硫酸盐干扰下滨海低碳水体的生物电化学脱氮技术研究与应用

	硫酸盐干扰下滨海低碳水体的生物电化学脱氮技术研究与应用
	唐琪
学位类型	博士
导师	盛彦清
	2022-05-12
培养单位	中国科学院烟台海岸带研究所
学位授予单位	中国科学院大学
学位授予地点	中国科学院烟台海岸带研究所
学位名称	工学博士
学位专业	环境工程
关键词	硝酸盐
摘要	由于农业含氮面源污染输入、潜在工业废水及生活污水排放等人为活动，滨海水体与近岸海域氮过剩已成为全球性问题，也是我国突出的水环境问题之一，亟待开展相关治理技术研究。滨海水体氮过剩主要表现为总氮含量较高，而其中硝酸盐可占总氮的90%以上。鉴于近年来对滨海地表水及市政污水处理厂尾水等水体COD、BOD等“碳源型”污染指标的有效控制，目前该类水体往往具有硝酸盐含量高、有机碳含量低且伴随较高浓度硫酸盐的特点，导致传统的活性污泥法水处理工艺很难运行，且“外加碳源”伴生的高昂成本也进一步制约了脱氮效能。由于生物电化学反应器的阴极具有产生清洁电子供体的优点，故可通过构建三维电极生物膜反应器（3D-BERs），实现在硫酸盐干扰下滨海低碳水体总氮（硝酸盐）的有效去除。本研究基于实验室理论技术研究，成功构建三维电极生物膜高效脱氮装置（D-3DBER），并实现了1 m3/d规模污水处理厂尾水深度脱氮的稳定运行。主要研究内容和结果如下：（1）三维电极生物膜反应器对低碳水体中硝酸盐和硫酸盐的去除：以石墨棒为阳极、不锈钢网为阴极、果壳颗粒活性炭为颗粒电极设计升流式三维电极生物膜反应器（3D-BER）用于去除低碳水体中的硝酸盐和硫酸盐，探究进水硫酸盐浓度、外加电流和水力停留时间（HRT）对3D-BER中硝酸盐和硫酸盐去除的影响，结合功能菌群的分布推断硝酸盐和硫酸盐的去除过程。结果显示，NO3--N去除率随进水SO42-浓度的增加而降低，且电流过高（> 240 mA）和HRT过短（< 18 h）会降低3D-BER中NO3--N和SO42-的去除率；当进水SO42-浓度为150 mg/L、外加电流为240 mA、HRT为18 h时，NO3--N和SO42-的去除率分别达88.49 ± 4.50 %和29.35 ± 5.50 %；高通量测序显示反硝化菌主要分布在反应器下部，而硫酸盐还原菌主要分布在反应器上部；根据相关实验结果推测，3D-BER中硝酸盐还原集中发生在反应器下部而硫酸盐还原过程主要在上部进行，硫酸盐的还原产物可被氧化作为反硝化的补充电子供体存在于反应器中；实验过程中存在阳极石墨棒的腐蚀剥离现象。（2）阳极材料对硫酸盐存在下电化学还原硝酸盐的影响：针对石墨棒阳极存在易腐蚀剥离的问题进行阳极材料的优化选择，选用并对比TA1钛棒（3D-ER）、亚氧化钛涂层TA1钛棒（3D-ER-T）和亚氧化钛涂层石墨棒（3D-ER-G）作阳极时三维电极反应器电化学还原硝酸盐和硫酸盐的能力，根据不同电流下3个反应器对硝酸盐和硫酸盐的去除性能及阳极材料的耐久性，从中确定适合后续生物电化学实验的阳极材料。结果显示，3D-ER-T在外加160-320 mA电流下表现出稳定高效的NO3--N去除能力（46%-95%），3D-ER和3D-ER-G在高电流（320 mA）下具有较高的NO3--N去除率（> 88%），钛基阳极反应器中SO42-去除率更高（~ 48%）；当外加电流为240 mA、HRT为12 h时，3D-ER、3D-ER-T和3D-ER-G中NO3--N去除率分别为0、59.76 ± 8.28%和80.97 ± 16.01%，SO42-去除率分别为5.95 ± 4.35%、3.04 ± 1.87%和2.46 ± 2.15%；NO3--N和SO42-的浓度变化并未在3D-ER-T中呈现出明显的高度分层现象；亚氧化钛涂层能够有效减缓阳极基体材料的腐蚀，选择亚氧化钛涂层TA1钛棒和涂层石墨棒作为后续生物电化学实验的阳极材料。（3）阳极材料对硫酸盐存在下生物电化学去除硝酸盐的影响：以上一章节选取的亚氧化钛涂层TA1钛棒（3D-BER-T）和亚氧化钛涂层石墨棒（3D-BER-G）作为3D-BERs的阳极材料，对比探究2个反应器的微生物群落结构特征及不同电流和HRT下去除硝酸盐和硫酸盐的性能，考察进水溶解氧（DO）对3D-BER-T运行性能的影响并分析3D-BER-T中硝酸盐和硫酸盐的去除机制。结果表明，相同条件下3D-BER-T中NO3--N和SO42-去除率及去除速率、氮气的选择性更高；当外加电流为320 mA、HRT为12 h时，3D-BER-T中NO3--N、SO42-去除率和氮气的选择性分别为91.61 ± 0.42%、43.12 ± 2.57%和85.69 ± 0.49%，3D-BER-T对DO呈现良好的适应性；阳极材料的选择会影响3D-BERs中微生物群落结构和多样性，嗜氢菌属（Hydrogenophaga）、脱硫杆菌属（Dethiobacter）、醋酸杆菌属（Acetobacterium）和陶厄式菌属（Thauera）为3D-BER-T的优势菌属，而3D-BER-G的优势菌属主要包括OPB41、硫磺单胞菌属（Sulfurospirillum）、嗜氢菌属（Hydrogenophaga）和固氮弧菌属（Azoarcus）；在3D-BER-T中电化学还原、生物电化学还原协同钛基阳极的间接电化学还原作用下，硝酸盐和硫酸盐得到有效去除，硫循环下的电子供体储备/再供给模式能够提高3D-BER-T的抗冲击负荷能力；与亚氧化钛涂层石墨棒相比，亚氧化钛涂层TA1钛棒的耐久性更好。（4）三维电极生物膜反应器用于污水处理厂尾水深度脱氮的效能分析：为验证实验室研究的3D-BERs的实际应用效果，选择硝酸盐和硫酸盐去除率及阳极耐久性更高的3D-BER-T于滨海地区代表性污水处理厂进行放大应用，构建处理量为1 m3/d的D-3DBER（直径0.7 m，高度1.65 m）用于污水处理厂尾水的深度脱氮，设计优化反应器结构，考察其在不同电流下的脱氮效果与能耗，并分析不同高度的出水水质和微生物群落结构。结果发现，以活性炭和轻质陶粒（体积比1：1）作颗粒电极，外加5 A电流时，D-3DBER对进水中NO3--N的去除率为78.99 ± 4.10%，氮气的选择性为83.48 ± 4.20%，能耗为1.20 ± 0.13 kWh/m3；进水中硝酸盐在0-47.5 cm高度内迅速降低，而硫酸盐在47.5 cm处才开始明显下降，均在75 cm处降至最低，表明D-3DBER中硝酸盐还原的发生优先于硫酸盐还原；实验过程会选择性富集变形菌门（Proteobacteria）和弯曲杆菌门（Campilobacterota），而D-3DBER在75 cm处的微生物群落与其他高度的群落组成呈现明显差异，其中硫氧化单胞菌属（Sulfurimonas，20.96%）、兼性硫氧化菌（Sulfuricurvum，5.32%）、陶厄式菌属（Thauera，4.40%）和Denitratisoma（3.87%）为主要优势菌属，相较于其他高度，75 cm处具有反硝化功能的菌属相对丰度最大，反硝化菌在反应器下部的相对丰度更高。
页数	164
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/30527
专题	中国科学院烟台海岸带研究所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	唐琪. 硫酸盐干扰下滨海低碳水体的生物电化学脱氮技术研究与应用[D]. 中国科学院烟台海岸带研究所. 中国科学院大学,2022.

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硫酸盐干扰下滨海低碳水体的生物电化学脱氮（5073KB）	学位论文		限制开放	CC BY-NC-SA	请求全文