【摘 要】
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本文基于电极生物膜法和人工湿地技术的工艺特点,将生物电化学系统引入人工湿地,构建电解强化潜流人工湿地(E-CW),探求E-CW异/自养反硝化作用条件的优化控制,提高系统对含有高浓度硝酸盐氮、低碳氮比(C/N)废水的反硝化脱氮效果。研究不同电压强度、电极放置形式、不同C/N比及光能电势波动对反硝化脱氮和微生物群落结构特征的影响,并将其与传统潜流人工湿地运行性能进行对比。获得的主要研究结果如下:(1)
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本文基于电极生物膜法和人工湿地技术的工艺特点,将生物电化学系统引入人工湿地,构建电解强化潜流人工湿地(E-CW),探求E-CW异/自养反硝化作用条件的优化控制,提高系统对含有高浓度硝酸盐氮、低碳氮比(C/N)废水的反硝化脱氮效果。研究不同电压强度、电极放置形式、不同C/N比及光能电势波动对反硝化脱氮和微生物群落结构特征的影响,并将其与传统潜流人工湿地运行性能进行对比。获得的主要研究结果如下:(1)当进水不加碳源,系统水力停留时间(HRT)和外加电压分别为48 h和1.5V时,E-CW4出水的总氮和硝酸盐氮浓度最低,分别为(35.84±8.11)mg/L、(27.47±5.91)mg/L,亚硝酸盐氮积累量最低为(1.22±0.53)mg/L,但是电解措施对磷的去除没有明显影响,说明适宜电压能够强化湿地的反硝化脱氮性能。各湿地装置的填料样品中共发现14个优势菌门和30个优势菌目。变形菌门(Proteobacteria)是其中相对丰度最高(范围在22.46~38.62%),且在各湿地装置中均有分布,在CWs中数量较多,包含许多硝化和反硝化菌群,对氮素去除有重要作用。厚壁菌门(Firmicutes),Proteobacteria中的红杆菌目(Rhodobacterales)、鞘氨醇菌目(Chitinophagales),伯克氏菌目(Burkholderiales)和Saccharimonadales以及懒杆菌目(Ignavibacteriales)在E-CWs中较丰富,在反硝化进程中起重要作用。(2)碳氮比对人工湿地的运行效果的影响结果表明,补充适量有机碳可强化湿地的反硝化性能;相对于CWs,E-CWs的反硝化脱氮效率更高,产生的中间产物量更少。而TP的去除效果随碳氮比升高逐渐降低,但是变化并不显著。综合考虑湿地脱氮效果和中间产物量,当系统电压为1.5 V,HRT为48 h时,E-CW的最佳运行碳氮比是4:1,其中E-CW4的TN和NO3--N去除率最高分别为(62.49±8.80)%、(78.02±6.97)%。电解使水体p H升高,溶解氧(DO)和氧化还原电位(ORP)降低,说明E-CW形成一个相对碱性的缺氧环境,促进人工湿地脱氮除磷率。电极放置形式会影响E-CW脱氮,双阴极时E-CW的TN和NO3--N的去除率,分别为(72.56±3.63)%、(69.65±4.72)%远高于单阴极时的去除率,分别为(57.32±6.57)%、(58.35±7.40)%,但是对TP的去除影响不显著。所以双阴极的电极放置形式可以明显促进E-CW的脱氮效率。(3)从光伏电解强化人工湿地装置全年的运行检测结果看出,光伏电解强化人工湿地相较于传统人工湿地有更好的脱氮除磷效果,并且E-CW2(种植植物)的反硝化脱氮性能显著高于E-CW1(不种植物)。冬季时两湿地脱氮除磷率均最低,但是E-CW2仍有较好的氮素去除速率。电化学对TP没有显著影响,两湿地除磷率差异很小,季节变化趋势均为:春季>夏季>秋季>冬季。在湿地基质微生物样品中共发现10个优势菌门和19个优势菌目,Proteobacteria相对丰度最高,达到了(39.13±5.57)%,对污染物去除具有重要意义。E-CW2中的反硝化细菌数量和种类较多,与湿地的氮素去除结果相符合。
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