纳米零价铁(nZVI)对反硝化颗粒污泥性能的影响

摘要

纳米零价铁(nZVI)作为一种新型的纳米材料，因其具有小粒径，大比表面积，强还原活性等优点，广泛应用于有机物、重金属、硝酸盐等污染物质的降解。但是当nZVI排入到污水处理系统中，就可能吸附或累积在系统微生物表面和体内，而使微生物的稳定性和代谢能力受到破坏和抑制。目前，有关nZVI对污水生化处理系统影响研究较少，针对反硝化颗粒污泥的影响研究更是从未被提及。因此本研究主要考察纳米零价铁对反硝化颗粒污泥脱氮性能及污泥活性的影响，从而有助于探明纳米零价铁对微生物的潜在效应，以及提高反硝化系统运行稳定性，主要内容和结论如下:
　　(1)在USB反应器内，以厌氧颗粒污泥为接种污泥、乙酸钠为碳源，硝酸钾为氮源，培养具有反硝化功能的颗粒污泥。研究结果表明，成熟的颗粒颗粒为淡黄色，表面相对光滑且规则，平均粒径1.93mm，颗粒污泥活性较高，比反硝化速率可达到22.5mgN/(g·h)。
　　(2)采用批次试验，考察了不同C/N比条件下，nZVI投加量(0～100mg/L)对反硝化颗粒污泥(DGS)脱氮性能的影响，分析了氮素形态、比反硝化速率(μ值)、胞外聚合物(EPS)组成及铁元素分布的变化规律。结果表明，当原水中nZVI浓度高于5mg/L时，DGS对硝态氮和COD去除率均出现下降，导致剩余亚硝态氮浓度上升。在不同C/N比条件下，nZVI投加量对DGS比反硝化速率的抑制符合Haldane模型，R2在0.944～0.995之间。随着C/N比的增大，颗粒污泥对nZVI的吸附量明显提高，抑制系数（KIH）大幅降低，DGS对nZVI抑制作用的抗性逐渐减弱。当nZVI投加量超过25mg/L时，EPS中蛋白质与多糖含量开始下降，这不利于维持DGS颗粒结构的稳定性。
　　(3)通过连续多批次实验，考察了经历nZVI短期冲击后，DGS反硝化活性在不同C/N比条件下的恢复情况。结果表明，当nZVI投加量高于5mg/L时，DGS比反硝化速率(μ)会出现下降，对应的比反硝化抑制率（IR）与基质C/N比、nZVI投加量呈现正相关。当nZVI投加量达到100mg/L时，胞外蛋白与多糖含量均明显降低。此时，充足的外加碳源(C/N≥4)将有助于促进DGS反硝化活性的恢复和减少去除单位硝态氮所消耗的COD值。由Freundlich和Langmuir吸附等温线的拟合结果可知，基质C/N比越高，DGS对nZVI的吸附能力就越强。在恢复期内，泥相中总铁含量(Qe)的持续削减为高C/N比条件下，DGS反硝化活性的提升创造了有利条件。当Qe降至0.4mg/g以下时，μ值可达到或接近对照组的水平。
　　(4)研究nZVI长期内对反硝化颗粒污泥脱氮效能及污泥活性的影响，并探求抑制作用是否可逆。长期试验表明，低于2mg/L的nZVI对反硝化颗粒污泥脱氮以及有机物去除没有影响，5mg/L和10mg/L的nZVI对体系中微生物对有一个驯化的过程，NO3-N和COD去除率先下降随后稳定，而当进水nZVI浓度为30mg/L时，污泥活性明显抑制，生物量减少，NO3-N和COD去除率仅有20％左右，此时颗粒污泥颜色由黄褐色变为灰黑色。而当进水中无nZVI时，反硝化颗粒污泥活性可以逐渐恢复。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 纳米零价铁(nZVI)的应用与存在的问题

1．1．1 纳米零价铁(nZVI)的应用与研究进展

1．1．2 纳米零价铁(nZVI)的应用存在的问题

1．2 纳米零价铁(nZVI)对活性污泥系统影响的研究

1．2．1 纳米材料对活性污泥脱氨作用影响的研究

1．2．2 纳米零价铁(nZVI)对活性污泥脱氮作用影响的研究

1．2．3 纳米材料对活性污泥活性影响的研究

1．2．4 纳米零价铁(nZVI)对活性污泥活性影响的研究

1．3 生物反硝化概况

1．3．1 生物反硝化过程

1．3．2 影响反硝化因素

1．4 颗粒污泥研究现状

1．4．1 颗粒污泥的分类和特点

1．4．2 厌氧颗粒污泥

1．4．3 好氧颗粒污泥

1．4．4 反硝化颗粒污泥

1．5 本文研究目的及内容

1．5．1 研究目的及意义

1．5．2 研究内容及技术路线

第二章 反硝化颗粒污泥的培养

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 试验装置

2．2．2 接种污泥及试验用水

2．2．3 测定项目与方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 反硝化颗粒污泥形成过程

2．3．2 反硝化颗粒污泥特性及其变化

2．3．3 反硝化活性

2．3．4 胞外聚合物(EPS)的变化

2．4 结论

第三章 不同C／N条件下nZVI对反硝化颗粒污泥性能的影响

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 污泥来源

3．2．2 nZVI的制备

3．2．3 批次试验方法

3．2．4 分析方法

3．2．5 比反硝化速率的计算

3．3 结果与讨论

3．3．1 nZVI对反硝化中氮素形态的影响

3．3．2 nZVI对DGS反硝化活性的影响

3．3．3 nZVI对颗粒污泥EPS组成的影响

3．3．4 铁元素在泥相、水相中的分布

3．4 结论

第四章 反硝化颗粒污泥在nZVI胁迫下的性能恢复

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 污泥的来源

4．2．2 nZVI的制备

4．2．3 批次实验方法

4．2．4 主要分析方法

4．2．5 主要计算指标

4．3 结果与讨论

4．3．1 DGS反硝化活性的抑制与恢复

4．3．2 恢复前后EPS的组成变化

4．3．3 nZVI的生物吸附与洗脱

4．4 结论

第五章 nZVI对反硝化颗粒污泥性能的长期影响

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 试验装置

5．2．2 接种污泥及试验用水

5．2．3 测定项目与方法

5．2．4 试验方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 长期内nZVI对系统脱氮效能的影响

5．3．2 长期内纳米零价铁(nZVI)对有机物降解的影响

5．3．3 长期内nZVI对反硝化颗粒污泥生物量和形态影响

5．3．4 长期内nZVI对微生物活性的抑制

5．4 结论

第六章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢

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