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电解强化人工湿地脱氮除磷过程与机理研究

高燕  
【摘要】:本文基于电化学反应稳定高效的特点,开展了电化学与人工湿地联合脱氮除磷过程与机理研究。构建电解-生物滤床\人工湿地室内小试装置,研究不同人工湿地基质、电极布置方式、电解时间、电流密度、水力停留时间(Hydraulic retention time,HRT)等电解设备和工艺参数对硝态氮(NO_3~--N)和磷酸盐-磷(PO_4~(3-)-P)去除效果的影响,并分析电解对湿地植物和基质生物膜细菌群落结构的影响。开发了一种新型的光伏电解人工湿地技术,应用于污水处理厂尾水的深度净化处理。获得的主要结论如下:电解-生物滤床(Electrolysis-integrated biofilter, E-BF)将电解引入生物滤床处理工艺中,E-BF以沸石作为基质,有利于模拟废水中氨氮(NH_~(3-)-N)的去除;铁电极作为电解反应的阳极,电解后产生Fe~(2+), Fe~(2+)进一步氧化成Fe~(3+), Fe~(3+)与水体中OH-生成Fe(OH)_3絮凝剂,铁离子与磷酸盐的化学反应以及Fe(OH)_3的絮凝沉淀作用有利于PO_4~(3-)-P的去除。基质吸附的氨氮在微生物作用下转化为亚硝态氮(NO_2~--N)和NO_3~--N, E-BF中N02-N和NO_3~--N的积累较对照组(Biofilter, BF)少。在不同的电解条件和PO_4~(3-)-P的进水浓度下,去除PO43--P的最低电耗为1.1kW·h/g。16S rDNA测序结果表明E-BF基质中有一定含量的铁硫细菌,在铁的生物化学转化过程中发生作用。电解-水平潜流人工湿地(Electrolysis-integrated horizontal subsurface-flow constructed wetland system, E-HFCWs)处理模拟废水的研究结果表明电极的布置方式会影响氮磷去除效果,采用双阴极的电极布置方式有利于NO_3~--N和PO43--P的去除;最适宜的电流密度、电解时间和HRT分别为0.07mA/cm2、8h和8h;同时电解会导致电极周围的湿地床体形成一个相对碱性的、温度略高和氧化还原电位(Oxidation-reduction potential, ORP)较低的微环境,有利于NH_3~--N和NO_3~--N的同步微生物转化;对不同HRT条件下E-HFCWs对氮磷去除电耗结果分析表明:去除单位总氮最低电耗为0.026 kW·h/g (HRT=4h),去除单位PO_4~(3-)-P电耗最低为0.112kW·h/g(HRT=2h); 16S rDNA结果表明,E-HFCWs基质表面生物膜的细菌主要属于β-proteobacteria,与对照组(Horizontal subsurface-flow constructed wetland system, HFCWs)相比,电解导致其门和属类数量相对减少,但是其中的Hydrogenophaga属的细菌和Xanthomonadaceae科的细菌含量有所增加,它们分别是以氢和亚铁离子作为电子供体的自养反硝化微生物,在电解-人工湿地脱氮过程中发挥作用。电解-生物质炭水平潜流人工湿地(Electrolysis-integrated biochar horizontal subsurface-flow constructed wetland system, E-B-HFCWs)以生物质炭作为湿地基质,同时添加铁电极构成电化学反应体系,不仅在较低的电耗条件下具有较高的脱氮除磷效果,而且实现了生物质炭的原位电化学改性,提高了生物质炭对NO_3~--N的吸附能力,而且出水中铁离子含量较低,出水色度大大降低。E-B-HFCWs对COD也具有一定的去除效果。对湿地植物生长和生理生化指标的结果分析表明电解对湿地植物生长影响较小。B-HFCWs基质生物膜主要以Proteobacteria、Actinobacteria、Acidobacteria门细菌为主。光伏电解人工湿地将电解引入人工湿地处理过程中,同时以光伏太阳能作为电解反应的能源,该湿地处理污水处理厂尾水的年运行结果表明,光伏电解人工湿地有利于降低电解反应所需电耗;以吸附材料生物质炭作为湿地基质有利于污染物的原位浓缩;湿地植物的根区微环境有利于牺牲阳极法对PO_4~(3-)-P的絮凝沉淀作用和湿地基质表面微生物的生长;光伏电解人工湿地较传统人工湿地强化了高浓度NO_3~--N和低浓度PO_4~(3-)-P的同步去除,有利于污水处理厂尾水的深度净化,具有良好的应用前景。


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