三维生物膜电极反应器去除地下水中硝酸盐研究

摘要

三维生物膜电极反应器是一种新型水处理技术，它的优点是硝酸盐去除率高、效果稳定且容易控制。由于不同的反应器结构对硝酸盐去除效果及能耗具有很大影响，目前不同的资料中所采用的反应器结构也各不相同，本研究在资料分析及课题组前期研究的基础上，构建了新型的反应器结构。研究了反应器分别在单独电化学和氢自养型反硝化菌的生物作用下，对水中硝酸盐的去除效果及影响因素。并通过氢自养菌接种及培养进行了三维生物膜电极反应器的启动，对启动成熟的反应器研究了硝酸盐的去除效果及影响因素，得到的主要结论如下:
　　(1)三维生物膜电极反应器在只有电化学作用的条件下，阴极对水中的硝酸盐具有一定的去除作用，但是去除率较低，试验显示最大去除率约为13％；
　　(2)氢自养菌的反硝化实验得出，去除水中的硝酸盐需要满足一定的供氢量，随着供氢量/硝酸盐氮（质量比）α的增大，硝酸盐的去除率迅速上升，当α等于9.84时，硝酸盐去除率可达到97％，即氢自养型三维生物膜电极反应器中阴极产氢量与进水硝酸盐氮的质量比最低应满足9.84;另外，通过供氢方式实验发现，氢气的分散度增大有利于硝硝酸盐及亚硝酸盐的还原分解，降低亚硝酸盐的积累，这个结果表明以电化学阴极产生的极微细的氢气对氢自养菌的反硝化作用具有促进作用。
　　(3)反应器启动分为挂膜阶段和驯化阶段，挂膜阶段持续15d后，颗粒电极和阴极表面附着有一层可见的薄生物膜;驯化阶段通过五个阶段的参数控制，建立了稳定的生物膜阴极，出水硝硝酸盐浓度可以稳定在4mg/L，去除率达到89％，出水亚硝酸盐浓度稳定在1.2mg/L，出水氨氮浓度稳定在2.5mg/L。
　　(4)对启动完成的三维生物膜反应器，当电流强度为40mA时硝酸盐去除率达到89％，出水亚硝氮浓度为1.43mg/L，而出水氨氮浓度为1.90mg/L。
　　(5)进水pH对硝酸盐去除有一定的影响，当pH增至6.86的过程中，硝氮去除率增大，最大到达83％，随后硝酸盐去除率呈下降趋势;随着进水pH的增加，出水亚硝酸盐浓度先降低，后增增加，拐点pH值为6.86，出水氨氮浓度则先小幅度上升，随后降低，拐点pH为8.5;
　　(6)水力停留时间HRT＜10h时，硝酸盐去除率随着水力停留时间的增大而上升，呈线性关系;水力停留时间＞10h时，去除率基本不变，甚至略有降低;HRT为10.17h时，硝酸盐去除率最大为90％。随着水力停留时间增大，出水亚硝酸盐浓度降低，出水氨氮浓度则小幅度上升，变化范围为0.90-1.33 mg/L.

目录

声明

摘要

第1章 概述

1．1 地下水中硝酸盐去除的必要性

1．1．1 水资源短缺

1．1．2 地下水中硝酸盐污染严重

1．1．3 地下水中硝酸盐污染危害

1．2 地下水中硝酸盐的去除方法

1．2．1 化学还原法

1．2．2 物化法

1．2．3 生物反硝化法

1．3 三维生物膜电极反应器脱氮

1．3．1 三维生物膜电极反应器的脱氮原理

1．3．2 三维生物膜电极反应器的研究进展

1．3．3 三维生物膜电极反应器存在的问题

1．4 研究目的、意义及内容

1．4．1 研究目的及意义

1．4．2 研究内容

1．4．3 技术路线

第二章 反应器的构建及试验方法

2．1 三维生物膜电极反应器的构建

2．1．1 反应器结构设计

2．1．2 电极及颗粒电极材料

2．1．3 反应器系统组成

2．2 实验方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 分析方法

第三章 生物膜电极反应器中电化学及微生物作用研究

3．1 电化学脱氮作用研究

3．1．1 电化学脱氮原理

3．1．2 纯电化学脱氨的影响因素

3．2 氢自养型菌脱氮效果研究

3．2．1 氢自养菌脱氮的影响因素

3．3 本章小结

第4章 三维生物膜电极反应器的启动

4．1 反硝化细菌的培养

4．1．1 反硝化细菌的来源及预处理

4．1．2 反硝化细菌的生长曲线

4．1．3 反硝化细菌的传代培养

4．2 三维电极生物膜反应器的启动

4．2．1 三维生物膜电极反应器的接种培养

4．2．2 三维生物膜电极反应器启动过程

4．2．3 反应器启动完成后生物膜的形态

4．3 本章小结

第5章 三维生物膜电极反应器脱氮影响因素研究

5．1 进水硝酸盐浓度的影响

5．1．1 对NO3--N去除效果的影响

5．1．2 对NO2--N的影响

5．1．3 对氨氮产生的影响

5．2 电流强度的影响

5．2．1 电流强度对NO3--N去除的影响

5．2．2 电流强度对有效电流和电流效率的影响

5．2．3 电流强度对NO2--N积累的影响

5．2．4 电流强度对氨氮的影响

5．3 进水pH的影响

5．3．1 对NO3--N去除的影响

5．3．2 对NO2--N和氨氮的影响

5．4 水力停留时间的影响

5．4．1 对NO3--N去除的影响

5．4．2 对出水NO2--N和氨氮的影响

5．5 本章小结

第6章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢