尾氣增氧人工濕地污染物強(qiáng)化去除機(jī)制及其氧化亞氮減排效能研究.pdf

1、水體污染和水資源緊缺已成為限制經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的全球性問題，水污染綜合治理逐漸引起國家政府和環(huán)保部門的重視。在水污染綜合治理方面，活性污泥工藝已發(fā)展成為當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的污水生物處理技術(shù)，但其卻存在尾水中仍然含有多余氮、磷及氣態(tài)污染的問題。人工濕地作為一種由基質(zhì)、植物、微生物等組成的污水生態(tài)處理技術(shù)，因投資少、效果好、管理方便、環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)勢在過去幾十年中被廣泛應(yīng)用于城市和農(nóng)村生活污水、河流和湖泊生態(tài)修復(fù)等領(lǐng)域，尤其在提升污水處理廠

2、出水的水質(zhì)方面有著良好的應(yīng)用潛力。但傳統(tǒng)人工濕地由于自身工藝結(jié)構(gòu)的限制，使其長期處于缺氧和厭氧環(huán)境，溶解氧供應(yīng)不足導(dǎo)致去污效率較差，極大地限制了其推廣應(yīng)用。
　　針對以上存在的問題，本論文以傳統(tǒng)人工濕地脫氮限制因素——溶解氧為切入點(diǎn)，開發(fā)新型人工濕地強(qiáng)化供氧技術(shù)，探索將污水生物處理尾氣用于增強(qiáng)垂直潛流人工濕地復(fù)氧能力的可行性，在此基礎(chǔ)上分析污水處理系統(tǒng)內(nèi)污染物去除作用機(jī)理及微生物豐度和種群的變化。隨后，將尾氣增氧模式應(yīng)用于短程硝化

3、反硝化N2O減量化研究，探究運(yùn)用人工濕地進(jìn)行短程硝化反硝化尾水尾氣深度處理的可行性，掌握尾水中污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和降解特征，考察人工濕地對N2O的減排效果，從微生物角度解析N2O的減排機(jī)理。取得的主要研究結(jié)論如下:
　　1.通過將原本有害的生物污水處理過程中產(chǎn)生的尾氣進(jìn)行收集用于垂直潛流濕地(VFCW)曝氣增氧，成功構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的新型尾氣增氧人工濕地系統(tǒng)，在消除尾氣氣態(tài)污染的同時(shí)提高人工濕地對氮等污染物的處理效率。與

4、空白不曝氣濕地相比，尾氣增氧濕地可以分別提高NH4+-N和TN去除率128.48±3.13％和59.09±2.26％;尾氣增氧對植物生長有積極的影響，尾氣增氧濕地葉綠素含量最高比對照濕地提高40.7±2.2％。尾氣含有的CO2引入濕地后可以被濕地植物光合作用利用，促進(jìn)植物生長，產(chǎn)生更高的生物量;尾氣通過VFCW后，尾氣中的臭氣成分（H2S和NH3）、溫室氣體(N2O)和微生物氣溶膠的濃度均顯著降低。H2S，NH3和N2O的去除率分別為7

5、7.78±3.46％，52.17±2.53％和87.40±3.89％。細(xì)菌和真菌氣溶膠去除效率分別為42.72±3.21％和47.89±2.82％。結(jié)果表明:尾氣增氧在強(qiáng)化人工濕地水質(zhì)凈化效果的同時(shí)，尾氣的污染風(fēng)險(xiǎn)通過人工濕地的過濾凈化作用被消除。人工濕地可看成一個(gè)生物濾池，通過基質(zhì)吸收作用、水的溶解作用和微生物降解作用共同凈化尾氣，真正達(dá)到水氣同步凈化的效果，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用前景。
　　2.增加曝氣后濕地中氮和磷的去除遷

6、移途徑均被改變，傳統(tǒng)濕地中氮主要依靠基質(zhì)的吸附蓄積作用被去除，曝空氣濕地內(nèi)部有氣流流動(dòng)從而降低了基質(zhì)的吸附作用，但是曝尾氣濕地基質(zhì)固氮作用沒有明顯減弱，原因是曝尾氣濕地基質(zhì)中蓄積的微生物數(shù)量較多。傳統(tǒng)濕地中磷主要通過濕地基質(zhì)填料的吸附蓄積作用得以去除，其次是植物吸收富集作用，曝氣濕地系統(tǒng)植物吸收氮磷作用明顯強(qiáng)于不曝氣濕地系統(tǒng)，原因是曝氣通過促進(jìn)植物生長加強(qiáng)了植物對氮磷的富集作用。此外，尾氣增氧人工濕地不僅能夠優(yōu)化濕地內(nèi)部溶解氧分布，還能

7、夠?qū)BR中的微生物引入人工濕地，大幅度提高氮循環(huán)相關(guān)菌豐度，有利于污染物的高效去除，尾氣增氧濕地中硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的豐度分別是對照濕地的6.3倍和2.6倍;除了氮循環(huán)相關(guān)菌之外，尾氣增氧濕地中全菌的數(shù)量也大幅提升，是對照組的3.6倍;分析了不同實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之間微生物同源性，結(jié)果顯示尾氣增氧濕地和SBR共有的OTU的比例最高(19.70％)，這便證明尾氣增氧人工濕地較高的微生物豐度，是由于尾氣的引入，將SBR中的微生物帶入人工濕地中造成

8、的。
　　3.菖蒲對于亞硝酸鹽存在一定程度的耐受性。當(dāng)亞硝酸鹽濃度低于30mg/L時(shí)，由于植物的自我保護(hù)，菖蒲可以通過調(diào)整自身的生理、生化進(jìn)程繼續(xù)正常生長;當(dāng)亞硝酸鹽濃度高于30mg/L時(shí)，菖蒲的生理保護(hù)機(jī)制被啟動(dòng)，體現(xiàn)在丙二醛(MDA)、相對電解質(zhì)滲透率、抗氧化酶活性（T-SOD、POD和CAT）和脯氨酸含量的顯著增加，同時(shí)還有葉綠素含量和株高的相應(yīng)減少;在過量的亞硝酸鹽濃度（≥40mg/L）或長時(shí)間高亞硝酸鹽作用下，菖蒲生理代

9、謝失衡，膜脂結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，生長被抑制;最終得出結(jié)論，菖蒲對亞硝酸鹽的耐受閾值為30mg/L。為日后菖蒲應(yīng)用于短程硝化反硝化耦合人工濕地處理系統(tǒng)提供實(shí)用信息和理論支持。進(jìn)行耦合實(shí)驗(yàn)的出水亞硝酸鹽濃度控制在30mg/L以下為宜。通過減少好氧階段的攪拌時(shí)間將反應(yīng)器的NAR由43.38％提高至52.88％，并利用FISH分析反應(yīng)器污泥中AOB和NOB的相對數(shù)量，結(jié)果顯示污泥中AOB和NOB分別占總菌數(shù)的78.48％和13.83％，說明AOB被逐

10、漸富集，而NOB在反應(yīng)器中被慢慢洗脫。因此，減少好氧階段的攪拌時(shí)間可有效實(shí)現(xiàn)生活污水模式下的穩(wěn)定短程硝化反硝化過程。構(gòu)建短程硝化反硝化耦合人工濕地處理系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)將短程硝化反硝化尾水引入曝氣濕地中后NO2--N濃度由17.07±1.54mg/L降低至0.34±0.18mg/L，說明短程硝化反硝化尾水在曝氣濕地運(yùn)行模式下可以被深度處理，消除高亞硝酸鹽污染的風(fēng)險(xiǎn)。
　　4.短程硝化反硝化尾氣經(jīng)過VFCW后N2O的去除率達(dá)到88.72±2