平原河網(wǎng)受污染原水生物膜預(yù)處理工藝技術(shù)研究.pdf

1、太湖流域平原河網(wǎng)素有“魚(yú)米之鄉(xiāng)、絲綢之府”美譽(yù)，近年來(lái)隨著城鎮(zhèn)化快速發(fā)展和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)規(guī)?；s化水平提升，環(huán)境水體污染問(wèn)題日益突出，水源水質(zhì)達(dá)標(biāo)率低，飲用水安全形勢(shì)嚴(yán)峻。20世紀(jì)90年代以來(lái)，太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)自來(lái)水廠逐漸在傳統(tǒng)混凝-沉淀-消毒工藝前增設(shè)生物膜預(yù)處理單元，可明顯改善水質(zhì)降低后續(xù)處理負(fù)荷，但目前仍存在功能微生物增殖慢持留難、脫氮性能差、微量有機(jī)物去除能力有限及低溫處理效果差等突出問(wèn)題。為此，論文在解析杭嘉湖平原河網(wǎng)典型水源

2、污染特征基礎(chǔ)上，開(kāi)展了原水生物膜預(yù)處理工藝啟動(dòng)、原水脫氮除碳以及農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素去除以及強(qiáng)化同步脫氮與農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素去除的新工藝研究，主要內(nèi)容如下:
　　 1、為明晰杭嘉湖平原河網(wǎng)水源污染特征，系統(tǒng)調(diào)查了杭嘉湖平原河網(wǎng)典型水源有機(jī)物、氮磷等常規(guī)指標(biāo)污染特征，應(yīng)用SPE-GC/MS技術(shù)開(kāi)發(fā)了多種農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素同步分析方法，開(kāi)展了農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素污染現(xiàn)狀、時(shí)空分布特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究。結(jié)果表明杭嘉湖平原河網(wǎng)水源以有機(jī)物、氮素污

3、染為主，其質(zhì)量濃度范圍分別為7.4～17.5mg L-1(CODMn)和1.6～8.4 mg L-1(TN)，均不能達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。其中，運(yùn)河水系主要超標(biāo)因子為CODMn、NH4+-N和TN;苕溪水系河道型水源TN超標(biāo)嚴(yán)重（以NO3--N為主），水庫(kù)型水源TN（以NO3--N為主）和TP超標(biāo)。各水源地有機(jī)物和氮素污染隨季節(jié)變化明顯，整體表現(xiàn)為冬春季節(jié)TN水平較高，而有機(jī)物污染夏秋季節(jié)較重

4、。
　　 應(yīng)用SPE-GC/MS技術(shù)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)了7大類(lèi)21種典型農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素同步檢測(cè)方法（4種有機(jī)氯類(lèi)、4種有機(jī)磷類(lèi)、6種擬蟲(chóng)菊酯類(lèi)、2種酰胺類(lèi)、2種苯胺類(lèi)、2種氨基酸甲脂類(lèi)、1種含氮雜環(huán)類(lèi)），分析發(fā)現(xiàn)各水源地均存在農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素污染，目標(biāo)污染物總和濃度為37.9～2948.9 ng L-1，主要污染物為三氯殺螨醇、氯氰菊酯、毒死蜱、氰戊菊酯和2，4-滴。聚類(lèi)分析表明不同時(shí)期不同地區(qū)水源農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素污染差異大小為:不同水系＞季

5、節(jié)變化＞相同水系不同支流，其中苕溪水系污染水平總體低于運(yùn)河水系;夏秋季節(jié)農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素水平高于冬春季節(jié)（與有機(jī)物污染季節(jié)變化規(guī)律一致）。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，各水源地農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素健康風(fēng)險(xiǎn)水平在可接受范圍，但其引起的高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。因此，杭嘉湖平原河網(wǎng)水源有機(jī)物、氮素與農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素等多種污染物強(qiáng)化去除工藝亟待研發(fā)。
　　 2、針對(duì)微污染環(huán)境功能微生物增長(zhǎng)慢、掛膜周期長(zhǎng)、處理效果不佳等問(wèn)題，開(kāi)展了生物膜預(yù)處理快速啟動(dòng)方式研究。從

6、生物膜載體、接種方式、進(jìn)水負(fù)荷等角度優(yōu)化，構(gòu)建了冬春季節(jié)不同載體和不同運(yùn)行條件的生物膜預(yù)處理反應(yīng)器，兩月后各反應(yīng)器均獲得良好的NH4+-N和CODMn去除性能，平均去除率范圍分別為84.4％-94.2％和69.7％-76.6％。其中彈性填料反應(yīng)器NH4+-N和CODMn去除性能明顯高于AquaMats(@)生態(tài)基反應(yīng)器;分析掛膜前后生物膜內(nèi)總細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，彈性填料均于掛膜兩周左右即富集到較穩(wěn)定的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，快于AquaMats(@

7、)載體。其中彈性填料富集生物膜優(yōu)勢(shì)菌以Pseudomonas、Sphaerotilus和Janthinobacterium為主，尤以有機(jī)物好氧降解菌Janthinobacterium較多，從而可獲得較高的有機(jī)物去除性能;AquaMats(@)富集生物膜優(yōu)勢(shì)菌除以上三種菌外，還含有Corynebacterium aurimucosum等優(yōu)勢(shì)菌，好氧菌Janthinobacterium相對(duì)較少，推測(cè)與AquaMats(@)內(nèi)含大量微孔結(jié)構(gòu)有

8、關(guān)。
　　 應(yīng)用彈性填料結(jié)合悶曝排泥、流量遞增啟動(dòng)方式可有效縮短系統(tǒng)氨氧化緩滯期，NH4+-N去除率提前一周達(dá)到50％以上，穩(wěn)定時(shí)期NH4+-N(94.2％)和CODMn(76.6％)獲得高效去除。生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)分析表明悶曝排泥掛膜結(jié)合流量遞增的掛膜方式可減少異養(yǎng)細(xì)菌多樣性，彈性填料反應(yīng)器用此啟動(dòng)方式可于掛膜兩周左右即獲得穩(wěn)定的氨氧化菌群結(jié)構(gòu)，表明異養(yǎng)細(xì)菌多樣性減少有利于快速富集到穩(wěn)定的氨氧化菌群落結(jié)構(gòu)，從而提前獲得較高N

9、H4+-N去除性能。測(cè)序結(jié)果顯示生物膜成熟時(shí)氨氧化菌優(yōu)勢(shì)菌為Nitrosomonas和Nitrosospira。因此，以彈性填料為生物膜載體，結(jié)合悶曝排泥接種方式和流量遞增進(jìn)水模式，可快速富集到穩(wěn)定的微生物群落結(jié)構(gòu)，有效縮短氨氧化緩滯期，加快生物膜預(yù)處理單元快速穩(wěn)定啟動(dòng)，并能獲得高效氨氮和有機(jī)物去除性能。
　　 3、針對(duì)杭嘉湖平原河網(wǎng)水源有機(jī)物、氮素污染重且地區(qū)差異大等問(wèn)題，開(kāi)展了適于不同水質(zhì)特征的原水強(qiáng)化脫氮除碳生物膜預(yù)處理工

10、藝技術(shù)研發(fā)。針對(duì)較高C/N比原水水質(zhì)，以提高生物系統(tǒng)內(nèi)碳源有效利用率為目的，研究分段配水對(duì)生物膜預(yù)處理系統(tǒng)脫氮除碳性能與微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)以1∶1流量分段配水后系統(tǒng)TN平均去除率可從29.5％±2.2％增至35.0％±2.7％，平均碳源有效利用率從0.199(mgmg-1)增至0.211(mg mg-1);微生物群落結(jié)構(gòu)分析表明分段配水后反應(yīng)器中后段填料生物膜菌群多樣性明顯提高，Hyphomicrobium、Pseudomo

11、nas、Pantoea等與氮素、有機(jī)物去除有關(guān)的功能菌得到富集，揭示了采用多點(diǎn)配水策略可一定程度上強(qiáng)化生物膜預(yù)處理過(guò)程碳源有效利用率和脫氮微生物富集。
　　 針對(duì)以氮素污染為主、低C/N比原水水質(zhì)，開(kāi)展了進(jìn)水C/N比、HRT聯(lián)合優(yōu)化的原水強(qiáng)化脫氮除碳工藝研究。結(jié)果表明，系統(tǒng)脫氮氮性能與進(jìn)水C/N比呈正相關(guān)，當(dāng)C/N比大于3.7時(shí)出水NO3-N濃度低于1.0 mg L-1，微生物群落分析表明細(xì)菌多樣性隨著C/N比增加而有所提升。基

12、于TOC和UV254的消毒副產(chǎn)物模型預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)三鹵甲烷產(chǎn)生量隨進(jìn)水C/N比增加亦呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。為同步控制出水有機(jī)物和氮素濃度，優(yōu)選2.2為進(jìn)水C/N比。以此為基礎(chǔ)，調(diào)控HRT至18h，可獲得最高碳源有效利用率和脫氮效率，出水NO3--N(0.88±0.03 mg L-1)和TOC濃度(2.86±0.67 mg L-1)均在較低水平，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)。
　　 4、針對(duì)杭嘉湖平原河網(wǎng)水源地農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境

13、激素污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高、生物去除研究缺乏等問(wèn)題，開(kāi)展了生物膜預(yù)處理工藝基質(zhì)種類(lèi)（氨氮、硝氮及有機(jī)物）、溶解氧水平等對(duì)微量農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素去除影響，探討生物預(yù)處理脫氮與微量農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素去除相關(guān)性。以氯氰菊酯、毒死蜱為代表性農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素，進(jìn)水濃度為微量水平(≈1μL-1)。
　　 研究不同基質(zhì)種類(lèi)對(duì)農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素去除性能影響發(fā)現(xiàn)，好氧硝化階段提高氨氮濃度，其增加的氨氮氧化量對(duì)微量氯氰菊酯、毒死蜱去除影響不顯著，但外加碳源后氯氰菊酯和毒

14、死蜱去除率分別從80.0±2.7％和68.4±0.8％上升到85.0±0.3％和75.1±3.9％，推測(cè)好氧條件微量農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素去除主要靠異養(yǎng)菌去除而非氨氧化自養(yǎng)菌;缺氧反硝化階段提高硝氮濃度亦不能顯著提升氯氰菊酯和毒死蜱去除率，但投加外碳源后反硝化完全，且氯氰菊酯和毒死蜱去除率分別從65.0±1.3％和32.9±5.7％增至77.9±1.6％和46.9±8.0％，可實(shí)現(xiàn)同步強(qiáng)化脫氮與農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素去除，原因在于外碳源投加可同步增強(qiáng)脫

15、氮與農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素去除功能菌富集，如Methylovorus、Hyphomicrobium、Thauera、Paracoccus等。因此，好氧條件農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素去除性能顯著高于缺氧條件(P＜0.05)，為同時(shí)獲得脫氮與農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素高效去除，建議生物膜預(yù)處理在提高有機(jī)物基質(zhì)水平基礎(chǔ)上采用好氧、缺氧組合工藝。
　　 5、基于前期研究結(jié)果，利用植物生物質(zhì)作為固體碳源，開(kāi)展了植物生物質(zhì)投加強(qiáng)化脫氮與農(nóng)藥類(lèi)環(huán)境激素同步去除工藝技術(shù)研究。

16、以蘆葦為代表性植物生物質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)其分解過(guò)程營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)前期一周釋放迅速后期逐漸下降，有機(jī)物釋放速度快于氮素，其中氮元素主要為氨態(tài)氮形式。應(yīng)用蘆葦營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放特征，研究生物膜預(yù)處理系統(tǒng)快速啟動(dòng)技術(shù)。結(jié)合悶曝排泥法，分別投加蘆葦0.4kg/m3和1.2kg/m3，發(fā)現(xiàn)兩組反應(yīng)器均于10d左右即可獲得90％以上NH4+-N去除率;投加蘆葦1.2kg/m3的反應(yīng)器TN去除率亦于10d獲得穩(wěn)定高效去除（67.0±3.7％），而投加蘆葦0.4kg/m

17、3蘆葦反應(yīng)器延遲一周左右獲得TN穩(wěn)定去除（65.4±5.5％）;運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)兩組反應(yīng)器出水TOC濃度均維持在較低水平(≈2.0mgL-1)。結(jié)果表明蘆葦投加1.2kg/m3僅需10d即可啟動(dòng)A/O/A生物膜工藝，同時(shí)獲得較好脫氮除碳效果。連續(xù)運(yùn)行反應(yīng)器4個(gè)月，系統(tǒng)TOC、NH4+-N去除性能無(wú)顯著變化，系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行，TN去除在系統(tǒng)運(yùn)行后期出現(xiàn)一定幅度下降。將反應(yīng)器蘆葦和彈性填料分開(kāi)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)單種載體系統(tǒng)NH4+-N和TN去除率分別為36

18、.3±6.1％、56.5±2.0％（僅含蘆葦）和82.9±1.5％、40.3±7.3％（僅含彈性填料），表明蘆葦載體富集的生物膜反硝化性能優(yōu)于硝化性能，彈性填料富集的生物膜硝化性能優(yōu)于反硝化性能，兩種載體組合可獲得高效硝化和反硝化效果。
　　 研究蘆葦二次投加強(qiáng)化生物膜預(yù)處理工藝性能表明，通過(guò)二次投加蘆葦2.4kg/m3（每天20g逐次投加），以均勻分布方式（UD）和非均勻分布方(NUD)式布設(shè)。蘆葦二次投加后總氮可穩(wěn)定維持75