硫自养反硝化处理模拟地下水硝酸盐研究

摘要

近年来，地下水硝酸盐污染越来越严重，生物反硝化是去除氮污染的有效方法之一。其中利用硫自养反硝化技术进行地下水脱硝逐渐成为研究热点。但硫自养反硝化过程中存在出水硫酸盐浓度过高、启动较慢以及对温度适应性差等问题制约了该技术在地下水脱硝中的应用。故本课题采用硫-石英砂固定床反应器，以模拟硝酸盐废水为进水，研究进水硝酸盐浓度、水力停留时间、温度、进水pH值等因素对反硝化效率的影响，探讨了自养反硝化技术应用地下水脱硝的可能性，并分析了反应过程中菌群结构变化与氧化还原电位的变化。
　　首先研究了以硫-石英砂3∶1为填料的固定床反应器的启动过程。实验结果表明，经过异养反硝化菌挂膜后的反应器驯化时间较短，约为15d;反硝化速率可达到20.51 mgN/(L·h);驯化后反应器出水硫酸盐浓度跟理论值基本相符，出水pH在6.5～7之间，ORP在50mV左右;同时硫-石英砂反应器孔隙率高，通透性良好有效防止了反硝化过程中气泡的堵塞;反应器驯化成功后通过荧光原位杂交技术(FISH)测得反应器底部、中部及上部的脱氮硫杆菌相对丰度分别为0.165％、0.210％、0.280％，利用扫描电镜可以发现底部污泥中微生物种类较上部更为丰富;影响因素优化结果表明:当HRT保持在8.6h时反应器的进水硝酸盐氮浓度应小于300mg/L，硝酸盐氮浓度在70 mg/L时最高HRT为2.5h，最适温度为30℃，最适pH为7。
　　实验在10℃恒温环境中启动运行反应器以测试硫自养反硝化反应器对低温环境的适应性，并采用联合异养和自养反硝化手段降低反应器出水硫酸盐浓度。结果表明:反应器在低温环境中可以成功的启动，驯化时间为30d，启动后反硝化速率平均为17mgN/(L·h);通过联合培养异养反硝化菌和自养反硝化菌，调整两者的比例，可以有效控制反应器内硫酸盐生成的量，使硫酸盐出水控制在250mg/L以下。
　　通过对反应体系中氧化还原电位(ORP)的检测可以看出，反应器内自养反硝化阶段ORP在0～50mV之间，异养反硝化ORP在-350mV左右。在不同初始硝酸盐氮浓度和不同温度的硫自养反硝化批次实验中，都可以利用ORP曲线的膝点反映出反硝化的结束的时间点。
　　综上，本课题研究更加完善了硫自养反硝化理论，为解决硫自养反硝化技术用于地下水脱硝存在的问题提供了有效的解决途径，对硫自养反硝化技术处理地下水硝酸盐的实际应用提供了一定的理论与技术的支持。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 地下水硝酸盐污染现状及危害

1．2 地下水硝酸盐处理技术

1．2．1 物理化学法去除地下水硝酸盐

1．2．2 生物反硝化法去除地下水硝酸盐

1．3 自养反硝化法地下水脱硝研究进展

1．3．1 氢自养反硝化研究进展

1．3．2 硫自养反硝化研究进展

1．4 研究内容及意义

第2章 硫自养反硝化反应器启动及其影响因素的优化

2．1 实验材料和方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验方法

2．2 实验内容

2．2．1 反硝化污泥驯化

2．2．2 硫自养反硝化反应器装填及挂膜

2．2．3 硫自养反硝化反应器的驯化

2．2．4 硫自养反硝化反应器FISH分析

2．2．5 硫自养反硝化反应器SEM分析

2．2．6 进水硝酸盐浓度对硫自养反硝化的影响

2．2．7 HRT对硫自养反硝化的影响

2．2．8 温度对硫自养反硝化的影响

2．2．9 pH对硫自养反硝化的影响

2．3 结果与讨论

2．3．1 污泥驯化情况

2．3．2 硫自养反硝化反应器装填及挂膜

2．3．3 反应器硫自养反硝化驯化

2．3．4 硫自养反硝化反应器FISH分析结果

2．3．5 硫自养反硝化反应器SEM分析结果

2．3．6 进水硝酸盐浓度对硫自养反硝化的影响

2．3．7 HRT对硫自养反硝化的影响

2．3．8 温度对硫自养反硝化的影响

2．3．9 pH对硫自养反硝化的影响

2．4 本章小结

第3章 低温硫自养反硝化及联合反硝化研究

3．1 实验材料和方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验方法

3．2 实验内容

3．2．1 低温运行硫自养反硝化反应器

3．2．2 联合反硝化反应器运行研究

3．2．3 反应器菌群结构分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 硫自养反硝化反应器低温运行规律

3．3．2 联合反硝化反应器运行规律

3．2．3 反应器菌群结构分析

3．4 本章小结

第4章 硫自养反硝化过程中ORP变化规律研究

4．1 实验材料和方法

4．1．1 实验材料

4．1．2 实验方法

4．2 实验内容

4．2．1 硫自养反硝化过程中ORP的变化规律

4．2．2 硫自养反硝化批次实验ORP的变化

4．2．3 温度对批次实验中ORP的影响

4．3 结果与讨论

4．3．1 硫自养反硝化过程中ORP的变化规律

4．3．2 硫自养反硝化批次实验ORP的变化

4．3．3 温度对批次实验中ORP的影响

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢