两种释碳材料的制备及其性能研究

应用固定化技术制备了包埋淀粉的聚乙烯醇(PVA)释碳材料和海藻酸钠(SA)释碳材料,采用红外光谱和扫描电镜对其物化特性进行分析,研究了二者的释碳性能以及作为碳源对硝态氮的去除效果.结果表明,PVA释碳材料中淀粉混合较好,释碳过程满足二级动力学方程,单位质量材料释放的饱和COD达到99.60mg/(g·L).在温度为18~22℃,pH7.2~8.0,硝态氮浓度为35mg/L的条件下,PVA释碳材料的平均反硝化速率为18.5g/(m3·d),SA释碳材料的平均反硝化速率为15.5g/(m3·d),在稳定运行15d后,出水硝态氮浓度逐渐升高,脱氮效果开始下降.     

NO3--N负荷对树皮填料人工湿地早期反硝化及释碳速率的影响

为了将污水厂尾水作为再生水进行利用,常常需要对尾水进行深度脱氮,针对尾水的水质特征,在深度脱氮时常常需投加碳源.试验采用树皮作为填料,兼作脱氮的缓释碳源,进行树皮填料人工湿地深度脱氮模型试验,研究进水NO_3~--N负荷对反硝化和树皮释放碳源的影响.结果表明,树皮填料人工湿地可稳定脱氮;反硝化速率遵循Monod关系式,随进水NO_3~--N负荷增大而递增,饱和常数KS=19.10 mg·L~(-1);硝氮去除率随进水NO_3~--N负荷增大而减小;在树皮填料人工湿地运行早期,树皮释碳总量、树皮释碳速率随进水NO_3~--N负荷增大而递增,与进水NO_3~--N均呈线性正相关;树皮静态释碳速率为0.2 mg·(g·d)-1,与腐朽木等中空松散的植物碳源相比,碳源缓释性能较好,释碳周期较长,是良好的缓释碳源.     

地下水氮污染原位修复缓释碳源材料的研发与物化-生境协同特性

地下水流速及物质间反应均处于缓慢状态,因此向地下水环境中投加的修复材料应具有缓释性.本研究针对浅层地下水特性及氮赋存特征,以农业废弃物和零价铁(Fe0)为基料,耦合生物、化学反应,开展具有物化-生境协同作用的缓释碳源材料的研发和性能研究.所研发材料具有内核和外壳双层结构.内核为修复基质层,由农业废弃物与Fe0等原料组成.其中,农业废弃物提供微生物所需碳源,Fe0还原水体中硝酸盐氮及DO,快速脱氮并促进厌氧环境形成.外壳为溶质运移渗透层,由原生矿物等组成,可包覆内核材料,减缓内核碳源释放、吸附二次污染物.材料物理测试显示,其内核均匀交联,外壳呈明显均匀孔隙结构(SEM),颗粒强度高达每颗80~105 N,具有良好的机械抗压性;材料密度最低可达1.1 g·cm~(-3),无水中漂浮现象;缓释实验表明,该材料具有良好的碳源缓释性,其总有机碳(TOC)释放量[Max:21~25 mg·(g·L)~(-1)]和速率[Max:0.185 mg·(g·L·d)~(-1)]始终呈现平稳状态,而农业废弃物释碳量[Max:53~75 mg·(g·L)~(-1)]及速率[Max:0.455mg·(g·L·d)~(-1)]波动较大.进一步功能基因丰度分析,材料浸出液有利于反硝化细菌代谢活动.脱氮和捕氧实验初期,该材料体系以Fe0化学脱氮为主,并降低水体DO,有利于反硝化进行;随后,生物反硝化占主导地位,材料脱氮率与其Fe0含量相关性变小,体系形成物化-生境协同脱氮途径.     

聚己内酯复合固体碳源的制备及其深度脱氮性能研究

以聚己内酯（PCL）为骨架结合不同低成本碳源制备得到PCL复合碳源,静态释放试验筛选出适用于污水深度脱氮的复合碳源,批式试验研究其脱氮性能.并通过比较碳源表面特征、反硝化功能基因丰度与微生物群落结构特征分析其脱氮机理.结果表明,PCL/玉米淀粉连续30 d释碳性能稳定,氮、磷释放量均低于1.0 mg·L^-1,对水质影响较小,可用于生活污水深度脱氮.批式脱氮试验结果显示,PCL/玉米淀粉反硝化系统脱氮效果好,反硝化功能基因nirS、nirK拷贝数高,能够有效富集反硝化菌.此外,PCL/玉米淀粉系统中群落丰富度与多样性更高,系统抗逆性更强.因此,PCL/玉米淀粉能够实现生活污水长效稳定深度脱氮.     

腐朽木为填料的反硝化滤池特性研究

针对城市污水处理厂二级出水低碳氮比的水质特点,该文通过腐朽木的释碳静态实验和反硝化滤池动态实验,研究了腐朽木的碳源释放规律,对腐朽木释碳组份进行了GC/MS分析,同时以人工模拟配制低碳氮比废水作为反硝化滤池实验的进水,从TN、NO_3~--N的去除效果和COD、NO_2~--N、NH_3-N的变化规律,分析和研究腐朽木作为填料在不同水力停留时间(HRT)下反硝化滤池的脱氮性能和运行效果。结果表明,腐朽木可有效地释放碳源物质,腐朽木释碳组份主要为(Z)-9-Octadecenamide,其分子式为C18H35NO;反硝化滤池在初始阶段HRT为12 h时,脱氮效果最佳,TN、NO3--N去除率最高分别可达到94.41%、97.13%,此时腐朽木作为外加缓释碳源填料显著提高了滤池脱氮效果。     

地下水生物反硝化碳源材料研究

以淀粉和聚乙烯醇为原材料,采用高分子制造技术,通过共混/包覆制备出一类地下水原位生物反硝化用控释高分子碳源材料。制备碳源材料在水体中有机质释放试验表明,不同含量的碳源材料在水体中均有一定的COD释放能力,制备的碳源材料满足生物反硝化的需要。硝酸盐生物降解试验表明,对于本类碳源材料,反硝化菌存在6d左右的驯化期,不同淀粉含量碳源材料对生物反硝化的进行影响不大。经过6d左右,水中NO3-浓度从40mg/L降低到10mg/L以下。同时发现碳源材料具有缓释性能,随着反硝化过程中有机质的消耗,可以不断向水体释放有机质。     

聚乳酸/淀粉固体缓释碳源生物反硝化研究

以被硝酸盐氮污染的地下水为研究对象,利用共混/熔融聚合技术将聚乳酸和淀粉混合,制备成兼具碳源和生物载体的缓释碳.并考察不同质量比(聚乳酸∶淀粉为8∶2、7∶3、6∶4、5∶5)的缓释碳在反硝化间歇试验中硝氮、亚硝氮和COD的去除效果,结果表明,当聚乳酸/淀粉质量比为5∶5的缓释碳,其反硝化效果最佳,硝氮去除率达99%;以该比例的缓释碳进行反硝化填充柱连续动态试验时,反应器中反硝化效果显著,出水硝氮浓度在2 mg·L-1以下,为开发环境友好的可控性缓释碳源提供了科学依据.     

不同电子供体用于混养反硝化系统强化脱氮研究

针对雨水径流中NO₃^--N含量较高易引起受纳水体富营养化的问题,利用植物碳源和硫作为电子供体构建混养反硝化系统强化脱氮.通过对比不同植物碳源(芦苇、马蔺、黄菖蒲、鸢尾)的脱氮效能和释碳性能,优选芦苇作为混养反硝化系统的有机电子供体.基于芦苇构建的不同硫碳比(0.2、0.6、0.8、1.0)混养反硝化系统运行效能表明,高硫碳比系统在运行后期NO₃^--N去除率(98.14%)相对稳定且反硝化条件较为适宜,但硫添加量的提高不利于芦苇持续释碳,还导致了较为明显的NH₄⁺-N和SO₄^2-积累现象.运行效果评价显示出0.2硫碳比系统具有最低的综合污染指数,表现出最佳的脱氮同步副产物控制能力.本研究结果可为雨水径流混养反硝化脱氮技术提供理论支撑.     

农业固废碳源对三峡库区消落带土壤脱氮性能的强化作用

三峡库区消落带土壤的脱氮能力与库区水体质量有密切关系,对其加以强化有助于提高消落带的径流氮素截留量,而适宜的碳源可促进生物脱氮。以花生壳、刨花、稻草秸秆、玉米秸秆和小麦秸秆5种农业固废作为反硝化碳源,研究了添加碳源后消落带土壤的脱氮效果及释碳情况。结果表明:m(固废碳源)∶m(土壤)为1∶4和1∶10下,5种碳源均强化了土壤的脱氮效果。m(固废碳源)∶m(土壤)为1∶10去除效果更好,添加5种碳源后25 d时土壤对NO3--N去除率均达到85%以上。2组碳源比例下所释放的总有机碳(TOC)浓度在10 d时均达到较高水平,1∶10碳源比例的TOC含量在实验后期出现了下降,添加秸秆类碳源材料的TOC含量较高,花生壳和刨花TOC含量较低且能满足NO3--N有效去除的碳源需要。综合考虑脱氮效果与安全性,认为花生壳和刨花为较适宜的农业固废碳源。     

缓释碳源生态基质添加比例对河水脱氮效果及微生物影响

添加缓释碳源生态基质提高河水C/N值可增强脱氮效果。考察了不同添加比例对河水脱氮效果和COD的影响,并采用高通量测序手段对基质中微生物进行分析,结果表明对总氮去除效果随着添加比例的增加而增加,考虑到前期释碳量高易引起二次污染,控制添加比例为15%,装置对氨氮、硝态氮、总氮的平均去除率分别为62.36%、75.22%、64.09%;出水ρ(COD)平均为28.18 mg/L。高通量分析结果显示假单胞菌(Pseudomonas)随着添加比例增加而增加,与脱氮效果一致,这可能与该菌属中包含硝化菌有关;缓释碳源添加比例为15%时,该组微生物多样性最大。可见,控制缓释碳源生态基质添加比例对脱氮效果具有一定的意义。     

Starch/polyvinyl alcohol blended materials used as solid carbon source for tertiary denitrification of secondary effluent

Starch/polyvinyl alcohol （PVA） blended materials for using as a solid carbon source （SCS） were prepared by blending PVA and gelatinized starch in an aqueous solution system, in which PVA served as framework material and starch as carbon source. The optimization of starch content and temperature effects were investigated. It was indicated that higher denitrification efficiency could be achieved with more starch in the materials. The average specific denitrification rates were 0.93, 0.66, 0.37 and 0.36 mg/（g·day） corresponding to starch content of 70%, 60%, 40% and 30% respectively at 37℃. The denitrification rates increased when operating temperature was raised from 23℃ to 30℃ and then 37℃. The mechanism of carbon release was analyzed incorporating the experimental results of abiotic release in deionized water. The organic carbon was mainly hydrolyzed by microbes, and the biological release efficiencies were at the range of 89.2% to 96.0%. A long-term experiment with a continuous flow reactor with SCS material containing 70% starch was conducted to gain some experience for practical application. When the influent nitrate concentration was in the range of 35.2 to 39.1 mg/L, hydraulic retention time of 4 hr, and operating temperature of 30℃, a nitrogen removal efficiency up to 94.6% and denitrification rate of 0.217 kg/（m3.day） was achieved. The starch-based materials developed in this study can be used as a solid carbon source for tertiary nitrogen removal from secondary effluent.     

新型反硝化固体碳源释碳性能研究

碳源在生物硝酸盐去除过程中起着重要的提供电子供体的作用,因此是生物反硝化的核心物质之一.选出玉米芯、稻壳、稻草、木屑4种农业废弃物做为反硝化碳源和生物膜载体,研究了4种碳源物质的释碳规律及外界因子对其释碳能力的影响.结果表明,4种碳源材料的释碳过程均满足二级动力学方程;比较而言,稻草的有机物释放量最大,释放速率也最快,...     

乙醇在地下水硝酸盐原位去除中的可利用性

由于地下水中溶解氧的约束与电子供体的缺乏,地下水硝酸盐污染的原位修复十分困难。论文通过实验室微元体、砂柱和含水砂槽实验研究,发现:乙醇作为电子供体,容易被普遍存在的反硝化菌利用,同时导致硝酸盐被快速去除,且没有亚硝酸盐积累;含水介质中的溶解氧对该过程影响是短暂的,有限的溶解氧被率先利用后,硝酸盐去除速率明显加快;乙醇不会被含水介质吸附,迁移能力强,其羽状体中溶解氧与硝酸盐通常是低浓度的,甚至是缺失的。用乙醇作为电子供体,促进地下水硝酸盐原位修复,投注简便,不要外来微生物接种,具有很强的可利用潜力。     

固定化细胞单级生物脱氮动力学模型研究

以PVA为载体 ,采用冷冻 解冻法混合固定硝化菌和反硝化菌 ,在鼓泡床中研究了固定化细胞单级生物脱氮的动力学。结果表明 :在固定化细胞单级生物脱氮过程中 ,内扩散对反应的影响非常小 ,脱氮速率受化学反应控制。反应的动力学可以用Monod方程来表示 ,其动力学常数Ks 和vmax分别为 30 3 0mg L和 0 0 96mg L·s。用模型计算的脱氮速率与实测值非常接近     

上覆水中碳氮浓度对黄河沉积物反硝化速率的影响

通过室内培养测定泥水界面N₂通量,研究了黄河沉积物的反硝化速率,分析了沉积物反硝化速率与上覆水碳、氮浓度和耗氧速率的响应关系。结果表明,对照处理（CK）平均反硝化速率为14.81±9.43 μg N/m2/h。碳、氮添加处理中,N1（4.5 mg N/L）和C1（2.4 mg C/L）沉积物反硝化速率最高,均值分别为21.99±12.45和24.33±14.38 μg N/m2/h。理论上,NO₃-N和溶解性有机碳添加浓度分别为9.8和4.0 mg/L时沉积物反硝化作用最大,且反硝化作用的最佳碳氮比为2.3。不同碳、氮水平上沉积物反硝化速率与耗氧速率的响应关系并不一致。低碳氮水平下反硝化速率与耗氧速率显著正相关;低碳、高氮水平下反硝化速率与耗氧速率不相关;而高碳、低氮水平下反硝化速率则与耗氧速率显著负相关。     

2种生物反硝化法去除地下水中硝酸盐的研究

采用砂柱装置,在实验室研究了自养微生物和异养微生物2种生物反硝化方法对地下水中硝酸盐的去除效果。自养反硝化反应在以硫作为电子供体的硫/石灰石/细沙反应柱中进行,异养反硝化反应在石灰石/细沙反应柱中进行,进水增加乙醇作为外加碳源。实验结果用以比较2种反硝化方法在硝酸盐去除率、微生物反应动力学和反应产物三者的异同。结果表明,自养反硝化反应中NO3--N去除率达95.4%,异养反硝化反应去除率可达99.3%;分别与Monod微生物0级、1/2级和1级反应动力学方程进行拟合,2种反硝化反应均符合1/2级微生物反应动力学,适合用1/2级微生物反应方程描述;在反应结束阶段,自养反硝化主要反应产物SO42-出水浓度低于250mg/L,异养反硝化副产物CH3OO-易成为二次污染源,异养反硝化的反硝化速率明显高于自养反硝化反应。     

基于野外原位抽注试验和同位素技术的含水层反硝化速率研究

反硝化作用是地下水硝酸盐污染去除最重要的过程.由于水文地质条件和水文地球化学环境的复杂性和不确定性,精准测定含水层反硝化速率是反硝化过程的研究难点.选取潮白河冲洪积扇中部中国环境科学研究院地下水创新野外基地作为研究区,基于野外原位试验和15N同位素示踪法提出一种含水层反硝化速率的测定方法.该方法综合体现了研究区实际水文地质条件和水文地球化学环境对反硝化作用的影响,并充分考虑了硝酸盐在含水层中稀释弥散作用对计算结果的影响.结果表明:①潮白河冲洪积扇中部某地地下26~28 m处于还原环境,含水介质以粉细砂为主,ρ（NO₃-N）平均值为2.77 mg/L.②地下26~28 m反硝化速率在349.52~562.99 μg/（kg·d）（以N计,下同）之间,平均值为450.31 μg/（kg·d）.通过与研究区含水介质、采样深度和硝酸盐背景值相似的国内外案例对比研究,初步评估结果处于合理区间.③测试结果具有一定不确定性,主要来自忽略中间产物NO₂-和NO的计算方法、扰动采样方法、N₂O的操作规范程度及采样频率等方面.研究方法为测定含水层硝酸盐速率研究提供了新的思路,研究结果可为地下水中硝酸盐转化过程机理研究、地下水硝酸盐污染修复及风险管控提供关键的理论支撑数据.