硫自养结合BAF系统同时硝化反硝化和除磷性能及机理研究

作     者：李瑶峰 

作者单位：天津城建大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭建博;顾锡慧;李海波

授予年度：2020年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：曝气生物滤池 自养反硝化 动力学模型 电子传递系统 群体感应 

摘      要：二沉尾水过量排放是造成自然水体富营养化的主要原因之一,严重的危害到社会经济的发展和人类的健康。因此,国家制定了更为严格的地表水排放标准来控制水体富营养化的发生(TN2 mg/L,TP0.2 mg/L,GB3838-2002)。为了高效地去除二沉尾水中的氮、磷污染物,本课题采用硫自养工艺结合BAF系统,通过填料性质的优化、填装方式的改进、DO浓度和HRT的调控逐步实现NH-N、NO-N和PO-P同时高效的去除,并通过Fe的介导、EPS的分泌和种间交流过程深入探讨硫自养反硝化过程的影响机理。(1)硫磺和黄铁矿结合作为复合填料的R3和R4在DO=1.2-1.5 mg/L和HRT=8-12 h的条件下实现了同时硝化自养反硝化和除磷过程,相应的TN和PO-P出水浓度分低于2 mg/L和0.2 mg/L;黄铁矿在煅烧后(R5)通过增大SSA和PD提高了微生物的富集量并改善脱氮除磷性能;而硫磺和煅烧后黄铁矿混合作为复合填料的R7在DO浓度为1.2-2.5 mg/L和HRT为6-12 h的条件下实现了氮、磷的高效去除,扩大了硫自养工艺的适用范围;同时,R7还降低了H和SO的产生,出水pH值维持在6以上,且SO浓度低于250 mg/L的国家排放限值。(2)为了深入讨论电子供体的种类、DO浓度和HRT的变化对硫自养工艺脱氮除磷性能的影响,反应器的TN和PO-P去除过程分别通过不同的动力学模型进行拟合。SAD过程(R1)的反应级数(一级)明显高于R2的PAD过(零级),表明硫磺的供电子能力明显高于黄铁矿。而黄铁矿煅烧后(R5)的TN去除过程符合半级动力学模型,提高了黄铁矿的供电子能力。而硫磺和煅烧后的黄铁矿混合填装的R7的TN去除过程符合一级动力学模型,其供电子能力也被进一步提高。不仅如此,R7的PO-P去除过程也符合一级动力学模型,反应级数高于R2-R4所符合的半级动力学模型,除磷性能同样被提高。当DO浓度和HRT分别被控制在1.2-1.5 mg/L和8 h时,R7的脱氮除磷反应速率常数最大,脱氮除磷效率最高。(3)反应过程中Fe、EPS和信号分子产生与氮、磷的去除性能密切相关。同时,Fe、EPS和信号分子通过介导电子传递系统、生物膜的特性和种间交流过程同样是影响污染物去除性能的关键。Fe提高反应过程的ETSA并降低EIS,加速电子传递速率并提高脱氮效率。同时,Fe还可以刺激细菌分泌更多的EPS和信号分子。而EPS的产生不仅有助于生物膜的形成与结构的稳定,还可以加速电子传递效率,提高污染物的去除性能。信号分子的产生则有助于增强AHL-QS过程,调控细菌的密度从而间接的影响污染物的去除。因此,Fe的介导、EPS的产生和种间交流过程相互影响,相互促进,是硫自养反硝化过程的重要调控机制。(4)细菌群落变化表明在DO=1.2-1.5 mg/L和HRT=8 h时(阶段IX),Ferritrophicum、Thiobacillus、Simplicispira、Nitrosomonas、Nitrospira等主要菌属被富集。同时,硝化菌和硫自养反硝化菌交流过程所分泌的C-HSL、C-HSL、C-HSL和C-HSL的量也明显增加,增强了AHL-QS调控作用并加速硝化菌和硫自养反硝化菌的同时富集,这是实现NH-N和NO-N同时去除的重要保证。综上所述,本课题的构建的硫自养工艺结合BAF系统通过填料性质的优化、填装方式的改进、DO浓度和HRT的调控实现NH-N、NO-N和PO-P的同时高效去除。并通过对Fe的介导、EPS的产生和种间交流机制的深入分析完善了硫自养反硝化过程的理论机理,并对高效处理二沉尾水提供了一个行之有效的方法。