【摘 要】
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我国高海拔高寒牧区常年气温较低,牧民饮水水源来自雪水融化形成的地表径流或地下径流。牧民的生活饮水方式通常以附近水体直饮或经简单过滤沉淀后饮用为主,而高寒牧区地表层拥有一定厚度的土壤腐殖质层,其含有大量高分子有机化合物,这类有机物易随降雨等因素渗入附近水体,使水体呈现间歇式、偶发性污染物超标。此外,牧民在游牧居住区聚集了大量牲畜,牲畜往往携带着大量致病微生物,这类微生物会随粪便一同渗入附近水体中,引
【基金项目】
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村镇非常规水源深度处理关键技术与设备(2019YFD1100103);
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我国高海拔高寒牧区常年气温较低,牧民饮水水源来自雪水融化形成的地表径流或地下径流。牧民的生活饮水方式通常以附近水体直饮或经简单过滤沉淀后饮用为主,而高寒牧区地表层拥有一定厚度的土壤腐殖质层,其含有大量高分子有机化合物,这类有机物易随降雨等因素渗入附近水体,使水体呈现间歇式、偶发性污染物超标。此外,牧民在游牧居住区聚集了大量牲畜,牲畜往往携带着大量致病微生物,这类微生物会随粪便一同渗入附近水体中,引发水体中含有大量致病微生物。这对牧民安全饮水易构成潜在威胁。试验从高寒牧区融雪水水质调研着手,结合区域水质特征设计了电絮凝预处理装置及电生物慢滤核心处理装置,通过实验室模拟高寒牧区配水探究该技术用于处理高寒牧区融雪水的可行性,并基于实验参数优化结果,于现场进行实际应用与验证。获得以下研究结论:(1)为探究电絮凝预处理高寒牧区融雪水的最佳工况,研究了极板材料(铝和铁)、电流密度、极板间距、反应时间对模拟配水处理效率的影响。研究发现,当电流密度为12.35 A·m-2、极板间距为10 mm、反应时间为30 min工况下,铝极板和铁极板水中CODMn、UV254、NH4+-N去除率达到最佳,分别为56.91%、48.40%、62.82和44.63%、47.88%、51.06%。结合三维荧光光谱可知,原水中主要荧光有机物为类富里酸和类胡敏酸类腐殖质。在电絮凝、电气浮及电催化氧化的作用下,荧光峰区域的荧光强度均得到不同程度的下降。结合区域积分标准体积发现,铝极板中类富里酸和类胡敏酸类物质分别去除了46.06%和49.13%,铁极板分别去除了15.09%、24.70%。这表明相对铁极板,铝极板对模拟配水中污染物的去除效果更显著。(2)为探究电生物慢滤装置对高寒牧区融雪水中污染物的去除效果,对比分析了相同滤速下有无电压下生物慢滤挂膜情况,探究了电压对生物慢滤装置去除水中污染物的影响作用。研究发现,在水温5~15℃,滤速0.2 m·h-1工况下,相比传统生物慢滤,电生物慢滤(5 V)装置生物挂膜时间缩短了7 d,这主要是弱电压促进微生物快速生长的结果,而在最佳电压下(10 V),电生物慢滤装置对水中CODMn、NH4+-N、UV254平均去除率同比生物慢滤提高了36.38%、39.63%、38.20%,表明适当的电压有助于微生物高效降解水中污染物。结合三维荧光光谱分析发现,在外加电压下,各滤料层对有机物的降解过程发生一定变化,其中电生物慢滤装置在活性炭层通过电氧化主导作用将难降解有机物转换为可生化性较好的色氨酸类物质,经陶粒层和石英砂层微生物高效降解后实现溶解性有机物的有效降解,从而表现出较高的去除效果;生物慢滤装置对有机物的去除主要依靠活性炭层的生物降解作用,而陶粒层与石英砂层主要发挥着物理拦截作用。(3)利用高通量测序技术分析试验装置中各滤层表面生物膜菌落结构。研究发现,外接电压对滤料表面生物膜细菌、真菌群落结构产生了显著影响。在电压的影响作用下,电生物慢滤装置中陶粒层微生物群落多样性优于活性炭层,而在生物慢滤装置中活性炭层微生物群落多样性优于陶粒层,这进一步表明适当电压可使各滤料层对水中污染物去除的主导作用发生变化。在属水平上,细菌优势菌属主要是氢噬胞菌属(Hydrogenophaga)、分支杆菌(Mycobacterium)、假诺卡氏菌属(Pseudonocardia)、丹毒丝菌属(Erysipelothrix)、SRB2_norank、硫针菌属(Sulfuritalea);真菌优势菌属主要是真核生物(Eukaryota_norank)、镰刀菌属(Fusarium)、Scheffersomyces、无菌霉属(Acaulopage)。由冗余分析可知,水质理化指标DO、NH4+-N、p H之间成正相关,与UV254呈现负相关。其中,UV254对细菌群落结构影响最大,p H、DO、NH4+-N对真菌群落结构影响较大。(4)现场试验表明,电絮凝联合电生物慢滤装置对高寒牧区融雪水中污染物的去除效果显著。装置对水中浊度、CODMn、NH4+-N、UV254平均去除率分别为98.96%、64.89%、83.72%、52.86%。出水经紫外消毒后的水质及细菌学指标均符合《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)的要求,同时出水也未检出“两虫”,其中装置对总大肠杆菌去除率可达99.99%,而细菌总数的去除率仅为15.15%。实验将电化学技术与生物慢滤技术进行了有机结合,相比传统生物慢滤技术,对水中污染物的去除效果明显提高,这主要是微生物降解与电化学氧化协同作用的结果。但实验仍有不足之处,后续可对滤层结构、滤速、电极材料及低压区与高压区作用机理进一步研究,以期为饮用水处理提供新思路。
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