摘要
离子型稀土矿山尾水具有酸性、无机、高氨氮的特征，甚至含有重金属钇（Y3+），已成为区域水环境的重要污染源。物化法处理该废水存在运行成本高昂和易产生二次污染等不足。相比之下，生化法运行成本相对较低且维护简单。然而，传统生化法处理该废水存在外部碳源需求量大和重金属耐受性低的缺陷。好氧颗粒污泥（AGS）是一种新型的废水处理技术，其独特的分层结构及高耐毒性使其具备同步脱氮除重金属的潜力，为治理离子型稀土矿山尾水提供一种新思路。本研究以实现AGS同步脱氮除钇为目标，具体研究内容如下： 研究了AGS在0.2、0.4、0.8、1.2及1.6kg/m3·d五种不同进水氮负荷环境中的稳定性。首先观测在30天无机废水处理过程中AGS的除污性能，然后测定结束时污泥组分、理化性质指标和微生物群落以揭示稳定性规律。实验表明0.8-1.2kg/m3·d条件下培养的AGS具有更好的颗粒结构和沉降性能。0.2-1.2kg/m3·d条件下氨氮去除率维持在80%~100%之间，TIN去除率在0~40%之间波动，1.6kg/m3·d条件下氨氮去除率下降（50~70%）。AGS可以利用蛋白质（PN）、可溶性多糖（PS）、脂肪作为内源碳以促进反硝化进行。0.8-1.2kg/m3·d氮负荷中硝化菌和反硝化菌的生长和代谢相对平衡。 研究了投加外部有机碳源对自养硝化颗粒污泥（ANGS）的异养反硝化性能的提升效果。首先，探索3种影响因素（外投碳源浓度、曝气量及曝停比）对总无机氮（TIN）去除率的影响并确定它们的适宜运行范围，然后利用响应曲面法耦合出最佳工况点并模拟基质降解动力学。研究发现化学需氧量（COD）投加量为600mg/L，曝气量为0.6L/min，曝停比为9:21时，脱氮效果最好为69.39%。动力学拟合发现ANGS对硝态氮的亲和性最好（Ks=10.71mg/L）。ANGS的外源硝化反硝化对TIN去除的贡献率为85%，而内源硝化反硝化占比为15%。 探索了不同碱度和外投碳源浓度下AGS的脱氮效果。首先考察不同碱度投加量下AGS的硝化效果、硝化反应持续时长和pH的变化，然后考察不同外部碳源投加量下AGS的反硝化效果及pH变化。研究发现随着碱度的增大，硝化液出水pH呈增大趋势，氨氮呈减小趋势（79.2-19.2mg/L），硝化反应持续时间延长（50-150min）。碱度和外投碳源对AGS的同步硝化反硝化效果有重要影响，当碳源浓度和碱度分别在280mg/L和8mmol/L以上时，TIN的去除率基本不再变化（85%）。 探究了波动氨氮进水和原位超声波对无机高氨氮废水中AGS稳定性的影响。首先探究超声对AGS的理化性质、除污性能和菌群结构的影响，然后进行氮负荷波动，考察超声对AGS处理波动氮负荷废水稳定性的增益效果。研究发现1-95天接种污泥经历了先解体后造粒的过程，超声组合对照组分别在第80天和第40天完成造粒，且超声组颗粒更松散，此过程中超声组和对照组的脱氮性能十分接近（80%）。在第96-140天进行100-500mg/L氨氮负荷波动，这对污泥量（MLSS）、污泥容积指数（SVI）、造粒率无明显影响，但氨氮和TIN的去除效率发生短暂波动（70%-100%）。超声组硝化/反硝化速率均优于对照组（24.1mgN/(gSS·h)和27.0mgN/(gSS·h)），且粒径更小、结构更致密。群落分析发现超声促进了反硝化菌属的增殖。 探究了AGS对钇离子（Y3+）的吸附-解吸附效果。首先探究了曝气条件下初始浓度、pH、盐度、共存离子和粒径对吸附过程的影响，然后对吸附过程进行动力学和热力学拟合，最后通过解吸试验回收AGS。研究发现当初始Y3+质量浓度＜50mg/L时，AGS能完全吸附废水中Y3+。AGS对Y3+吸附符合伪二级模型和Langmuir模型，表明该过程是一个单分子层吸附过程且化学吸附起主导作用。XPS表征发现参与吸附官能团有酯基、羧基和氨基。NH4Cl是一种温和的解吸剂，5次重复吸附-解吸附的效率仍有50%。 探究了菌藻颗粒污泥（MBGS）脱氮除钇效果及稳定性。首先在曝气条件下驯化MBGS，然后添加Y3+，考察MBGS的稳定性变化和菌群结构迁移规律。研究发现在初始添加低浓度Y3+阶段（＜8mg/L），污泥的粒径变大，结构变得更加致密，维持了较好的总氮去除率（＞90%）。但随着Y3+浓度的增加（8-20mg/L），对MBGS体系的毒性逐渐显现，主要表现为EPS分泌量减少，耗氧活性和脱氮速率明显降低，150天后TIN去除率逐渐下降至50%。当进水中Y3+浓度增加至20mg/L后，MBGS对的吸附能力下降至60%。通过微生物测序发现Y3+对硝化细菌Armatimonadetes_gp5和绿藻真菌Chlorophyta具有强烈毒性。
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