沸石生物滤池联合高效除磷滤池处理微污染水体研究——以廊坊龙河为例

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随着我国经济的飞速发展,城市化和工业化水平的不断提高,河流存在着不同程度的微污染。微污染水体主要是指受到较低浓度有机物、磷、氨氮等污染物污染的河流或湖泊等,其浓度远低于城市生活污水,若不妥善处理,可能导致水体富营养化、影响工农业用水。因此,寻求一种高效、安全的微污染水体治理技术已刻不容缓。本研究以廊坊市安次区龙河微污染水体为研究对象,首先采用静态吸附实验筛选出两种廉价、高效的除磷材料,构建沸石生物滤池联合高效除磷滤池处理系统;随后通过淋滤柱实验探讨了不同填料填充方式、曝气强度和表面水力负荷等对系统去除CODCr和TP的影响。主要结论如下:(1)通过静态吸附实验,发现在多种常用除磷材料中海绵铁对水体中的磷酸盐去除效果最好,且p H和共存离子(Cl-、SO42-和HCO3-)对海绵铁吸附水体中磷酸盐的影响较小。但海绵铁在去磷酸盐过程中会存在大量铁离子溶出现象,若单独将海绵铁作为高效除磷滤池的填料可能会存在铁离子溶出过量的问题,所以选用了除磷效果和稳定性相对较好的石灰石与海绵铁共同作为高效除磷滤池的填料。(2)通过SEM、EDS、HRTEM、XRD和XPS表征分析得出,石灰石和海绵铁的除磷过程主要是通过材料溶出的Fe3+和Ca2+与磷酸盐阴离子在材料表面和溶液中结合生成沉淀达到除磷的目的,主要产物为Fe PO4·2H2O和Ca HPO4·2H2O、Ca8H2(PO4)6·5H2O。(3)高效除磷滤池工艺条件探究发现,当海绵铁与石灰石以均匀混合填充比例(V/V)为3:7的滤池时更有利水体中磷酸盐的去除;高效除磷滤池的除磷效果随表面水力负荷的增加而降低;根据龙河水质状况和除磷要求,高效除磷滤池正常运行的表面水力负荷应不高于0.509 cm~3/(cm~2·min)。沸石生物滤池工艺条件探究发现,表面水力负荷为0.191 cm~3/(cm~2·min),曝气强度为0.116 cm~3/(cm~2·min)时沸石生物滤池出水的CODCr平均浓度为14.66 mg/L,平均去除率为78.42%,滤池对CODCr的去除效果达到较优。(4)沸石生物滤池和高效除磷滤池二级联合运行工艺条件探究结果发现,当进水水质CODCr和TP分别在83 mg/L和1.77 mg/L左右时,曝气强度为0cm~3/(cm~2·min)进行时,沸石生物滤池的表面水力负荷为0.254 cm~3/(cm~2·min),高效除磷滤池的表面水力负荷为0.509 cm~3/(cm~2·min),出水水质中CODCr≤30 mg/L和TP≤0.30 mg/L均能达到地表Ⅳ类水的要求。当以进水水质CODCr和TP分别在56 mg/L和0.54 mg/L左右时,沸石生物滤池表面水力负荷低于0.509cm~3/(cm~2·min),高效除磷滤池表面水力负荷为0.509 cm~3/(cm~2·min),出水水质中CODCr和TP也均能达到地表Ⅳ类水质标准。在联合处理工艺运行的5个周期中,p H经高效除磷滤池后出水p H平均在8.38左右。(5)通过对联合处理工艺中的各级池体上、中、下三个部位的微生物进行多样性分析发现,沸石生物滤池和高效除磷滤池均表现出装置下部物种丰度和微生物群落多样性较高。PCo A分析说明联合处理工艺之间微生物功能有明显差别。沸石生物滤池内一致性较好,而高效除磷滤池内上、中、下的微生物存在明显差异。样本距离Heatmap分析,说明系统中各装置内样本离得越近微生物越相似,且两个装置下部微生物组成也存在相似性。在这6个样本中,微生物类群主要功能是以降解有机物的为主。其中,在门水平上,优势菌门主要为:变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteriota)、蓝细菌门(Cyanobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidota)。在属水平上,样本优势菌属主要为:Tolumonas(甲苯单胞菌属)、Zoogloes(动胶菌属)、Unclassified_f_Microbacteriaceae、Flavobacterium(黄杆菌属)、Rhodobacter(红杆菌属)、Candidatus_Obscuribacter、Actinotalea、Cellulomonas(纤维单胞菌属)、Propionicimonas(丙酸单胞菌属)。(6)在沸石生物滤池和高效除磷滤池联合处理工艺中,沸石生物滤池为微生物提供载体,负责降解有机物,生物除磷能力较弱;高效除磷滤池以石灰石和海绵铁为组合填料,以化学沉淀或物理吸附的方式对水体中的磷进行去除。
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