电化学氢—硫自养协同反硝化去除水中硝酸盐工艺及其优化

论文摘要

目前我国地下水硝酸盐污染严重，生物自养反硝以其转化彻底、不需要有机碳源、高效实用等优点被认为是最有前景的技术。以硫为电子供体的硫自养反硝化具有反应效率高、不产生有害中间副产物、处理成本低等特点，然而在硫自养反硝化过程中会消耗一定量碱度；而电化学氢自养反硝化过程会产生当量碱度，如将电化学氢自养和硫自养联用即可达到快速反硝化和平衡出水水质的目的。本论文建立了单室和双室三维电极生物膜自养反硝化反应器以及硫自养反硝化生物滤柱，对其结构及运行条件进行了优化，并将两自养反应器联合，考察了协同反应器的去除效果并优化了反应器的运行条件。本研究建立的硫自养反硝化生物滤柱遵循一级脱硝动力学模型。硫自养反硝化生物滤柱适合处理含较低硫酸盐浓度的地下水，当原水硝氮浓度为30mg/L，最佳HRT为15min，反应器脱硝体积负荷为3.04kg-N/m3d，出水几乎没有亚硝酸盐、氨氮积累。本研究建立的单室三维电极生物膜自养反硝化反应器适宜处理8mg/L左右的低硝酸盐浓度地下水，最佳运行参数为HRT=3h，施加电流2mA，此时反应器的脱硝体积负荷为0.051kg-N/m3d，出水没有亚硝氮的积累。实验采用多孔海绵将单室三维电极生物膜自养反硝化反应器的阴阳极隔开，建立了双室三维电极生物膜自养反硝化反应器，有效减少了阳极析氧影响；增加反应器高径比，实验建立了大高径比的双室三维电极生物膜自养反硝化反应器。研究发现双室三维电极生物膜自养反硝化反应器适宜处理原水硝酸盐氮值为15mg/L，最佳运行参数为HRT=3h，电流2mA，反应器平均脱硝率为97.82%，脱硝体积负荷可达0.125kg-N/m3d，脱硝体积负荷比未使用多孔海绵时提高了2倍。大高径比的双室三维电极生物膜自养反硝化反应器适宜处理原水硝酸盐浓度为15mg/L，最佳控制条件为HRT=2h，电流为1mA，硝酸盐去除率可达98%以上，平均反硝化脱硝负荷可达0.22kg-N/m3d，出水亚硝氮浓度为0.1mg/L。实验室运行过程中反应器结垢不明显，进水采用实际地下水时，反应器结垢现象明显，沉积物主要成分为CaCO3、MgCO3。将电化学氢自养反应器和硫自养反硝化生物滤柱结合，建立了电化学氢-硫自养协同脱硝中试反应器，并进行了反应器的初步调试，结果表明该反应器硫自养段可在15天内挂膜启动，有较强的pH调节能力，能减少SO42-的产生。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 物理法
• 1.2.2 化学法
• 1.2.3 生物法
• 1.3 地下水硝酸盐的去除
• 1.3.1 地下水生物处理法的分类
• 1.3.2 氢自养法
• 1.3.3 硫自养法
• 1.4 本论文研究内容
• 第二章 硫自养反硝化生物滤柱工艺研究
• 2.1 实验材料和方法
• 2.1.1 硫自养反硝化生物滤柱的建立
• 2.1.2 实验仪器和分析方法
• 2.2 硫自养反应动力学
• 2.2.1 低浓度硝氮条件下硫自养动力学模拟
• 2.2.2 不同浓度下的硫自养动力学
• 2.2.3 不同 HRT 条件下的硫自养动力学
• 2.3 硫自养反硝化生物滤柱长期运行实验
• 2.3.1 硫自养反硝化生物滤柱硝氮的去除
• 2.3.2 出水硫酸根的变化
• 2.3.3 硫段微生物检测
• 2.4 本章小结
• 第三章 单室三维电极生物膜自养反硝化工艺研究
• 3.1 实验材料和方法
• 3.1.1 反应器的建立
• 3.1.2 分析方法和仪器
• 3.2 单室三维电极生物膜自养反硝化反应器的启动
• 3.2.1 单纯电化学去除硝酸盐的研究
• 3.2.2 菌种采集和培养
• 3.2.3 单室三维电极生物膜自养反硝化反应器的挂膜
• 3.2.4 微生物异养反硝化脱硝反应动力学模拟
• 3.3 单室三维电极生物膜自养反硝化反应器的长期运行实验
• 3.3.1 长期运行实验结果讨论与分析
• 3.3.2 影响反应器脱硝的因素
• 3.4 本章小结
• 第四章 双室三维电极生物膜自养反硝化工艺及其优化
• 4.1 实验材料和方法
• 4.1.1 反应器的建立
• 4.1.2 分析方法和仪器
• 4.2 双室三维电极生物膜自养反硝化反应器的启动
• 4.2.1 单纯电化学去除硝酸盐的研究
• 4.2.2 菌种采集和培养
• 4.2.3 双室三维电极生物膜自养反硝化反应器挂膜
• 4.2.4 微生物异养反硝化脱硝反应动力学模拟
• 4.4 双室三维电极生物膜自养反硝化反应器长期运行实验
• 4.4.1 双室三维电极生物膜自养反硝化反应器长期运行
• 4.4.2 双室三维电极生物膜自养反硝化反应器的影响因素
• 4.4.3 双室三维电极生物膜自养反硝化反应器结垢分析
• 4.5 大高径比双室三维电极生物膜自养反硝化反应器的启动
• 4.5.1 4#反应器启动时硝氮、亚硝氮的变化
• 4.5.2 4#反应器的启动时 ORP 值、pH 值的变化
• 4.6 大高径比双室三维电极生物膜自养反硝化反应器的长期运行
• 4.6.1 反应器运行方案
• 4.6.2 反应器运行出水硝酸盐、亚硝酸盐变化
• 4.6.3 反应器状态变化
• 4.6.4 不同因素对 4#反应器脱硝的影响
• 4.7 1#、2#、3#反应器的比较
• 4.8 本章小结
• 第五章 电化学氢-硫自养协同反硝化中试工艺研究
• 5.1 前言
• 5.2 电化学氢自养-硫自养串联实验
• 5.2.1 电化学氢自养-硫自养串联实验反应器的建立
• 5.2.2 电化学氢自养-硫自养串联实验结果分析与讨论
• 5.3 电化学氢自养-硫自养反硝化中试装置的材料和方法
• 5.3.1 电化学氢自养-硫自养反硝化中试装置的建立
• 5.3.2 反应器原理
• 5.3.3 实验方法
• 5.3.4 实验项目安排
• 5.3.5 地下水原水水质
• 5.4 中试装置的初步调试
• 5.4.1 中试装置初步调试时硝酸盐的去除
• 5.4.2 中试装置初步调试时反应器出水亚硝氮、氨氮的变化
• 5.4.3 中试装置初步调试时硫酸根的变化
• 5.4.5 中试装置初步调试时浊度、碱度及 pH 值的变化
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历