以木屑为碳源的固相反硝化反应器处理水中硝酸盐的研究

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硝酸盐(NO3-)是水环境中常见的污染物之一,由于很容易威胁到人们的健康而引起了越来越多的关注。固相反硝化(SPD)技术高效低耗、对环境友好,且运行维护成本低,因而被广泛应用于去除低有机碳水中的NO3-。本研究中,针对低有机碳水体(如地下水、污水处理厂二次出水)NO3-污染问题,以木屑为固相碳源,通过批实验和柱实验对木屑作为反硝化碳源的性能进行评价,同时构建以木屑为碳源的固相反硝化(W-SPD)反应器,探究反应器沿水流方向的NO3-去除过程和微生物分布情况,对W-SPD反应器内部的沿程反应机制进行剖析,进而开发出适用的碳源梯度填充的SPD反应器去除低有机碳水中NO3-的技术,为低有机碳水体生物脱氮技术提供理论参考,并为SPD反应器的构建提供新途径。得到的主要结果如下:木屑作为反硝化碳源可以实现完全反硝化,并有利于形成同时还原NO3-和亚硝酸盐(NO2-)的环境,降低系统中NO2-的积累量,从而降低系统的风险性。木屑反硝化过程中总有机碳(TOC)的释放依赖于微生物作用,水溶作用仅在存在TOC扩散梯度下发生。W-SPD反应器能够持续有效地去除低有机碳水中的NO3-(NO3-去除率为92.5%96.4%),反应器内反硝化发生的区域没有TOC和氨氮的积累,进水流速与反应器高度相匹配时,可以实现无二次污染的效果。沿程NO3-去除过程符合用零级(R2>0.97)和一级(R2>0.94)动力学联合描述的Michaelis-Menten动力学方程,而沿程微生物反应速率符合Logistic模型(R2>0.99)。W-SPD反应器沿程NO3-去除速率和微生物反应速率呈先增加后减小的趋势,并通过微生物数量及其活性分析得到证实。系统中好氧菌、反硝化菌、含碳化合物降解菌和发酵菌共存,从而实现持续有效的NO3-去除效果。沿水流方向发生的主导反应依次是好氧降解、异养反硝化和NO3-异化还原为铵(DNRA)。碳源梯度减少的填充方式相较于均匀填充而言,强化了SPD反应器进水端的NO3-去除速率,在NO3-负荷量为7.78±0.10至47.82±0.53 g N·m-3·d-1时,梯度填充反应器的NO3-去除速率约为均匀填充反应器的1.401.56倍。梯度填充反应器能实现较低的NO2-和TOC积累量,从而降低出水二次污染的风险性。
摘要第5-6页
Abstract第6-7页
第1章 绪论第11-26页
    1.1 硝酸盐污染现状第11-13页
        1.1.1 硝酸盐污染来源第11-12页
        1.1.2 硝酸盐污染状况第12-13页
        1.1.3 硝酸盐污染危害第13页
    1.2 硝酸盐去除技术研究进展第13-20页
        1.2.1 物理去除技术第14-15页
        1.2.2 化学去除技术第15-16页
        1.2.3 生物去除技术第16-20页
    1.3 固相反硝化(SPD)技术研究进展第20-23页
    1.4 研究目的与内容第23-25页
        1.4.1 研究目的第23-24页
        1.4.2 研究内容第24-25页
    1.5 技术路线第25-26页
第2章 以木屑为碳源的反硝化特征第26-40页
    2.1 引言第26页
    2.2 材料与方法第26-31页
        2.2.1 仪器与试剂第26-27页
        2.2.2 实验用水与接种污泥第27-28页
        2.2.3 实验方法第28-31页
    2.3 结果与讨论第31-38页
        2.3.1 以木屑为碳源驯化的微生物的反硝化性能第31-32页
        2.3.2 木屑反硝化柱运行评价第32-34页
        2.3.3 无微生物作用木屑释碳性能第34-35页
        2.3.4 微生物作用下木屑的反硝化性能第35-37页
        2.3.5 木屑反硝化机理第37-38页
    2.4 本章小结第38-40页
第3章 木屑反硝化反应器沿程反硝化行为第40-57页
    3.1 引言第40-41页
    3.2 材料与方法第41-44页
        3.2.1 仪器与试剂第41页
        3.2.2 实验用水第41页
        3.2.3 微生物驯化第41-42页
        3.2.4 实验装置第42-43页
        3.2.5 实验方法第43页
        3.2.6 分析测试方法第43-44页
    3.3 结果与讨论第44-56页
        3.3.1 反硝化系统性能第44-47页
        3.3.2 沿程反硝化性能及特征第47-56页
    3.4 本章小结第56-57页
第4章 木屑反硝化反应器沿程微生物分布第57-74页
    4.1 引言第57页
    4.2 材料与方法第57-61页
        4.2.1 仪器与试剂第57-58页
        4.2.2 填料采集第58-59页
        4.2.3 填料活性实验第59页
        4.2.4 分析测试方法第59-61页
    4.3 结果与讨论第61-72页
        4.3.1 微生物数量的沿程分布第61-63页
        4.3.2 系统填料反硝化活性第63-65页
        4.3.3 木屑形态变化第65-66页
        4.3.4 微生物群落的沿程分布特征第66-71页
        4.3.5 反应器沿程反硝化机理第71-72页
    4.4 本章小结第72-74页
第5章 SPD反应器木屑填充方式优化第74-97页
    5.1 引言第74-75页
    5.2 材料与方法第75-78页
        5.2.1 仪器与试剂第75页
        5.2.2 实验用水第75页
        5.2.3 微生物驯化第75页
        5.2.4 实验装置第75-77页
        5.2.5 实验方法第77页
        5.2.6 分析测试方法第77-78页
    5.3 结果与讨论第78-96页
        5.3.1 沿程反硝化行为第78-88页
        5.3.2 串联反应室反硝化特征第88-91页
        5.3.3 贡献度计算第91-96页
    5.4 本章小结第96-97页
第6章 结论及建议第97-100页
    6.1 结论第97-98页
    6.2 创新点第98页
    6.3 建议第98-100页
参考文献第100-113页
致谢第113-114页
附录第114-115页
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