高效脱氮菌强化人工湿地处理村镇生活污水工艺研究

【摘要】：目前我国村镇环境污染形势严峻,村镇生活污水的治理迫在眉睫。人工湿地利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化,具有投资少、运行管理简单、美化环境等优点,在我国经济实力薄弱的村镇具有广阔的应用前景。人工湿地系统中,微生物是吸收和降解污染物的主要生物群体和承担者。微生物强化技术通过投加筛选自湿地土壤的高效反硝化细菌或菌群,以增加人工湿地中脱氮细菌或菌群的数量,强化微生物对村镇生活污水中污染物的去除作用,是实现污水达标排放的有效手段。该技术在人工湿地中的成功应用,可以有效的节约水资源,实现村镇生活用水的循环利用,对于推进新农村建设和环境资源的可持续发展具有重大的战略意义。 本文以实验室小型人工湿地和中试人工湿地现场为研究对象,同时开展了微生物强化人工湿地的试验。在实验室试验中,利用已获得的六株高效脱氮菌株为菌种,构建了四种不同菌群,重点考察了不同浓度下的各菌群对氮素的去除效率,对比确定了用以微生物强化人工湿地的最优菌群的接种浓度；评价了所构建实验室小型人工湿地系统的去污效果,进行了微生物强化实验室小型人工湿地处理模拟废水的工艺研究。在中试现场试验中,对所构建的中试湿地系统进行了两年的通水运行,考察了该系统对实际生活污水的去除效果,评价了该系统的去污能力；同时选取了高效脱氮菌株,以实际生活污水为研究对象,通过强化构建的中试人工湿地,保证出水主要污染物CODcr、NH3-N、TP达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准要求,同时考察达标时系统的水力停留时间HRT。取得的主要研究结论如下： (1)6株细菌对污水中的氮具有良好的去除效果,均可作为强化人工湿地的优势菌株。6株菌的反硝化作用完全,反硝化过程中无温室气体产生,具有良好的环境效益。6株菌组合的脱氮菌群均具有高效的脱氮效率,其中1%浓度的F4(LZ-4、LZ-14、XP1、XP2、CL-1、CL-3)混合菌群,效率最高,在第144h时对N完全去除。选取F4组合进行强化人工湿地,进一步节约工艺成本。 (2)所构建的实验室小型人工湿地(Constructed wetlands microcosm, CWM)具有较好的水质净化效果。然而,当HRT为5天、10天、15天时,受污染河水(River water, RW)经人工湿地处理后的出水CODcr、NH3-N、TN、TP浓度并未满足国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类标准,平均去除率分别42%-60.3%,35%-45%,23.7%-33.2%,13%-25%。在对生活污水(Domestic Wastewater, DW)的处理试验中,人工湿地出水CODcr、NH3-N、TN、TP也未能达到GB18918-2002一级B标准要求,平均去除率分别61%-68.7%,37.5%-66.7%,27.4%-45.5%和50%～63.7%。 (3)微生物强化技术在所构建的实验室小型人工湿地系统(CWM)中得到了成功的应用。强化组湿地(Biol, Abiol)的出水CODcr、NH3-N、TN、TP的去除效果与对照组(Bio2,Bio3, Abiol, Abio2)相比,得到明显改善。其中在利用6株高效脱氮菌构成的微生物菌群处理RW的试验中,出水CODcr、 NH3-N、TN、TP浓度满足国家GB3838-2002Ⅲ类标准所需的HRT为7天,去除率分别为75.7%,96.8%,96.7%和90.4%。在处理DW的试验中,CODcr、NH3-N、 TN、TP达到GB18918-2002一级B标准要求时的HRT分别为4天,7天,7天,去除率分别为85.7%,88.6%,75%和88%。在此强化试验中,不同污染物在人工湿地中的降解特征不同。一级动力学模型较好的模拟生物强化CMWs系统中COD、TN及TP的降解规律。强化CMWs处理RW的COD、TN、TP的体积去除速率常数分别为0.138d-1、0.173d-1、0.173d-1。强化CMWs处理DW的COD、TN、TP的体积去除速率常数分别为0.23d-1、0.138d-1、0.173d-1。 (4)人工湿地系统以山东建筑大学中水处理站为依托构建,处理工艺以中水处理站二级出水为研究对象,湿地进水水质符合典型生活污水的水质特征。湿地现场进水的总氮浓度相对较高,主要以NH3-N为主,属于高氮生活污水,而COD波动较大,尤其随季节变化较大,总磷的浓度相对偏低。湿地出水主要污染物COD、NH3-N、TP不能或稳定达到GB18918-2002一级B标准的各项指标。 (5)利用反硝化细菌Paneibacillus sp. XP1强化中试人工湿地处理实际生活污水工艺,效果显著。秋季作物收割后,Paenibacillus sp. XP1菌株对香蒲湿地的强化作用,比强化芦苇湿地要明显。CCW-XP1试验组(XP1菌株强化香蒲湿地)COD的最大去除率为73%,NH3-N的最大去除率为94%,TN的最大去除率为78%。HRT4天时,NH3-N出水浓度达到GB18918-2002一级B标准,与对照组相比,HRT时间缩短了至少15天。 夏秋季,Paenibacillus sp. XP1菌株对芦苇湿地的强化试验显示,夏季RCW-XP1试验组(XP1菌株强化芦苇湿地),在HRT4天时,COD的去除率为76.2%,TP去除率为73%,TN去除率为63.8%,达到GB18918-2002一级B标准(CODcr≤60mg/L; TP0.5mg/L); HRT7天时,NH3-N去除率为90%,达到GB18918-2002排放一级B标准(NH3-N≤8mg/L)。秋季RCW-XP1试验组出水水质达标的时间及各污染物去除效率为：HRT4天,COD的去除率为69.5%,TP去除率为73%,TN去除率为55.6%；HRT7天,NH3-N去除率为96.2%。夏季强化人工湿地处理生活污水后,COD、TN、TP的体积去除速率常数分别为0.173d-1、0.23d-1、0.34d-1。、秋季强化后的COD、TN的体积去除速率常数分别为0.34d-1、0.23d-1,TP的降解受外界因素影响,未符合一级动力学模型。 (6)人工湿地单元处理费用比传统生物处理方式,成本降低。传统污水处理厂处理的生活污水,出水达到回用标准时,处理费用约为1元／吨。而采用分散式的人工湿地处理村镇生活污水,其动力费用每吨水平均不足0.01元。高效脱氮菌强化人工湿地工艺的总处理费用约为0.23～0.29元／吨,仅为污水处理厂的1/4-1/5左右。 【关键词】：人工湿地 反硝化细菌 生物强化 反硝化作用 污水处理
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X799.3
【目录】：

• 目录4-8
• Contents8-12
• 摘要12-15
• Abstract15-19
• 符号说明19-20
• 第一章 绪论20-39
• 1.1 村镇污水的排放及处理21-26
• 1.1.1 村镇污水排放特征21
• 1.1.2 村镇污水排放的危害21-23
• 1.1.3 国外村镇污水处理状况23-25
• 1.1.4 我国村镇污水处理状况25-26
• 1.2 人工湿地技术26-32
• 1.2.1 人工湿地的分类27-29
• 1.2.2 人工湿地去除污染物机理29-30
• 1.2.3 人工湿地技术在村镇生活污水处理中的应用30-31
• 1.2.4 存在的问题31-32
• 1.3 高效脱氮菌强化技术在人工湿地中的应用32-37
• 1.3.1 高效脱氮菌强化技术简介32-33
• 1.3.2 高效脱氮菌强化技术的可行性分析33-35
• 1.3.3 高效脱氮菌强化技术在人工湿地中的应用35-37
• 1.4 研究目的与内容37-39
• 1.4.1 研究目的37-38
• 1.4.2 研究内容38-39
• 第二章 高效脱氮菌株的选择39-53
• 2.1 材料和方法39-43
• 2.1.1 试验材料39-41
• 2.1.2 方法41-43
• 2.2 六株细菌的形态特征及脱氮特性43-47
• 2.2.1 XP1菌株43-44
• 2.2.2 XP2菌株44-45
• 2.2.3 LZ-4菌株45
• 2.2.4 LZ-14菌株45-46
• 2.2.5 CL-1菌株46
• 2.2.6 CL-3菌株46-47
• 2.3 六株细菌的种属特性47-49
• 2.4 六株细菌的反硝化气体产物分析49-52
• 2.5 小结52-53
• 第三章 高效脱氮菌群的构建53-62
• 3.1 材料和方法53-55
• 3.1.1 试验材料53-54
• 3.1.2 方法54-55
• 3.2 高效脱氮菌群选取及构建理由55-56
• 3.3 高效脱氮菌群的脱氮特性考察56-61
• 3.3.1 DM培养液接种混合菌群后的表观变化56-57
• 3.3.2 不同浓度F1菌液对硝酸盐氮的去除情况57-58
• 3.3.3 不同浓度F2菌液对硝酸盐氮的去除情况58-59
• 3.3.4 不同浓度F3菌液对硝酸盐氮的去除情况59
• 3.3.5 不同浓度F4菌液对硝酸盐氮的去除情况59-60
• 3.3.6 不同混合菌群及单菌株脱氮效率的比较60-61
• 3.4 小结61-62
• 第四章 高效脱氮菌群强化实验室小型人工湿地脱氮效果62-87
• 4.1 材料和方法62-67
• 4.1.1 试验装置62-64
• 4.1.2 试验设计64-67
• 4.2 CWM系统运行效果试验67-71
• 4.2.1 COD的去除67-68
• 4.2.2 NH_3-N的去除68
• 4.2.3 TN的去除68-69
• 4.2.4 TP的去除69-71
• 4.3 菌群强化CWM系统处理人工配制受污染河水、生活污水试验71-82
• 4.3.1 pH值的变化71-73
• 4.3.2 CODcr的变化73-74
• 4.3.3 TP的去除74-76
• 4.3.4 氨氮、硝酸盐氮、总氮的去除76-81
• 4.3.5 高效脱氮菌群F4强化CWM与其他研究的比较81-82
• 4.4 高效菌群强化人工湿地的污染物降解特征82-85
• 4.4.1 生物强化CMWs处理RW的污染物降解82-84
• 4.4.2 生物强化CMWs处理DW的污染物降解84-85
• 4.5 小结85-87
• 第五章 高效脱氮菌强化人工湿地处理村镇生活污水工艺87-121
• 5.1 材料和方法87-91
• 5.1.1 中试现场87-88
• 5.1.2 菌种培养88
• 5.1.3 试验设计88-91
• 5.2 高效脱氮菌XP1强化人工湿地现场处理村镇生活污水91-114
• 5.2.1 不同水力负荷条件下各湿地对污水的处理效果91-93
• 5.2.2 人工湿地中试现场长期运行效果93-98
• 5.2.3 湿地系统不同深度的处理效果试验98-99
• 5.2.4 收割以后,XP1强化香蒲、芦苇人工湿地99-109
• 5.2.5 夏季秋季,XP1强化芦苇人工湿地109-113
• 5.2.6 本研究与类似研究的比较分析113-114
• 5.3 高效菌株强化人工湿地的机理探讨114-120
• 5.3.1 高效菌株强化人工湿地脱氮除磷的机理探讨114-117
• 5.3.2 高效菌株强化人工湿地的污染物迁移转化117-120
• 5.4 小结120-121
• 第六章 使用价值和应用前景121-126
• 6.1 使用价值121-124
• 6.1.1 经济效益分析121-123
• 6.1.2 社会效益分析123
• 6.1.3 环境效益分析123-124
• 6.2 应用前景124-126
• 第七章 结论及展望126-130
• 7.1 结论126-128
• 7.2 创新之处128
• 7.3 研究展望128-130
• 参考文献130-144
• 致谢144-145
• 攻读学位期间发表的学术论文145-146
• 攻读学位期间所获专利146-147
• 攻读学位期间参与项目147-148
• 攻读学位期间所获奖励148-149
• 附录：发表文章及专利149-189
• 学位论文评阅及答辩情况表189

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