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悬浮填料—沸石BAF对低温水中氨氮的去除特性及机制研究

韩梅  
【摘要】:我国水源水氨氮污染具有普遍性,但目前处理氨氮有效的生物氧化法在低温期(5℃)因生物活性减弱导致处理氨氮能力有限,以沸石为代表的吸附法除氨氮虽不受温度影响,但受吸附容量的限制,需周期性再生,操作复杂、费用较高。因此解决低温期饮用水氨氮污染问题是当前非常重要和迫切的研究任务,研究物化-生化耦合除氨氮系统将更具应用价值。 本文以悬浮填料-沸石曝气生物滤池为研究对象,解决低温饮用水氨氮污染问题为目标。系统研究了曝气生物滤池处理南方短期低温水源水中污染物的效能和运行特性,考察了曝气生物滤池对有机物、锰和氨氮的去除效能,并与单层曝气生物滤池进行比较。并进一步以低温较长的松花江水为处理目标,研究了悬浮填料-沸石双层曝气生物滤池低温去除氨氮的特性和微生物群落响应机制,。同时针对系统中沸石物化除氨氮作用研究了其在水源水复杂水体环境下吸附氨氮的作用因子和吸附、解吸附规律,进而对悬浮填料-沸石双层曝气生物滤池的氮转移促进机制进行了研究。 悬浮填料-沸石曝气生物滤池处理多种污染物复合的水源水,对综合有机物去除有限,但对邻苯二甲酸酯类物质、嗅味物质和消毒副产物生成势有很好的控制作用。曝气生物滤池对锰的去除效果也较好,通过生物氧化作用实现运行稳定期平均去除率达到80%以上,并对氨氮和锰可以同步高效去除。悬浮填料-沸石曝气生物滤池在高氨氮污染负荷和低温期对氨氮的控制优于常规单层曝气生物滤池,同时较单层曝气生物滤池反冲洗周期长、反冲洗强度低,适宜处理高氨氮、高浊度重污染的水源水。 悬浮填料-沸石曝气生物滤池处理低温期较长的松花江水,通过生物系统生物氧化和沸石物化系统吸附氨氮协同作用,在应对低温期二次启动、高氨氮污染负荷和温度过渡都能保持对氨氮去除的稳定性。在1~5.5℃长期低温过程中,悬浮填料-沸石曝气生物滤池对氨氮平均去除率为77.08%,硝化作用随低温运行时间增长而增强,而经高温期后再次低温期硝化作用衰弱,由二次低温期再次进入常温期,系统仍对氨氮具有持续稳定的去除作用,并与低温期相似存在氮的物化转移。悬浮填料-沸石双层曝气生物滤池对氨氮的处理效能与微生物群落演替趋势一致,虽常温期较低温期菌群多样性高,但低温长期驯化后硝化细菌得到增殖,Nitrospiraceae_Nitrospira和Nitrosomonas的数量及其菌种种类均高于常温期,实时荧光PCR定量的结果也证明低温期AOB和NOB的数量明显高于常温期,但经高温期后,原有驯化的低温硝化细菌衰减。低温环境也使悬浮填料-沸石双层曝气生物滤池上层沸石段和下层悬浮填料段生态位分离,硝化功能菌更集中于上层沸石段。 悬浮填料-沸石曝气生物滤池的曝气系统能促进生物沸石吸附氨氮,30~60min的水力停留时间可以保证生物沸石对氨氮充分的吸附。水体中的共存阳离子、腐殖酸和高岭土均影响沸石吸附氨氮的速率,但共存阳离子影响最大。生物沸石吸附氨氮的速率还受到生物膜和低温影响,但吸附容量不受其影响。生物沸石吸附氨氮的等温线符合Langmuir吸附模型。随着液质浓度梯度的变化,当水体氮源浓度低时,低温生物沸石通过释放氨氮保证了硝化细菌对氮源的利用。通过调节运行模式(如:延长水力停留时间等)可以加快悬浮填料-沸石曝气生物滤池系统中氮的转移,实现系统对氨氮去除的持续性和高效性。 本文利用悬浮填料-沸石曝气生物滤池实现了5℃以下条件对氨氮的高效去除,揭示了其低温除氨氮机制,提出并验证了硝化细菌在低温具有增殖的空间,为根本解决长期低温区域饮用水氨氮污染问题奠定了理论基础。


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