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文檔簡介
1、隨著我國城鎮(zhèn)化快速推進(jìn),現(xiàn)代農(nóng)業(yè)規(guī)?;s化不斷提升,水環(huán)境污染問題日益突出,嚴(yán)重影響飲用水的安全。鑒于混凝沉淀、過濾消毒等常規(guī)飲水處理工藝在高有機(jī)物高氨氮原水處理中性能受限制,生物膜預(yù)處理技術(shù)逐漸得到廣泛應(yīng)用。論文以我國東部河網(wǎng)地區(qū)高有機(jī)物高氨氮污染原水為處理對象,針對寡營養(yǎng)生境生物膜富集難、工藝啟動周期長和運(yùn)行性能差等問題,開展污染原水生物膜預(yù)處理工藝快速啟動與運(yùn)行性能強(qiáng)化研究,應(yīng)用模型解析、高通量測序等手段,揭示預(yù)處理工藝的性能強(qiáng)
2、化機(jī)制,并在中試尺度上開展了技術(shù)應(yīng)用與性能提升研究,主要結(jié)果如下:
1、針對寡營養(yǎng)條件下微生物生長速率低、生物膜富集慢等問題,研究營養(yǎng)添加、菌源強(qiáng)化和水力攪拌等方式對生物膜預(yù)處理工藝啟動性能的影響。結(jié)果表明,營養(yǎng)添加可明顯促進(jìn)生物膜形成,提高系統(tǒng)的氨氧化速率(AOR)和TOC去除速率(ORR),且AOR和ORR與初始氨氮、TOC濃度分別呈指數(shù)關(guān)系(AOR=0.4558e0.0450x,R2=0.9999)和正相關(guān)(ORR=0.
3、3255x-1.016,R2=0.9995),試驗(yàn)范圍內(nèi)體系最高AOR和ORR分別達(dá)到6.43和28.50mg L-1 d-1。研究發(fā)現(xiàn)低溫條件下AOR和ORR受到不同程度抑制,通過水力攪拌可明顯增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行性能。
分析不同強(qiáng)化措施下的生物膜群落結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),通過營養(yǎng)水平強(qiáng)化、接種河道底泥和接種生物膜預(yù)處理工藝出水的措施可提高生物膜群落多樣性,Shannon多樣性指數(shù)H分別為3.15、3.31和2.87,分別是對照組的1.44、1
4、.51和1.31倍。然而,盡管營養(yǎng)添加和接種底泥可強(qiáng)化生物膜富集,但提高了生物膜對基質(zhì)的表觀親和力常數(shù)Ks值,而接種底泥易導(dǎo)致出水UV254升高和生物膜有機(jī)組成下降。相比而言,縮短換水周期能夠提高系統(tǒng)營養(yǎng)通量,有效強(qiáng)化生物膜預(yù)處理系統(tǒng)的啟動與運(yùn)行性能。
2、以實(shí)際污染原水為處理對象,彈性填料、組合填料、聚氨酯填料為生物膜載體,應(yīng)用低水平營養(yǎng)添加與出水回流策略啟動生物膜預(yù)處理工藝,研究工藝連續(xù)流運(yùn)行穩(wěn)定性及生物膜富集特征。結(jié)果表
5、明,低水平營養(yǎng)添加與出水回流的啟動策略使得負(fù)載不同填料的生物膜系統(tǒng)在20d內(nèi)成功啟動。彈性填料、組合填料、聚氨酯填料反應(yīng)器的氨氮去除率分別為84.0±7.5%、80.1±11.1%和79.6±10.7%,TOC去除率分別為8.8±5.4%、18.1±8.4%和4.4±5.5%;相比而言,負(fù)載彈性填料的生物膜系統(tǒng)具有較高的氨氮去除性能,而組合填料對TOC去除性能最佳。然而,低營養(yǎng)強(qiáng)化啟動仍存在Ks增高、生物膜脫落等問題,但可通過負(fù)荷調(diào)節(jié)及
6、長期寡營養(yǎng)馴化進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)彈性填料系統(tǒng)ALR大于臨界ALR值6.29 mg L-1 d-1時,AOR受Ks影響不大,長期的馴化可有效降低其Ks值并增加生物量、ATP和EPS值,實(shí)現(xiàn)工藝長期穩(wěn)定運(yùn)行。
鑒于硅藻土的高效多孔吸附特性,研發(fā)了硅藻土強(qiáng)化生物膜預(yù)處理新工藝(Bio-diatomite biofilm process,BDBP)。新工藝采用低水平營養(yǎng)添加與出水回流完成啟動后,AOR和ORR分別為9.33和5.13 mg
7、L-1 d-1,連續(xù)流運(yùn)行過程中TOC、氨氮和TN去除速率分別為7.87、14.1和1.93 mg L-1 d-1,明顯高于對照反應(yīng)器。研究還發(fā)現(xiàn),硅藻土的投加可降低消毒副產(chǎn)物的生成,系統(tǒng)潛在THMs去除率增加6.3%。生物膜鏡檢與組分分析發(fā)現(xiàn),填料表面大量硅藻土與生物膜交錯富集,生物量高達(dá)3.75 mg DOC g-1載體,是對照組的1.44倍,同時生物膜ATP含量也高達(dá)251.6μg g-1 TOC,表明硅藻土的投加有利于微生物富集
8、及其活性增強(qiáng)。
3、針對原水生物膜預(yù)處理工藝長期運(yùn)行過程藻類易生長、脫氮性能待提升等問題,開展藻類影響與控制以及工藝性能強(qiáng)化研究。結(jié)果表明,預(yù)掛膜填料生物膜系統(tǒng)出水NH4+-N平均濃度穩(wěn)定在0.30 mg L-1左右,NO2--N累積現(xiàn)象得到明顯抑制。在原水處理過程中,系統(tǒng)葉綠素含量累計超過200 mg m-3,當(dāng)藻類破碎時出水NH4+-N是進(jìn)水0.78-4.33倍且有明顯的亞硝酸鹽積累。采取人工除藻和遮光曝氣等措施,系統(tǒng)藻類
9、生長和富集得到有效控制,出水氨氮濃度均低于0.5mgL-1,且無任何亞硝酸鹽積累。
研究曝氣強(qiáng)度及溫度對生物膜預(yù)處理工藝運(yùn)行性能的影響發(fā)現(xiàn),預(yù)處理工藝硝化反應(yīng)的最佳DO濃度和溫度分別為1.0-2.6 mg L-1和21-22℃。在此工況下,最大NH4+-N去除率從70.0%提高到91.1%,DOC的平均去除率達(dá)到25.4±19.9%,UV254從前期幾乎無去除提升到了13.2±11.3%,而潛在THMs生產(chǎn)量減少了9.2-21
10、.8%。
4、基于前期小試研究成果,在海寧第二水廠建設(shè)了兩組規(guī)模為3.6m3的中試裝置,開展生物膜預(yù)處理工藝性能強(qiáng)化研究。結(jié)果表明,采用彈性填料-懸浮球填料-彈性填料組合的工藝在不曝氣-曝氣-不曝氣分區(qū)供氣模式下獲得最優(yōu)性能,氨氮、CODMn和濁度的平均去除率分別為89.4±9.9%、32.4±9.2%和76.7±7.9%,明顯高于相同曝氣模式下全懸浮球填料反應(yīng)器的對應(yīng)值88.7±9.9%、26.1±11.1%和17.2±12
11、.6%。與此同時系統(tǒng)對TN的去除性能得到強(qiáng)化,減少了超過50%的供氣能耗和曝氣裝置建設(shè)成本并可減少47.0%-76.7%的濁度去除所需的混凝劑用量,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。分析表明底泥營養(yǎng)釋放、進(jìn)水懸浮物微生物富集作用以及DO分布導(dǎo)致的功能分區(qū)是系統(tǒng)運(yùn)行性能提高的關(guān)鍵。
5、應(yīng)用Illumina MiSeq高通量測序技術(shù)分析小試、中試和全規(guī)模原水生物膜預(yù)處理系統(tǒng)的生物膜菌群結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律,結(jié)果表明原水生物膜預(yù)處理工藝生物膜的菌群結(jié)
12、構(gòu)受運(yùn)行時間、載體、基質(zhì)和DO等多種運(yùn)行因素的影響,反應(yīng)器啟動初期生物膜菌群多樣性指數(shù)較低,但無論小試、中試還是全規(guī)模預(yù)處理系統(tǒng)載體生物膜都含有主要菌群Proteobacteria、Bacteroidetes、Planctomycetes、Firmicutes、Actinobacteria、Verrucomicrob ia、Acidobacteria和Gemmatimonadetes,其中Proteobacteria基本上占優(yōu)勢。有機(jī)物
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