電極強化人工濕地處理低碳氮比污水效果及機理研究.pdf

1、作為一種生態(tài)化的污水處理技術，人工濕地（ Constructed Wetlands，CWs）被證實能夠有效脫除污水中的氮和有機物等多種污染物。由于人工濕地中同時存在反硝化和硝化過程，其不但能夠有效脫除硝態(tài)氮，也能夠較好的脫除氨氮。而且人工濕地具有脫氮效率高、費用低、適用面廣以及對污染負荷變化適應力強等優(yōu)點。但是，低C/N進水會造成人工濕地后段基質(zhì)異養(yǎng)反硝化過程受阻，影響出水脫氮效果。而投加碳源改善反硝化的方法會導致出水有機物二次污染或脫

2、氮效果不徹底的問題，同時外加碳源的添加也會增加處理成本。我國南方城市生活污水多為低C/N污水。結(jié)合了電化學法和生物法的電極生物膜法是目前有效處理低C/N污水的工藝之一，由于其內(nèi)部產(chǎn)氫，利用自養(yǎng)反硝化菌不需要有機碳源等特點，在高效脫氮的同時具有安全、節(jié)約成本等優(yōu)點。但是，該方法主要對硝態(tài)氮有較好的處理效果，對氨氮等去除能力較差，且對高濃度硝態(tài)氮去除效果不佳。本研究針對以上問題將人工濕地與電極生物膜反應器耦合探究低C/N污水的處理效果。

3、r>　　采用復合和串聯(lián)兩種連接方式，將人工濕地和電極生物膜反應器結(jié)合構建復合電極人工濕地（Electrode Constructed Wetland，ECW）以及人工濕地串聯(lián)電極生物膜反應器（Constructed Wetland combined Biofilm-electrode Reactor，CWBER），使得二者優(yōu)勢互補，以期實現(xiàn)對低C/N污水的高效脫氮處理。通過C/N、進水總氮濃度、電流強度、HRT和pH五個因素對聯(lián)合體系處

4、理效果影響的研究，探究兩個體系的關鍵影響因子和優(yōu)化調(diào)控措施，以及最佳條件下的去除效果。并運用高通測序手段對兩個系統(tǒng)內(nèi)部的微生物多樣性進行測試分析，從而探究電極強化人工濕地處理低C/N污水的效果和機理。
　　研究結(jié)果表明：
　?。?）除pH外其它四種因素對ECW處理低C/N污水的效果均有顯著性影響。最佳運行條件為 C/N=0.75，進水總氮濃度=75mg/L， I=10mA和HRT=48h，此時，系統(tǒng)對硝態(tài)氮、氨氮、總氮和CO

5、D的去除率達到最高，分別為89.59％、39.6%、63.56%和87.01%。與單一CW相比，ECW的氮和有機物去除具有明顯的強化效果。
　　（2）對于CWBER，其處理低C/N污水的顯著性影響因素與ECW相同。體系的最適運行參數(shù)為C/N=1，進水總氮濃度=60mg/L，I=15mA和HRT=12h（人工濕地保持HRT=24h），此時硝態(tài)氮、氨氮、總氮和COD的去除率最高，分別為98.97%、30.36%、71.55%和88.9

6、1%。對比單一BER和單一CW，CWBER對二者脫氮、單一BER有機物去除有明顯加強作用，而對單一CW有機物去除則沒有明顯加強。
　?。?）就兩種聯(lián)合方式組成的體系而言，ECW中具有更強的硝化作用，而CWBER的反硝化能力則更強，對有機物的去除能力二者相差不大。就兩體系最佳運行參數(shù)而言，ECW較CWBER有更高進水氮負荷以及更低 C/N，且所需電流更低，但所需停留時間較長；而CWBER則需要更高電流以及更高進水C/N，而能承受進水

7、負荷更低，但它所需停留時間較短。
　　（4）利用高通量測序手段分別測試ECW和CWBER的陰極生物膜，并在最佳條件下運行后進行微生物多樣性的探究。采集的樣品均成功提取了DNA，進行了有效的PCR擴增，并獲得了足夠的測序深度。結(jié)果表明：對于微生物群落組成而言，在門分類水平中，兩個體系主要菌門為 Proteobacteria和 Bacteroidetes，而屬水平分類中， ECW中主要為 Thiobacillus和 Thauera以及

8、 Arenimonas和Rhodobacter、Flavobacterium，CWBER中則主要為Dechloromonas、Simplicispira和 Pseudoxanthomonas，并且Shinella、Thermomonas、Enterbacter、Bdellovibrio和Rhodobacter、Flavobacterium等在該體系中豐度也相對較高。這些菌種大部分都是重要的反硝化菌和具有降解有機物能力的菌，它們在脫除氮和

9、有機物的過程中起到了重要的作用。ECW和CWBER中大量富集的一些菌（如Arenimonas）在有關單一 BER微生物研究的文獻中不常見報道，而一些常見的菌（如Hydrogenophaga）在兩個體系中的含量均較低。這和本研究中BER和CW進行復合或串聯(lián)有關。
　?。?）通過對比兩個體系中菌群多樣性和豐度差異發(fā)現(xiàn)：微生物群落多樣性在ECW和CWBER中不存在顯著性差異，而微生物群落豐度在ECW中相對較高。
　　本研究構建EC