基于高单质硫产率的同步脱氮除硫工艺性能研究

摘要

高浓度含硫含氮废水的无序排放会对生态安全及人类健康造成严重威胁,因此寻找这类废水的绿色高效治理技术已成为近年来环境保护甚为关注的重点。同步脱氮除硫工艺能够有效去除废水中的硫化物及硝酸盐,同时获得可回收资源单质硫,实现以废治废和资源回收,一举两得。但实现同步脱氮除硫工艺的高单质硫产率,准确定量该工艺的单质硫产量,以及剖析该工艺中的单质硫特性,仍有待研究。因此,本研究通过对比化学型和生物型同步脱氮除硫工艺性能差异,判断同步脱氮除硫过程中生物反应产生的单质硫所占比例;考察基质浓度和基质比例对同步脱氮除硫工艺中基质去除性能、出水产物转化规律和单质硫产率的影响,并采用高通量测序技术分析系统中微生物群落特征和关键功能微生物种群;研究同步脱氮除硫工艺中出水和污泥单质硫特性,解析系统中单质硫的形态特征,分布规律以及化学特性,为同步脱氮除硫工艺中单质硫分离回收提供参考。主要结论如下:1)对比化学型和生物型同步脱氮除硫工艺性能,探明了微生物在同步脱氮除硫工艺产单质硫方面的作用。在所试浓度范围(60～300 mg S/L)内,当水力停留时间为24h时,化学型同步脱氮除硫工艺不具备去除硝酸盐功能,硫化物去除率仅为21.53～25.83%。硫素氧化产物主要为硫代硫酸盐,产率为10.13～12.55%;其次为单质硫,产率为2.59～7.49%;硫酸盐产率最低,为1.08～3.77%。在生物型同步脱氮除硫工艺中,硝酸盐和硫化物的去除率分别为74.93～95.43%和90.67～96.88%。主要氮素产物为氮气,产率为82～105.67%。硫氧化产物主要为硫酸盐,产率为45.18～75.36%;其次为单质硫,产率为19.21～48.32%;硫代硫酸盐产率最低,仅为0.0～16.29%。生物反应对于硝酸盐还原、硫化物氧化和产单质硫的贡献率分别为74.93～95.42%,64.12～75.35%和14.48～29.99%。2)揭示了基质浓度对同步脱氮除硫工艺性能和微生物群落特征的影响。在所试浓度范围(120～720 mg S/L)内,当水力停留时间为20 h时,综合考虑基质去除性能及出水产物转化,同步脱氮除硫工艺进水硫化物和硝酸盐最佳浓度为480 mg S/L和84 mg N/L,硫化物和硝酸盐的去除率可分别高达95.93%和95.49%。当进水硫化物浓度为360～600 mg S/L,主要产物为单质硫和氮气,最高产率可达78.5%和115.3%。根据Pearson相关性分析和主成分分析结果,提高进水基质浓度有利于反应终产物由硫酸盐向单质硫转化(p<0.05),且出水单质硫产量随着基质浓度的上升而上升,占总单质硫产量的76.64～88.32%。通过高通量测序分别从门和属分类水平对微生物群落进行分析,相对丰度较高的是Campilobacterota(ε-变形菌门,相对丰度高于80.26%)和Sulfurovum(硫卵菌属,相对丰度高于79.46%)。3)揭示了基质比例对同步脱氮除硫工艺性能和微生物群落特征的影响。在所试基质比例范围(S/N=5:2、5:1.5和5:1)内,当水力停留时间为20 h时,综合考虑基质去除性能及高单质硫转化性能,同步脱氮除硫工艺的最佳基质比例为5:2。在低基质浓度(进水硫化物浓度为120～240 mg S/L)时,不同基质比例时同步脱氮除硫工艺中仅硫酸盐产量存在显著性差异(p<0.05);在高基质浓度(进水硫化物浓度为480～720 mg S/L)时,不同基质比例时同步脱氮除硫工艺的氮素去除性能(出水硝酸盐浓度,亚硝酸盐产量和氮气产量)和硫素去除性能(出水硫化物浓度,总单质产量)均存在显著性差异(p<0.05)。并通过高通量测序分别从门和属分类水平对微生物群落进行分析,相对丰度较高的是Campilobacterota(ε-变形菌门,相对丰度高于79.83%)和Sulfurovum(硫卵菌属,相对丰度高于79%)。4)探明了同步脱氮除硫工艺产生的单质硫特性。该工艺产生的单质硫多为表面并不光滑的球状颗粒或不规则形状,出水中单质硫主要元素组成为S(53.32%)、C(25.52%)、O(5.05%),泥相单质硫主要组成元素为S(41.79%)、C(28.52%)、O(7.94%);主要存在形式为环状S8晶体(斜方硫)。出水单质硫颗粒粒径呈正态分布。当进水硫化物浓度为120～480 mg S/L时,单质硫颗粒平均粒径为23.18～28.8μm;而当进水硫化物浓度升至720 mg S/L时,单质硫颗粒平均粒径则降至7.52μm。在所试浓度范围内,出水平均Zeta电位范围为-15.7 m V～-18.92 m V,表明生物单质硫颗粒带负电荷。

目录

第一章 绪论

1.1 含氮含硫废水来源与危害

1.2 废水脱氮除硫工艺

1.2.1 脱氮工艺

1.2.2 脱硫工艺

1.2.3 同步脱氮除硫工艺

1.3 单质硫特性及回收

1.4 研究目的及意义

第二章 同步脱氮处理工艺产单质硫基础研究

2.1 前言

2.2 材料与方法

2.2.1 模拟废水

2.2.2 接种污泥及驯化

2.2.3 试验装置及方法

2.2.4 分析方法

2.3 结果

2.3.1 化学型同步脱氮除硫工艺运行性能

2.3.2 生物型同步脱氮除硫工艺运行性能

2.4 讨论

2.5 小结

第三章 基质浓度对同步脱氮除硫工艺性能的影响

3.1 前言

3.2 材料与方法

3.2.1 模拟废水

3.2.2 接种污泥

3.2.3 试验装置及方法

3.2.4 分析方法

3.3 结果

3.3.1 基质浓度对基质去除性能的影响

3.3.2 基质浓度对氮素产物类型的影响

3.3.3 基质浓度对硫素产物类型的影响

3.3.4 基质浓度对单质硫分布的影响

3.3.5 基质浓度对微生物群落特征的影响

3.4 讨论

3.5 小结

第四章 基质比例对同步脱氮除硫工艺性能的影响

4.1 前言

4.2 材料与方法

4.2.1 模拟废水

4.2.2 接种污泥

4.2.3 试验装置及方法

4.2.4 分析方法

4.3 结果

4.3.1 基质比例对基质去除性能的影响

4.3.2 基质比例对氮素产物类型的影响

4.3.3 基质比例对硫素产物类型的影响

4.3.4 基质比例对单质硫分布的影响

4.3.5 基质比例对微生物群落特征的影响

4.4 讨论

4.5 小结

第五章 同步脱氮除硫工艺中单质硫特性研究

5.1 前言

5.2 材料与方法

5.2.1 XRD检测

5.2.2 SEM及 EDS检测

5.2.3 颗粒粒度分析

5.2.4 Zeta电位分析

5.3 结果与讨论

5.3.1 存在形式

5.3.2 表观形貌

5.3.3 粒径分布

5.3.4 Zeta电位

5.4 小结

第六章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 不足与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及其他成果

致谢