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水耕植物过滤法净水系统底泥硝化反硝化潜力
作者:管理员    发布于:2015-09-29 14:05:57    文字:【】【】【

  水耕植物过滤法净水系统底泥硝化反硝化潜力李先宁1吕锡武宋海亮1西村修2稻森悠平3(1.东南大学环境工程系,南京210096;2.日本东北大学,仙台;3.日本国立环境研究所,筑波)硝酸菌和硝酸菌密度,定量研究了该系统底泥的硝化及反硝化潜力沿水流方向的变化规律。结果表明,中游底泥硝化潜力大,为47砍106g/(g°h);上游底泥反硝化潜力大,为8. 107g/(g°h);底泥中亚硝酸菌的密度分布与硝化潜力的分布一致。结果还表明,提高HBFM系统氮去除能力的关键在于改变硝化反硝化区域分布,从而提高系统的反硝化能力。

  利用人工湿地技术处理生活污水及工业废水的研究开展比较早,但应用于富营养化水体的研究较少。水耕植物过滤法13首先通过选择茎秆或根系发达的水生植物高效地将水中的悬浮性污染物、藻类等过滤去除,然后由微生物对形成的污泥堆积物(底泥)中的有机物和氮磷类营养元素、藻类及藻毒素进行生物降解去除,同时利用植物去除水中及底泥中的部分氮磷类营养元素,并通过定期清除积泥将大部分有机物及营养物移出水体形成了一个由水生植物、水生动物及微生物构成的高效生态净化系统,实现了物理过滤和生物处理的有机结合,具有处理能力大、效率高的特点。同时它还可以生产出具有很高经济的水生蔬菜,并可以通过生物堆肥发酵技术将高有机物含量的底泥转化成高效有机肥,以达到资源的可循环利用。

  笔者曾对水耕植物过滤法去除有机物及氮磷类营养元素进行了比较深入地研究,但对于在整个净化系统中占有重要地位的微生物脱氮能力即硝化、中底泥的硝化及反硝化潜力进行了定量化研究,评价其在系统内部的变化规律,探索进一步强化脱氮能力的方向。

  1材料与方法1.1试验装置水耕植物过滤法试验装置由轻型发泡材料覆盖塑料薄膜加热成型制作而成。其长、宽、高为15.0mX.25m,坡度1前部设进水口,后部设集水渠。为充分利用水生植物形成的致密立体网状根系的过滤作用并方便底泥的清除,装置内不填充填料,水流方式为水平流。试验床共设2条,A试验床密植可越冬多年生水生蔬菜西洋菜(Nasturtium f/icina/e),B试验床为不种植水生植物的空床对照系。试验装置如所示。

  反硝化能力I基金项目:国家“十五”重大科技专项(2002AA601011-03)江苏省自然科学基金(BK2004075):李先宁(1964),男,江苏南京人,博士,副教授,主要从境本研究开始时,系统中积累的底泥厚约6cm,泥水界面以上水深约为5cm.水耕植物过滤法处理系统示意1.2运行条件试验原水取自一小型湖泊,其水质条件如表1所示,由于湖泊容量较小,水质经常受到入湖河流的影响,变化较大。

  原水以连续进水方式由设在湖区水体内的潜水泵提升后,流经试验床处理。运行参数为:进水流量45m3/d,水量表面负荷3m3/(m2°d),水力停留时间约15min.试验在27月份进行,此期间植物长势良好。

  表1试验原水水质/mg°L1 1.3样品米集试验装置稳定运行6个月后,在7月份对A试验床沿水流方向在距进水口及14m(c点)分上、中、下游3点采集底泥。为了更准确地反映底泥实际情况,取样时首先停止进水并将试验床中余水放空,用取泥器插入试验床底部取出20cmX20cm底泥,底泥厚度约6cm,在米样时做到尽量保持底泥原有结构。

  1.4硝化及反硝化潜力的测定(1)硝化潜力的测定将采泥后的取泥器底部封闭,准确加入3000mL由去离子水及NH4Cl配置的NH-N浓度约为4mg/L反应液,泥水界面以上水深约5cm,基本与A试验床实际水深一致。试验开始时在保证底泥不被搅动的情况下,采用微小曝气头进行充氧,控制DO值在6mg/L左右,基本与实测试验床水中DO值吻合。试验在20°C恒温箱中度。在试验期间为防止由于碱度消耗而造成对硝化反应的影响,通过监测pH值并添加NaOH浓溶液的方法将pH值维持在75的水平上,NaOH浓溶液总添加量小于2mL.(2)反硝化潜力的测定将采泥后的取泥器底部封闭,准确加入2995mL去离子水后,首先用纯N2曝气,实测DO到0后再加入5mLNaNO3溶液,轻轻搅拌使水中的NO3"-N浓度达到约4mg/L,然后将液体石蜡倾倒于水面形成约5mm的液体石蜡膜隔离外界空气,同时监测水中DO浓度,保证在试验期间DO为0.试验在20C恒温箱中进行,定时取水样测定NO-N及NO7-N浓度。

  1.5硝酸菌与亚硝酸菌的测定将取泥器中的底泥取出一小部分,加入少量灭菌生理盐水后,用超声波处理30s将吸附在底泥颗粒上的细菌剥离。硝酸菌与亚硝酸菌的测定使用抗体法(硝化细菌测定试剂盒,日本产,YAKULUTO制),即将上述经超声波处理后的混合液加入硝化细菌测定试剂进行测定。此结果反映硝化反硝化潜力测定试验开始时底泥中的硝酸菌与亚硝酸菌的密度。

  2结果与分析2.1去除效果在1.2节的运行条件下,水耕植物过滤法的TN去除率在1. TN去除速率(单位面积在单位时间内的去除量)在1. 01gAm2°d)。在处理低营养物浓度湖泊水的条件下与其他人工湿地法如芦苇人工湿地相比平均TN去除率基本相同。但其他人工湿地的TN去除速率大多在0.3gAm2°d)以下,水耕植物过滤法的去除速率是它们的35倍,具有显著的处理效率高的特点。同时,其他人工湿地法水量表面负荷一般设定在0.5m3/)以下,大不超过1m3/(m2°d),而水耕植物过滤法水量表面负荷设定在3mV(m2°d),比其他人工湿地法高310倍,在这样高的流量负荷条件下水耕植物过滤法具有很高的氮去除效果及能力,表明其特别适合于湖泊及河流等需进行高效大流量处理的情况。

  流方向的浓度变化。在总体上看TN及NH-N浓度沿水流方向逐渐减少,而NOx-N浓度却逐渐上升。由于影响水中氮浓度变化的除硝化反硝化作用NOx-N浓度随时间的变化(硝化)被氧化成亚硝酸氮及硝酸氮,亚硝化细菌的营养供给条件不良。

  从另一个角度看,亚硝酸菌的密度比硝酸菌的密度高一个数量级,但在a点、b点及c点的试验中,试验结束与开始时的NOT-N浓度变化均小于0.02mg/L,没有明显的NOI-N积蓄,说明硝酸菌虽然密度小但活性较高,基本能满足将亚硝酸氧化为硝酸的要求,也证明了在整个硝化过程中亚硝酸氮的生成是限制步骤,提高水耕植物过滤法的硝化能力的关键在于提高亚硝酸菌密度、增强亚硝酸菌的活性。此结论与中潜流型人工湿地生活污水处理系统得到的结果不一致,在生活污水处理系统中硝酸氮的生成是限制步骤,这是由于在生活污水处理系统中氨氮浓度较高,一般在30mg/L40mg/L左右,形成的高浓度游离氨抑制了硝酸菌的活熟酿处理富营养化水体时氨氮浓度很低,试NH+-N的浓度变化外,植物吸收及底泥向水中的溶出等也有一定的影响,虽然现在对它们之间的关系还无法进行的定量分析,但NOx-N浓度的逐渐上升表明在滤床中硝化作用肯定高于反硝化作用。

  2.2硝化潜力的变化分别表示了上游a点,中游b点,下游c点3个取样点的底泥硝化潜力测定试验中NOx-N(NOI-N+NO3T-N)浓度随时间的变化。由可见,加入氨氮后经硝化反应NOx-N浓度迅速升高并基本呈直线型,可近似为零级反应,这与湿地的有关间变化量得出a、b、c这3点的硝化潜力分别为3.82X10―6gAg 10―6gAg°h)和2.68X10―6gAg°h),中游底泥的硝化潜力高,其次为上游,中游则比下游高约1.8倍。通过实测底泥中亚硝酸菌及硝酸菌的密度,可以看到a点、b点及c点的硝酸菌密度均为1.1X104cells/g没有变化,但亚硝酸菌的密度分别为度与硝化潜力的分布一致,表明在水耕植物过滤法试验床中硝化速率主要受亚硝酸菌密度的影响。

  中游底泥硝化潜力高以及亚硝酸菌密度高的原因与底泥形成及性状、有机物分解、氨化及硝化过程有关。在试验床上游大量新鲜的有机物颗粒首先在这里被过滤沉积,因此在上游主要发生的是有机物分解反应,增殖速度比硝化细菌大得多的有机物分解细菌为优势菌群。而到了中游,由于上游大量有机物分解增加了氨氮的供给,为亚硝化细菌提供了良好的营养条件在下游则由于大部分氨氮在中游己2期环境科学验原水中游离氨浓度低于1mg/L,对硝酸菌及亚硝酸菌都不存在抑制作用。即处理原水性质的不同导致了硝化过程的限制步骤不同,所以在对处理系统的硝化机能进行强化时应根据原水水质条件的不同来确定需要提高活性的目标细菌。

  2.3反硝化潜力的变化分别表示了a点、b点、c点底泥反硝化试的分解消耗了大量的氧,经实测距底泥表面数cm处DO已达到0,深层底泥性状也明显具有厌氧特征,满足反硝化所需的缺氧条件。

  同时,从对各取样点底泥进行的有机物释放试验可以看到(见)在同一时间,上游a点释放有机物指标TOC浓度明显高于中游b点及下游c点,并呈上升趋势,表明上游底泥有机物含量高于中、下游。因此在上游无论是在缺氧条件还是在有机物的供给条件上都优于中、下游,具备反硝化所需的良好条件,使上游底泥具有较高的反硝化潜力。而在中、下游由于有机物的分解,底泥中易被反硝化细菌利用的有机物含量降低,同时由于有机物分解速度降低导致的氧消耗速率下降,对维持缺氧条件不利,造成反硝化细菌生长不利及活性降低而使反硝化潜力降低。

  b点NOx-N浓度随时间的变化(反硝化)验中加入NOT-N后其浓度随时间的变化。随着反硝化进程,NOx-N浓度呈直线型减少,与硝化反应一样可近似为零级反应。计算各点的反硝化潜力得出上游3点为8.1父1078/(。11),中游匕点为4.91078/(。11),下游。点为4.8父1078/(。11),上游a点反硝化潜力大,中游b点及下游c点基本相同。底泥的成分构成不同是产生试验床上游反硝化潜力大于中、下游的重要原因。缺氧条件及作为电子受体的有机物浓度是影响反硝化潜力的主要因活a点□b点Ac点abc点溶出液中TOC浓度随时间的变化综合水耕植物过滤法滤床中硝化和反硝化潜力的变化规律,可以看到由于硝化能力大的区域在滤床中游,在流程上滞后于反硝化能力大的上游,这样的分布对除氮具有明显的不合理性,使得在滤床中游大量的氨氮被转化为亚硝酸或硝酸盐后由于下游反硝化能力不足,造成滤床除氮能力下降。同时从整体上看,反硝化潜力为107数量级而硝化潜力为106数量级,反硝化潜力小于硝化潜力一个数量级,这也是造成如所示的NOx-N浓度逐渐上升的重要原因,进一步提高水耕植物过滤法氮去除能力的关键在于提高系统的反硝化能力及改变硝化反硝化区域分布。因此,针对滤床下游反硝化潜力较小的特点,在工程设计时可通过在下游适当布水,提供反硝化所需的有机物,提高下游的反硝化速率以增强系统整体除氮能力;同时减轻上游有机物负荷而子在上游由于水中有机物首先在娜隹积,有机物提高了硝化能九使硝化反硝化功能分区趋于合理。

  环境科学26卷2期环境科学3结论(1)在水耕植物过滤法滤床中,上、中、下游的硝化潜力分别为3.82X10一6gAg°h)、4.76X10一6g/(°h)和2.68X106g/(g°h),中游底泥的硝化潜力高,其次为上游,中游比小的下游高约1.8倍。亚硝酸菌的密度分布与硝化潜力分布一致。

  (3)水耕植物过滤法滤床中硝化和反硝化区域的分布对除氮具有明显的不合理性。进一步提高水耕植物过滤法氮去除能力的关键在于提高系统的反硝化能力。

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