yàn)樣品采集96
• 4.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑96-97
• 4.1.3 高通量測(cè)序方法97-98
• 4.2 高通量測(cè)序結(jié)果分析98-112
• 4.2.1 樣品基因組DNA提取和 16s rDNA PCR擴(kuò)增98-100
• 4.2.3 高通量測(cè)序結(jié)果100-112
• 4.3 本章小結(jié)112-114
• 第五章 結(jié)論與展望114-118
• 5.1 主要結(jié)論114-115
• 5.2 不足與展望115-118
• 參考文獻(xiàn)118-126
• 攻讀學(xué)位期間研究成果126-127
• 致謝127

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