城市河湖污染沉积物原位生物/物化组合修复技术研究

论文摘要

随着我国工业化和城市化进程的加快，城市河湖富营养化问题日益严重。氮磷浓度是河湖富营养化的主要限制因子，沉积物是河湖中氮磷的“源”或“汇”，因此，原位控制污染沉积物氮磷释放是控制河湖富营养化的有效措施。针对目前污染沉积物原位覆盖法中的覆盖材料存在原位再生困难、吸附的氮再释放和利用率不高等问题，本文提出了以挂膜沸石作为主要覆盖材料的原位生物/物化组合修复技术控制污染沉积物氮、磷和有机物释放，研究了该技术控制沉积物污染物释放效果、影响因素和作用机理，考察了沸石原位生物再生的可行性，分析了沸石上细菌数量变化和微生物种群结构演替特征，优化了覆盖层组成方式和规模化制备挂膜沸石方法。主要开展了以下研究。（1）研究了高效菌在沸石上的挂膜方法，制得挂膜沸石。研究发现，将从沉积物中分离、筛选得到的2株高效异养硝化细菌WGX10和WGX18（均属于芽孢杆菌属，Bacillus sp.）和2株高效好氧反硝化细菌HF3和HF7（均属于不动杆菌属，Acinetobacter sp.）等4株菌液按等体积比混合，制得混合菌液；再将其与灭菌原水按照体积比1:9混合，制得混合液；将天然沸石放置混合液中，在25-30℃、DO浓度23mg·L-1以上条件下进行人工曝气挂膜培养23d，即可制得挂膜沸石。（2）试验研究了挂膜沸石覆盖对沉积物污染物释放的控制能力和效果。室内模拟试验研究结果表明，10kg·m-2挂膜沸石覆盖对上覆水体TN削减率达90%以上，对表层（018cm）沉积物TN削减率为10%，对表层（08cm）沉积物TP固定率为13%；现场原位试验研究结果表明，2kg·m-2挂膜沸石覆盖对上覆水体的TN和COD平均削减率为36%和41%，对上覆水体和表层（020cm）沉积物的TP平均固定率分别为35%和13%；可见，挂膜沸石覆盖不仅有效地控制沉积物氮、磷和有机物释放，而且进一步削减沉积物氮负荷，是原位修复污染沉积物的有效技术。（3）研究了影响挂膜沸石覆盖控制沉积物污染物释放的技术关键控制因子。上覆水体DO浓度、挂膜沸石覆盖强度、碳源等是主要影响因素；上覆水体DO浓度过高或过低都会影响生物脱氮效果，最佳DO浓度为14mg·L-1；挂膜沸石覆盖强度越大，控制效果越好，应结合沉积物污染程度、控制效果要求及成本等设计覆盖强度；碳源减少使生物脱氮效果降低。（4）研究了挂膜沸石覆盖控制沉积物污染物释放的作用机理。主要依靠生物、化学和物理协同作用削减氮负荷，沸石的物理吸附和化学离子交换快速吸附氨氮；高效菌的生物硝化反应将吸附的氨氮转化为硝氮，实现沸石原位生物再生，同时其生物反硝化反应将硝氮转化为N2。主要依靠物理吸附和化学沉淀反应固定磷。（5）研究了挂膜沸石上细菌数量变化和微生物菌群结构演替规律。挂膜沸石上硝化细菌数量随着碳源的减少而减少，反硝化细菌随着碳源的减少及上覆水体DO浓度增加(大于3mg·L-1)而减少，可见碳源和上覆水体DO浓度是影响挂膜沸石上硝化菌和反硝化菌生长的主要因子；高效菌一直存在挂膜沸石上，且都是优势菌，高效菌与土著菌存在竞争，土著优势菌的种类不断更替，新增土著优势菌中，沙雷氏菌和代夫特菌具有脱氮功能，细菌形态从球杆状变为杆状。（6）优化了覆盖层组成方式。覆盖层最佳组合方式是挂膜沸石层在下、河沙层在上；河沙层作用是提高挂膜沸石层吸附氨氮能力、强化挂膜沸石层生物脱氮作用、物理掩蔽未被挂膜沸石覆盖的沉积物；挂膜沸石与河沙组合覆盖可以降低挂膜沸石覆盖强度，从而减少了成本。（7）研究确定了挂膜沸石规模化制备方法，在扬州鸿泰支河应用了挂膜沸石与河沙组合覆盖修复技术控制沉积物污染物释放，覆盖层组成方式为上层河沙（5mm厚）、中层挂膜沸石（20mm后）和下层河沙（10mm厚）。应用结果表明：组合覆盖技术对上覆水体TN和CODCr平均削减率分别为61%和34%，对TP的平均固定率为37%；可见，规模化制备挂膜沸石方法是可行的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景、问题提出及实际意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 污染沉积物原位覆盖修复技术研究进展
• 1.2.2 天然沸石固定化微生物技术研究进展
• 1.2.3 异养硝化、好氧硝化菌筛选及同步硝化反硝化技术研究进展
• 1.3 课题主要研究内容及研究技术路线
• 1.3.1 课题主要研究内容
• 1.3.2 研究思路与技术路线
• 2 挂膜沸石制备
• 2.1 引言
• 2.2 异养硝化菌株和好氧反硝化菌株筛选和鉴定
• 2.2.1 试验方法
• 2.2.2 结果与讨论
• 2.2.3 小结
• 2.3 天然沸石遴选、吸附氨氮性能及其物理化学特性
• 2.3.1 材料与方法
• 2.3.2 结果与讨论
• 2.3.3 小结
• 2.4 挂膜沸石制备方法
• 2.4.1 菌株活化和富集
• 2.4.2 混合液制备
• 2.4.3 沸石挂膜培养
• 2.5 本章小结
• 3 污染沉积物原位生物/物化组合修复技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 试验地点
• 3.2.2 试验材料
• 3.2.3 试验装置和方法
• 3.2.4 项目测试方法
• 3.2.5 数据处理
• 3.2.6 试验上覆水原水和沉积物间隙水水质
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 控制效果
• 3.3.2 主要影响因素
• 3.3.3 作用机理
• 3.4 本章小结
• 4 挂膜沸石上细菌数量变化和微生物菌群结构演替规律研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试验地点
• 4.2.2 试验材料
• 4.2.3 试验装置和方法
• 4.2.4 项目测试方法
• 4.2.5 数据处理
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 生物量的动态变化规律
• 4.3.2 微生物菌群结构演替规律和动态变化过程
• 4.3.3 自然挂膜和人工挂膜沸石电镜扫描图片
• 4.4 本章小结
• 5 覆盖层组成方式和规模化制备挂膜沸石方法优化
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 试验材料
• 5.2.2 试验装置和方法
• 5.2.3 项目测试方法
• 5.2.4 数据处理
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 覆盖层组成方式的优化
• 5.3.2 规模化制备挂膜沸石方法的优化
• 5.4 本章小结
• 6 污染沉积物原位生物/物化组合修复技术应用研究
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方案
• 6.2.1 技术应用地点
• 6.2.2 工程材料
• 6.2.3 工程设计方案
• 6.2.4 工程施工方案
• 6.2.5 应用效果的评价方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 对 TN 的削减效果
• 6.3.2 对 TP 的削减效果
• 6.3.3 对 CODCr的削减效果
• 6.3.4 挂膜沸石细菌数量
• 6.3.5 技术的经济成本分析、预测及运行维护管理
• 6.3.6 规模化制备挂膜沸石过程存在问题及改进方案
• 6.3.7 挂膜沸石覆盖层铺设施工中存在问题及改进方案
• 6.4 本章小结
• 7 结论、建议与展望
• 7.1 研究特色与创新成果
• 7.2 主要研究成果及结论
• 7.2.1 挂膜沸石制备
• 7.2.2 污染沉积物原位生物/物化组合修复技术研究
• 7.2.3 挂膜沸石上细菌数量变化和微生物种群结构演替特征
• 7.2.4 优化覆盖层组成方式和规模化制备挂膜沸石方法
• 7.2.5 污染沉积物原位生物/物化组合修复技术的实际工程应用
• 7.3 建议与研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 博士学习期间获得的科技成果