基于黄水制备自由亚硝酸的污水管网硫化物控制方法研究

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污水管网因硫化物产生而导致的腐蚀恶臭问题给污水管网安全运行带来严峻挑战,依照国外经验,管网腐蚀恶臭问题的控制需要巨大人力和物力,目前以药剂投加控制为主的解决策略费用较为昂贵。为此,本研究出原位收集黄水制备自由亚硝酸(FNA)并投加到污水管网用于管道硫化物控制的方法。本研究通过收集黄水并用作实验室序批式反应器(SBR)的进水,反应器接种传统活性污泥,运行10天后产生浓度高达4.74mg HNO2/L的FNA产物,黄水的碱度不足是实现FNA积累的关键因素。通过反应器长期高低氧控制运行,结果表明低氧和高氧浓度皆可实现FNA累积。反应器长期运行后氨氧化菌(AOB)的Nitrosomonas菌种占比17.46%成为主要菌群而硝化菌(NOB)中Nitrospira菌种逐渐淘汰。实验结果说明,黄水可以实现稳定制备高浓度FNA。研究进一步搭建实验室重力管网模拟反应器来探究重力管网沉积物内硫化物的产生过程特征,结果表明由于固液界面传质限制,沉积相中S2-、COD、VFA浓度高于液相、而SO42-S则低于液相,沉积相内同时发生着水解发酵和产硫产甲烷等复杂生化反应。研究进一步探究沉积相中微生物群落组成,结果表明沉积相种产甲烷菌(MA)主要有Methansaeta(甲烷丝状菌属),Methanospirillum(甲烷螺菌属)和Methanobacterium(甲烷杆菌属)三类种群,而硫酸盐还原菌(SRB)主要有Desulfomicrobium(脱硫微菌属)和Desulfobulbus(脱硫叶菌属)两类种群。其中,SRB中Desulfobulbus(脱硫叶菌属)的比例在表层(0-0.5cm)最高,随着深度比例逐渐下降,而MA中Methanospirillum(甲烷螺菌属)种群在表层比例则相对较低。研究进一步考察FNA对重力管网硫化物的抑制影响,将浓度为3.43 mg HNO2-N/L的FNA溶液浸泡沉积物24h后,硫化物浓度从9.3±1.3mg S/L降为0.1±0.1 mg S/L,经过6.3天硫化物产生速率可恢复一半。FNA处理后表层微生物活性从从89%降至66%,随着深度增加活性不断高,FNA渗透极限为沉积物表层下1.2cm。试验表明黄水制备FNA可获得与化学药剂FNA相同的硫化物抑制效果,最后通过LCA的经济和环境效益分析,结果表明在20年内使用黄水制备的FNA比化学药剂FNA可节省71%的花费(未考虑源分离成本),并可减少63%的温室气体排放。该研究充分证明基于黄水制备FNA的污水管网硫化物控制策略是可行的,研究结果为污水管网的腐蚀恶臭控制供技术支持与指导。
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