管式生物净水装置用于农村生活污水处理设施尾水强化脱氮的研究及示范

管式生物净水装置用于农村生活污水处理设施尾水强化脱氮的研究及示范苕溪入湖口生态保护区农村生活污水处理设施尾水的高氮排放问题是造成苕溪流域水体富营养化的重要原因之一。本研究提出了一种新型的管式生物净水装置（TubularBio-reactorDevice,TBD）,该装置利用管式反应器实现固相缓释碳源和生态浮床工艺的耦合,对农村生活污水处理设施尾水进行强化脱氮。本研究从填充基质、结构形式和工艺参数3个方面进行TBD系统的优化,同时结合分子生物学手段解析其脱氮机理,并在此基础上开展TBD的中试试验和示范工程,以期为削减农村生活污水处理设施尾水的氮排放负荷以及促进流域水环境质量改善提供相关依据。本论文主要研究结果如下:（1）在TBD的填充基质优选研究中,通过对比填充不同基质（丝瓜络、棕丝、甘蔗渣、辫式涤纶填料）TBD的脱氮性能,发现以甘蔗渣为填充基质的TBD的脱氮性能明显优于其他基质,其对NH₄⁺-N、NO₃^--N及TN的去除率分别达72%、64%和82%;填充不同基质的TBD经150d的长期运行,棕丝的性状较为稳定,适合作为生物膜载体;甘蔗渣的释碳性能较佳,适合作为固相缓释碳源;（2）在TBD的结构形式优化研究中,通过对比不同结构形式TBD的脱氮性能,确定TBD的最佳结构形式为:甘蔗渣填充率8%、沿程不开孔、管外种植物,农村生活污水处理设施尾水经其处理后可满足《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》V类标准;TBD对尾水中NH₄⁺-N的去除主要依靠植物吸收及植物根系微生物的硝化作用,其对NO₃^--N的去除则主要依靠盘管内部的反硝化作用;微生物高通量测序结果表明,好氧反硝化细菌（Acinetobacter、Citrobacter和Pseudomonas等）和缺氧反硝化细菌（Steroidobacter、Thermomonas和Azospira等）分别是TBD中间和末端的优势菌属,其丰度分别达42%和22%,表明最优结构形式的TBD内部环境有利于形成“好氧反硝化-缺氧反硝化”菌群的沿程依次分布,这种独特的反硝化细菌分布特征可能是TBD具有良好脱氮性能的重要原因;（3）在TBD的工艺参数优化研究中,通过对比不同工艺参数TBD的脱氮性能,确定TBD的最佳工艺参数为:盘管水流流速1.5m/h、盘管循环流量5.5L/h,此时的NH₄⁺-N、NO₃^--N和TN去除率分别可达62%,81%和79%;另外TBD较高的进水DO有利于NH₄⁺-N的去除（73%）,较低的进水DO则有利于NO₃^--N的去除（92%）;微生物高通量测序结果表明,TBD中反硝化相关菌属占绝对优势（29%）,表明最优工艺参数的TBD内部有利于反硝化功能菌群的富集和生长,这为TBD对农村生活污水处理设施尾水的强化脱氮提供了保障;（4）在TBD的中试试验中,基于系统优化的结果构建中试规模的TBD,评价了其对农村生活污水处理设施尾水的脱氮和综合性能,结果表明,中试装置对NH₄⁺-N、NO₃^--N及TN的去除率分别达95%、89%和90%,出水水质满足《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》的V类标准,同时也没有发现有机污染物浓度超标的问题;通过TBD的沿程环境因子分析可知,TBD沿程水流中的C/N比逐渐增加,DO浓度逐渐减少,从而形成了TBD内部独特的富含碳源且“好氧-缺氧（O-A）”分段的沿程分布特征;该特征促进了“好氧反硝化-缺氧反硝化”菌属在盘管沿程的依次分布,这可能促进了TBD的脱氮性能;（5）在TBD的示范工程中,基于系统优化和中试试验的结果建立工程规模的TBD,并评价其对浙江省湖州市俞家田村1号生活污水处理设施尾水的脱氮和综合性能,结果表明,示范工程对NH₄⁺-N、NO₃^--N及TN的去除率分别达85%、60%和78%,出水水质满足《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》的V类标准。通过植物吸收对氮素去除的贡献率分析可知,植物吸收并非TBD去除氮素的主要途径,TBD主要依靠微生物的转化作用实现农村生活污水处理设施尾水的强化脱氮;最后通过技术经济指标