平原河网受污染原水生物膜预处理工艺技术研究

摘要

太湖流域平原河网素有“鱼米之乡、丝绸之府”美誉，近年来随着城镇化快速发展和现代农业规模化集约化水平提升，环境水体污染问题日益突出，水源水质达标率低，饮用水安全形势严峻。20世纪90年代以来，太湖流域平原河网地区自来水厂逐渐在传统混凝-沉淀-消毒工艺前增设生物膜预处理单元，可明显改善水质降低后续处理负荷，但目前仍存在功能微生物增殖慢持留难、脱氮性能差、微量有机物去除能力有限及低温处理效果差等突出问题。为此，论文在解析杭嘉湖平原河网典型水源污染特征基础上，开展了原水生物膜预处理工艺启动、原水脱氮除碳以及农药类环境激素去除以及强化同步脱氮与农药类环境激素去除的新工艺研究，主要内容如下:
　　 1、为明晰杭嘉湖平原河网水源污染特征，系统调查了杭嘉湖平原河网典型水源有机物、氮磷等常规指标污染特征，应用SPE-GC/MS技术开发了多种农药类环境激素同步分析方法，开展了农业发达地区农药类环境激素污染现状、时空分布特征及风险评价研究。结果表明杭嘉湖平原河网水源以有机物、氮素污染为主，其质量浓度范围分别为7.4～17.5mg L-1(CODMn)和1.6～8.4 mg L-1(TN)，均不能达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类水质标准。其中，运河水系主要超标因子为CODMn、NH4+-N和TN;苕溪水系河道型水源TN超标严重（以NO3--N为主），水库型水源TN（以NO3--N为主）和TP超标。各水源地有机物和氮素污染随季节变化明显，整体表现为冬春季节TN水平较高，而有机物污染夏秋季节较重。
　　 应用SPE-GC/MS技术重点开发了7大类21种典型农药类环境激素同步检测方法（4种有机氯类、4种有机磷类、6种拟虫菊酯类、2种酰胺类、2种苯胺类、2种氨基酸甲脂类、1种含氮杂环类），分析发现各水源地均存在农药类环境激素污染，目标污染物总和浓度为37.9～2948.9 ng L-1，主要污染物为三氯杀螨醇、氯氰菊酯、毒死蜱、氰戊菊酯和2，4-滴。聚类分析表明不同时期不同地区水源农药类环境激素污染差异大小为:不同水系＞季节变化＞相同水系不同支流，其中苕溪水系污染水平总体低于运河水系;夏秋季节农药类环境激素水平高于冬春季节（与有机物污染季节变化规律一致）。风险评价结果表明，各水源地农药类环境激素健康风险水平在可接受范围，但其引起的高生态风险不容忽视。因此，杭嘉湖平原河网水源有机物、氮素与农药类环境激素等多种污染物强化去除工艺亟待研发。
　　 2、针对微污染环境功能微生物增长慢、挂膜周期长、处理效果不佳等问题，开展了生物膜预处理快速启动方式研究。从生物膜载体、接种方式、进水负荷等角度优化，构建了冬春季节不同载体和不同运行条件的生物膜预处理反应器，两月后各反应器均获得良好的NH4+-N和CODMn去除性能，平均去除率范围分别为84.4％-94.2％和69.7％-76.6％。其中弹性填料反应器NH4+-N和CODMn去除性能明显高于AquaMats(@)生态基反应器;分析挂膜前后生物膜内总细菌群落结构发现，弹性填料均于挂膜两周左右即富集到较稳定的细菌群落结构，快于AquaMats(@)载体。其中弹性填料富集生物膜优势菌以Pseudomonas、Sphaerotilus和Janthinobacterium为主，尤以有机物好氧降解菌Janthinobacterium较多，从而可获得较高的有机物去除性能;AquaMats(@)富集生物膜优势菌除以上三种菌外，还含有Corynebacterium aurimucosum等优势菌，好氧菌Janthinobacterium相对较少，推测与AquaMats(@)内含大量微孔结构有关。
　　 应用弹性填料结合闷曝排泥、流量递增启动方式可有效缩短系统氨氧化缓滞期，NH4+-N去除率提前一周达到50％以上，稳定时期NH4+-N(94.2％)和CODMn(76.6％)获得高效去除。生物膜微生物群落结构分析表明闷曝排泥挂膜结合流量递增的挂膜方式可减少异养细菌多样性，弹性填料反应器用此启动方式可于挂膜两周左右即获得稳定的氨氧化菌群结构，表明异养细菌多样性减少有利于快速富集到稳定的氨氧化菌群落结构，从而提前获得较高NH4+-N去除性能。测序结果显示生物膜成熟时氨氧化菌优势菌为Nitrosomonas和Nitrosospira。因此，以弹性填料为生物膜载体，结合闷曝排泥接种方式和流量递增进水模式，可快速富集到稳定的微生物群落结构，有效缩短氨氧化缓滞期，加快生物膜预处理单元快速稳定启动，并能获得高效氨氮和有机物去除性能。
　　 3、针对杭嘉湖平原河网水源有机物、氮素污染重且地区差异大等问题，开展了适于不同水质特征的原水强化脱氮除碳生物膜预处理工艺技术研发。针对较高C/N比原水水质，以提高生物系统内碳源有效利用率为目的，研究分段配水对生物膜预处理系统脱氮除碳性能与微生物群落结构的影响。结果发现以1∶1流量分段配水后系统TN平均去除率可从29.5％±2.2％增至35.0％±2.7％，平均碳源有效利用率从0.199(mgmg-1)增至0.211(mg mg-1);微生物群落结构分析表明分段配水后反应器中后段填料生物膜菌群多样性明显提高，Hyphomicrobium、Pseudomonas、Pantoea等与氮素、有机物去除有关的功能菌得到富集，揭示了采用多点配水策略可一定程度上强化生物膜预处理过程碳源有效利用率和脱氮微生物富集。
　　 针对以氮素污染为主、低C/N比原水水质，开展了进水C/N比、HRT联合优化的原水强化脱氮除碳工艺研究。结果表明，系统脱氮氮性能与进水C/N比呈正相关，当C/N比大于3.7时出水NO3-N浓度低于1.0 mg L-1，微生物群落分析表明细菌多样性随着C/N比增加而有所提升。基于TOC和UV254的消毒副产物模型预测发现三卤甲烷产生量随进水C/N比增加亦呈现增长趋势。为同步控制出水有机物和氮素浓度，优选2.2为进水C/N比。以此为基础，调控HRT至18h，可获得最高碳源有效利用率和脱氮效率，出水NO3--N(0.88±0.03 mg L-1)和TOC浓度(2.86±0.67 mg L-1)均在较低水平，满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)。
　　 4、针对杭嘉湖平原河网水源地农药类环境激素污染生态风险高、生物去除研究缺乏等问题，开展了生物膜预处理工艺基质种类（氨氮、硝氮及有机物）、溶解氧水平等对微量农药类环境激素去除影响，探讨生物预处理脱氮与微量农药类环境激素去除相关性。以氯氰菊酯、毒死蜱为代表性农药类环境激素，进水浓度为微量水平(≈1μL-1)。
　　 研究不同基质种类对农药类环境激素去除性能影响发现，好氧硝化阶段提高氨氮浓度，其增加的氨氮氧化量对微量氯氰菊酯、毒死蜱去除影响不显著，但外加碳源后氯氰菊酯和毒死蜱去除率分别从80.0±2.7％和68.4±0.8％上升到85.0±0.3％和75.1±3.9％，推测好氧条件微量农药类环境激素去除主要靠异养菌去除而非氨氧化自养菌;缺氧反硝化阶段提高硝氮浓度亦不能显著提升氯氰菊酯和毒死蜱去除率，但投加外碳源后反硝化完全，且氯氰菊酯和毒死蜱去除率分别从65.0±1.3％和32.9±5.7％增至77.9±1.6％和46.9±8.0％，可实现同步强化脱氮与农药类环境激素去除，原因在于外碳源投加可同步增强脱氮与农药类环境激素去除功能菌富集，如Methylovorus、Hyphomicrobium、Thauera、Paracoccus等。因此，好氧条件农药类环境激素去除性能显著高于缺氧条件(P＜0.05)，为同时获得脱氮与农药类环境激素高效去除，建议生物膜预处理在提高有机物基质水平基础上采用好氧、缺氧组合工艺。
　　 5、基于前期研究结果，利用植物生物质作为固体碳源，开展了植物生物质投加强化脱氮与农药类环境激素同步去除工艺技术研究。以芦苇为代表性植物生物质，研究发现其分解过程营养物质前期一周释放迅速后期逐渐下降，有机物释放速度快于氮素，其中氮元素主要为氨态氮形式。应用芦苇营养物质释放特征，研究生物膜预处理系统快速启动技术。结合闷曝排泥法，分别投加芦苇0.4kg/m3和1.2kg/m3，发现两组反应器均于10d左右即可获得90％以上NH4+-N去除率;投加芦苇1.2kg/m3的反应器TN去除率亦于10d获得稳定高效去除（67.0±3.7％），而投加芦苇0.4kg/m3芦苇反应器延迟一周左右获得TN稳定去除（65.4±5.5％）;运行稳定时两组反应器出水TOC浓度均维持在较低水平(≈2.0mgL-1)。结果表明芦苇投加1.2kg/m3仅需10d即可启动A/O/A生物膜工艺，同时获得较好脱氮除碳效果。连续运行反应器4个月，系统TOC、NH4+-N去除性能无显著变化，系统高效稳定运行，TN去除在系统运行后期出现一定幅度下降。将反应器芦苇和弹性填料分开运行发现单种载体系统NH4+-N和TN去除率分别为36.3±6.1％、56.5±2.0％（仅含芦苇）和82.9±1.5％、40.3±7.3％（仅含弹性填料），表明芦苇载体富集的生物膜反硝化性能优于硝化性能，弹性填料富集的生物膜硝化性能优于反硝化性能，两种载体组合可获得高效硝化和反硝化效果。
　　 研究芦苇二次投加强化生物膜预处理工艺性能表明，通过二次投加芦苇2.4kg/m3（每天20g逐次投加），以均匀分布方式（UD）和非均匀分布方(NUD)式布设。芦苇二次投加后总氮可稳定维持75％以上高效去除2个月左右，且采用非均匀分布方式可获得较高的氨氮、总氮去除性能;芦苇二次投加后氯氰菊酯和毒死蜱去除率明显分别明显上升至80％、46.3％(UD)和79.7％、44.7％(NUD)。表明芦苇二次投加可强化系统脱氮与农药类环境激素去除性能，且以非均匀分布方式为佳。为避免芦苇投加初期营养释放迅速使得系统短时间内出水有机物、氨氮浓度偏高问题，建议二次投加过程适当降低逐次投加量(＜20g/d)。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 国内水源污染现状及危害

1．1．1 水源富营养化

1．1．2 新型微量有机物污染

1．2 污染原水生物脱氮技术研究进展

1．2．1 污染原水生物预处理启动方式优化

1．2．2 污染原水生物预处理脱氮性能研究

1．3 微量环境激素生物去除技术研究进展

1．3．1 微量环境激素生物处理性能研究

1．3．2 微量环境激素生物处理性能影响因素

1．3．3 同步生物脱氮与环境激素去除研究进展

1．4 研究目的与内容

1．5．1 研究目的与意义

1．5．2 研究内容

1．5．3 技术路线

第二章 杭嘉湖平原河网水源污染特征研究

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 样品采集

2．2．2 分析方法

2．2．3 评价方法

2．3 结果与分析

2．3．1 平原河网水源常规污染现状

2．3．2 平原河网水源多种农药类环境激素污染现状

2．4 本章小结

第三章 原水生物膜预处理快速启动过程特性研究

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验方法

3．2．3 分析方法

3．3 结果与分析

3．3．1 污染物去除性能

3．3．2 生物膜微生物群落结构分析

3．4 本章小结

第四章 原水生物膜预处理脱氮除碳工艺研究

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验方法

4．2．3 分析方法

4．3 结果与分析

4．3．1 分段配水强化生物膜预处理工艺脱氮除碳性能

4．3．2 外碳源投加强化生物膜预处理工艺脱氮除碳性能

4．4 本章小结

第五章 原水生物膜预处理工艺去除农药类环境激素性能研究

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 实验材料

5．2．2 实验方法

5．2．3 分析方法

5．3 结果与分析

5．3．1 好氧条件微量农药类环境激素去除性能研究

5．3．2 缺氧条件微量农药类环境激素去除性能研究

5．4 本章小结

第六章 植物生物质强化原水生物膜预处理同步脱氮与农药类环境激素去除研究

6．1 引言

6．2 材料与方法

6．2．1 实验材料

6．2．2 实验方法

6．2．3 分析方法

6．3 结果与分析

6．3．1 芦苇腐解过程分解速率与营养物质释放特性研究

6．3．2 应用植物生物质快速挂膜及长效性稳定性分析

6．3．3 植物生物质二次投加强化脱氮与农药类环境激素去除

6．4 本章小结

第七章 研究结论与展望

7．1 主要研究结论

7．2 论文创新性

7．3 建议与展望

参考文献

作者简介

攻读博士学位期间取得的成果