污染水体中三氮转化过程的模拟研究.pdf

污染水体中三氮转化过程的模拟研究 ＊ 俞 盈 1,2 陈繁忠 2 盛彦清 1,2 盛国英 2 1.中国科学院研究生院, 北京 100049; 2.中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室, 广东省环境资源利用与保护重点实验室, 广州 510640 摘要 以城市河涌污染水体为研究对象, 通过模拟实验, 研究了水体中的三氮转化规律及其与环境条件的关系。 实验 结果表明 室内和室外条件下氨氮转化十分迅速 , 亚硝酸盐氮和硝酸盐氮没有出现明显的累积现象; 而在培养箱中, 亚 硝酸盐氮和硝酸盐氮则出现明显的累积现象。 此外还研究了光合细菌对水体三氮转化的影响, 发现其在室内和室外 条件下有利于水体中的三氮转化, 而对培养箱条件下的三氮转化起抑制作用。 关键词 河涌水 三氯转化 光合细菌 ＊广东省科技攻关项目 城市河涌水质治理技术2003A3040401 0 引言 氨氮 NH3- N 、亚硝酸盐氮 NO - 2- N 、硝酸盐氮 NO - 3- N 简称“三氮” ,是衡量水体毒理性和富营养化 程度的重要指标 。在水环境中 ,不同形式的氮之间存 在着复杂的转化关系 ,其中硝化-反硝化过程是其中 较重要的一个过程, 氨氮通过硝化作用转化为亚硝酸 盐氮, 进而转化为硝酸盐氮 ,而硝酸盐氮则通过反硝 化作用转化成氮气最终离开水环境。水体中亚硝酸 盐氮和硝酸盐氮的累积不利于水生生物生长。天然 水体中的氮污染研究一直受到关注 ,但以往研究主要 集中在三氮对水质的影响及如何去除等方面 [ 1-10] , 对 三氮自身转化与环境条件的关系, 尤其是亚硝酸盐氮 和硝酸氮的累积规律却很少研究 [ 11,12] 。本研究通过 模拟试验研究了河涌水在恒温培养箱 、 室内 、室外 3 种情况下的三氮转化情况 ,并研究了添加光合细菌情 况下对三氮转化的影响 。这对认识天然水体在不同 环境条件下三氮转化规律 ,尤其是亚硝酸盐氮和硝酸 氮的累积规律具有实际意义。 1 实验材料与方法 水样采自广州市芳村沙涌 ,各项指标见表 1。将 采集水样分别装入小型玻璃水族箱中 长 宽 高 30 cm18 cm20 cm , 每箱 8 L ,共 6 箱, 分为 3 组, 每组 2 箱 A B 。分别置于恒温培养箱 PA PB , 温 度为 25℃, 实 验 室 内 NA NB及 实 验 楼 天 台 WA WB 。 其中 A 箱水样不添加任何处理剂, B 箱水 样添加光合细菌菌液, 浓度均为 10 mg L。菌液中光 合细菌含量 为 10 亿个 mL 。光合细菌菌液由本实验 室自行培养 [ 13] 。光合细菌通常被用于养殖水质调控 和污染水体修复 ,因而本研究中设置投加光合细菌的 实验 ,目的是考察不同环境条件下光合细菌对水中三 氮转化的影响。 表 1 实验水样各项指标的初始值 温度 ℃ T 溶解氧 mgL- 1 氨氮 mgL- 1 亚硝酸盐氮 mgL- 1 硝酸盐氮 mgL- 1 30 . 40. 86012. 80. 011 70 . 035 2 水样中各项指标每 2 d 取样 1 次进行分析 ,每次 采样时间为上午 9 点, 采样前先用蒸馏水补充由于蒸 发所损失的水量 ,另外室外组水族箱在下雨前加盖防 止雨水进入影响测试结果 。 2 实验结果与讨论 将所测得的数据进行整理分析 ,分别考察各水化 指标与时间的关系, 结果如图 1 所示 。 2. 1 水样中温度 T 随时间的变化 实验从 07- 02 持续到 07- 26,处于广州夏季 ,其 中培养箱温度控制在 25 ℃,室内和室外组的水样日 平均温度为 31. 30. 1℃,个别点的温度较低是由 于降雨造成的。 2. 2 水样中溶解氧 DO 随时间的变化 从图 1 中可以看出 ,伴随着时间的变化, 各水样 中DO 的变化大致呈两种趋势 PA、PB 组水样中的 DO 呈缓慢上升状 ,中间没有太大的起伏 。这可能由 于水样置于培养箱中 ,在黑暗状况下藻类和光合细菌 都无法正常生长 ,故光合作用可忽略不计 ,随着硝化 反硝化作用的进行 ,水质逐渐改善 , 因而 DO 也逐渐 的升高; 而NA、 NB,WA 、 WB 组水样中DO 的变化则比 35 环 境 工 程 2007年 6 月第25 卷第3 期 图 1 水化指标随时间的变化 较大 ,原因是在有自然光线情况下水中的藻类生长比 较旺盛, 而每天采样测试时间又为上午 9 点 , 光合作 用所产生的氧气对 DO 产生较大的影响, 而伴随着藻 类的死亡 ,DO 又开始下降 。 2. 3 水样中NH3- N 随时间的变化 实验结果表明, 室外组 WA WB 水样中的NH3- N 下降最为迅速 。2 d 内浓度由 12. 8 mg L 依次下降到 0. 829 mg L 和 0. 337 mg L ,以后NH3- N 浓度基本处于 1 mg L 以下; 室内组 NA NB 稍慢, 经过 6 d 后才下降 到0. 699 mg L 和0. 415 mg L ,在以后的时间内浓度稍 有起伏, 但基本稳定在 0. 5 mg L 左右; 而培养箱组 PA PB 水样由于缺少光照, NH3-N 转化十分缓慢, PA 水样在第12 d 才降至 0. 622 mg L, 而PB 水样更是 到了第 16 d 才降至 0. 777 mg L。从图 1 中还可以看 出,投加光合细菌只对室外组 WA WB 和室内组 NA NB 水样的 NH3- N 降解有一定的作用 ,而在培养 箱组 PA PB 中, 光合细菌不仅没有加快 NH3- N 的降 解,反而对 NH3-N 降解起了一定抑制作用 菌液本身 也含一定有机氮和氨氮 。 2. 4 水样中NO - 2-N、 NO - 3- N 随时间的变化 实验测试发现, 在室外组 WA WB 和室内组 NA NB 的水样中, NO - 2- N 、 NO - 3- N 的含量一直处于 很低的水平 ,没有太大的波动, 原因可能是在这两种 情况下 ,NO - 2- N 转化为 NO - 3- N 的速率 NO - 3-N 转化成 N2的速率几乎相同 ,因而没有出现累积现象。同时 可以发现, 添加光合细菌对这一过程的作用也不十分 明显。而在培养箱组 PA PB 中 ,PA 水样中的NO - 2- N 从第 8 d 起开始累积 ,在第 14 d 到达峰值4. 73 mg L, 而后又迅速下降, 于第 18 d 下降到 0. 008 mg L ,以后 基本处于这一浓度水平 。NO - 3- N 从第 10 d 开始累 积,在第 16 d 浓度达到最高, 达 7. 56 mg L 然后开始 下降 ,从第 20 d 起一直维持在 4 mg L 左右 ; PB 水样 由于添加了光合细菌, 所以整个转化过程要比 PA 水 样晚 2 d 左右 ,NO - 2- N 从第 10 d 起开始累积, 在第 16 d到达峰值 4. 41 mg L , 并在第 22 d 完成转化。 NO - 3-N从第 12 d 开始累积, 第 20 d 时浓度达到最高, 达6. 09 mg L ,然后浓度开始下降到 3 mg L 左右 。 由此可见, 光照对水体中的三氮转化有着十分重 要的影响。在有光照的情况下 ,NH3- N 的转化十分迅 速,在一周内即可转化完全 ,NO - 2- N、NO - 3-N 也没有 一个明显积累的过程, 可能是因为两者转化速率相 近。而在没有光照的情况下,NH3- N 在 2 周以上才可 以转化完全 ,NO - 2-N、 NO - 3-N 在水体中的累积过程也 十分明显。 3 河涌水体中的三氮转化规律总结 从图 2 可以看到, 3 组水样之间三氮的转化曲线 有较明显的差别 ,可见光照 、 温度等外界条件对水体 中的三氮转化有很大的影响。同时同组水样之间的 转化曲线又较为相似 。 从图中还可以发现 , 室外组 WA WB 和室内组 NA NB 水样并没有出现 NO - 2- N、 NO - 3- N 累积现象。 NH3-N 的迅速下降一方面是光照等环境因素的影响, 另一方面则取决于水体的自净作用, 从图中可以看 出,虽然水样的污染情况比较严重, 但是在截断污染 源的情况下 ,水体中土著微生物还是能迅速的发挥自 净效果,从而使受污水体较快的恢复清洁 。这点与实 验过程中, 水体由开始的灰黑色转变成黄绿色进而转 变成清澈透明的现象也不谋而合。期间还有绿色生 物膜的生成 ,随着水体的改善 ,生物膜最终老化脱落。 而培养箱组 PA PB 中随时间的变化规律则与 理论基本相符,NH3-N 的减少导致NO - 2- N 的增加 ,随 着时间的延长 ,NO - 2- N 逐渐降低, 而 NO - 3-N 不断增 加。由于采集的原始水样污染比较严重, PA 水样中 36 环 境 工 程 2007年 6 月第25 卷第3 期 图 2 各水样中三氮浓度随时间的变化 NO - 2- N 及 NO - 3- N 的转化有些滞后 ,但是 1 周后转化 就比较迅速。具体转化时间见表2。总之 ,PB 水样的 三氮转化曲线与 PA 的曲线极为相似, 整个转化过程 推迟了4 d 左右 。这可能与光合细菌的添加有关 ,在 黑暗条件下光合细菌活性降低 ,对加快“三氮”转化过 程没有明显效果 ,相反菌液自身带有的有机氮和氨氮 延缓了转化过程 。 表 2 PA、PB 水样中三氮转化的时间状况 项目 开始转化 时间 第＊天 峰值 第＊天 转化完成 第＊天 转化持续 时间 d NH3- N01010 PANO- 2-N 6141812 NO- 3-N 8162012 NH3- N01616 PBNO- 2-N 8162214 NO- 3-N 10202414 4 结论 1 在实验条件下 ,随着时间的延长, 水体中 DO 呈上升趋势,但由于藻类等影响,DO 有一定的起伏 。 2 水体中三氮转化速度与环境条件有密切关 系。NH - 3- N 浓度随时间的延长逐渐下降 ,WA WB 和 NA NB 水样中的NH3- N 转化速率要明显高于 PA PB。 WA WB 和 NA NB 水样在 转化 过程 中 NO - 2-N 及 NO - 3-N的浓度一直维持较低水平, 不存在累积现象, 而PA PB 中 NO - 2-N 及NO - 3N 存在明显的累积现象 。 3 添加光合细菌有利于WA WB 和 NA NB 水样 的三氮转化 ,但是对 PA PB 却起抑制作用 。 参考文献 [ 1] Han-Seung Kim, Hiroyuki Katayama, Satoshi Takizawa , Shinichiro Ohgaki. 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[ 13] 陈繁忠, 丁爱中, 傅家谟, 盛国英. 影响光合细菌净水效果的因 素. 科学通报,2003, 45 2797 -2801. 作者通讯处 俞盈 100049 中国科学院研究生院 通讯联系人 陈繁忠 510640 中国科学院广州地球化学研究所有 机地球化学国家重点实验室 电话 020 85290191 E -mail cfz99gig . ac. cn 2006- 10-25 收稿 37 环 境 工 程 2007年 6 月第25 卷第3 期 WASTEWATER AND THE REUSE OF RECLAIMED WATER IN DISCRETE RESIDENTIAL AREASYang Qun Zhang Beiping Yang Gaohua et al 24 Abstract With the example of the construction of the wastewater advanced treatment and the reclaimed water reuse system of Gardening Resident Park in the east-west district of Wuhan, it is recommended a kind of biochemical -physico -chemical -ecological process of domestic wastewater treatment. This process is especially suitable for advanced treatment and the reuse of domestic wastewater of discrete residential areas, whose nitrogen content of the wastewater is higher. It has the advantages of stable working efficiency, low energy consumption, less land and easy coordination with the soundings. Keywords discrete residential areas, advarrced treatment of domestic wastewater, reuse of reclaimed water, membrane -biological-reactor with A -A -O route SUBMERGED MEMBRANE BIOREACTOR FOR SLAUGHTERING WASTEWATER TREATMENT Li Zhidong Li Na Zhang Honglin et al 27 Abstract In this examination, it is carried out 90 -day period experiment for studying on the treatment of slaughtering wastewater by MBR. The results show that the average removal rate of CODCris over 95 and the removal rate of BOD5is stable;the removal rate of NH3-N is 93. 7; the removal rate of TSS, turbidity, SS and animal oil fat are respectively over 99. 0, 99. 0, 99. 3, 95. 8. Membrane pollution did not occur during the operation of 90 d. Keywords membrane bioreactor and slaughter wastewater A STUDY ON DOMESTIC WASTEWATER TREATMENT BY ELECTROCATALYTIC OXIDATION Wang Dingguo Wang Jianfei Li Binghua 29 Abstract Three kinds ofmental oxide modified electrode, Ti SnO2-Sb2O3、Ti RuO2-IrO2and Ti SnO2-Sb2O3-MnO2 PbO2,were made in the experiment. They were used to treat glucose solution to choose the best efficient electrode which is used to treat domestic waste water. Finally, Ti SnO2-Sb2O3-MnO2 PbO2was selected as the best anode. It had been investigated that the effects of electrolysis time, electrolysis current density and electrolyte concentration on the electrolytic efficiency . Keywords electrocatalytic oxidation, Ti SnO2-Sb2O3-MnO2 PbO2electrode, glucose solution and domestic wastewater FEASIBILITY TEST OF TREATING HIGHCONCENTRATION NH3-N WASTEWATERBY HYBRID MEMBRANE BIOREACTORZhang Zhuqing Hu Mingzhong Zhang Long 32 Abstract The removing rate of NH3-N of a hybrid membrane bioreactor using chitin as carrier can almost achieve 100, while the influent NH3-N concentration is 2 100 mg L, and the ammonium loading is 2. 19 kg m3d. The running state of the system is stable. As the amount of chitin is 2. 778 g L, the membrane flux rate remains about 87. Keywords high concentration NH3-N wastewater, hybrid membrane bioreactor and membrane pollution SIMULATIVE EXPERIMENT ON NITROGEN TRANSLATION OF POLLUTED WATER Yu Ying Chen Fanzhong Sheng Yanqing et al 35 Abstract Taking the badly polluted municipal river as the studying targets, the relationship between nitrogen translation and environment conditionswas obtainedthrough this simulated experiment. The results showedthat when the water sampleswere indoor or outside, the variability of ammonia concentration presented very quickly, but the concentrations of nitrite and nitrate were almost not variable. However, when the water samples were put into incubator, their corresponding concentrations were no longer increased or decreased evidently . The effect of photosynthetic bacteria on nitrogen translation also was studied at the same time. It showed that photosynthetic bacteria can accelerate nitrogen translation when the water samples were indoor or outside, but the velocity of nitrogen translation would slow down when the samples were put into incubator. Keywords municipal river, nitrogen translation and photosynthetic bacteria THE TESTING CONDITIONS OF AIR STRIPPING AS A PRETREATMENT FOR AMMONIA NITROGEN IN COKE PLANT WASTEWATER AND PROJECT APPLICATION Li Ruihua Wei Chaohai Wu Chaofei et al 38 Abstract Aiming at the severe impact on the sequent biotreatment with ammonia nitrogen in coke plant wastewater, the influencing factors on the removal rate of ammonia nitrogen including the temperature of the wastewater, the air liquid ratio, the stripping time and the predictive pH on the remove rate of ammonia nitrogen were investigated in the bench -scale reactor. The results showed that when treating the coke plant wastewater with the optimal operational conditions, under the wastewater scale of 70 m3 h, the removal rate of ammonia nitrogen reached 68～ 85, and there was basically no influence on the process of sequent biotreatment. Keywords air stripping, coke plantwastewater, ammonia nitrogen and pretreatment THE STUDY ONBIOPURIFICATIONOF NH3, H2S ANDTRIMETHYLAMINE -CONTAINING ODOR FROM AQUATIC FEEDHu Fang Wei Zaishan Ye Weijun 41 Abstract It was selected the major components of the odor from aquatic feed factory, and hydrogen sulfide, ammonia and trimethylamine were taken as the target pollutants. Biological packed column was used for treating these pollutants. The research aimed at understanding the parameters affecting bioreactor perance. The results were as follows the biotic community in the packed column had a good ability to degrade the target pollutants and the inlet concentration, gas flux and spray streams capacity had a little effect on the odor removal efficiency . When the inlet concentrationwas no more than 300 mg m3, the gas flow was no more than 0. 45 m3 g the residence time was no less than 20 sand the 3 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25,No. 3, Jun. , 2007