FeS自养反硝化与厌氧氨氧化耦合总氮去除及微生物特征

发布时间：2020-05-31 14:30

【摘要】：微生物的功能多样性对元素价态的转换存在协同作用是自然界关键的生态调节策略,充分利用这种策略,实现不同微生物的功能组合,可以发展废水处理新工艺。以Anammox技术为核心的众多耦合工艺就是利用这种策略的有益尝试,但均存在一定的局限性,包括硝酸盐的累积、微生物之间的底物竞争、毒性及排泥对Anammox菌积累的影响等。在对相关理论研究的基础上,本论文尝试了一种以Anammox和自养反硝化两种功能微生物的代谢协同为基础的新型自养脱氮模式,并进行了化学信息与微生物特征相关联的实验和理论研究。通过以静态批次实验的含氮污染物作为研究对象,把FeS投加量、NO_3~--N/NO_2~--N比值、Anammox和自养反硝化生物量之比作为反应控制条件,讨论了两种功能菌之间代谢产物互补的合作机制。研究发现过量的FeS投加在保证自养反硝化过程的彻底性之外,并不显著影响Anammox菌的代谢活性;提高NO_2~--N在电子受体中的比例,会使微生物复合群落处于代谢底物竞争关系之中,对TN的去除产生负面影响;Anammox生物量的增加加深了复合群落的合作程度,当初始NH_4~+-N与NO_3~--N的化学计量比小于0.85时,可以实现TN浓度趋零。结果表明,通过认识微生物之间的交互作用,寻求复杂微生物群落功能的规划或调控,可以设计出更加合理的废水处理工艺,达到低物耗投入条件下目标污染物的高效去除。在批次多因素实验的基础上建立了连续流的生物流化床反应器平台,探究了Anammox与自养反硝化耦合体系长期运行的脱氮性能及微生物群落结构演变。在进水氮负荷为8.33 mg N·(L·h)~(-1)且NO_3~--N/NH_4~+-N为1.0的情况下,反应器对NO_3~--N和NH_4~+-N的去除率可分别达到100%和72.63%。自养反硝化过程起到为Anammox过程提供充足NO_2~--N的作用,并保证了体系中NO_x~--N的完全去除,而Anammox过程则保证了进水TN的高去除率,其对TN去除的贡献率保持在80%以上。在长期运行过程中,执行自养反硝化功能的Thiobacillus和执行Anammox功能的Candidatus Kuenenia均在反应器中实现了良好的保留,其相对丰度分别为20.32%-23.64%和3.52%-8.67%。此外,由于FeS的双元素提供电子特性,反应器可保持稳定的pH值和产生较少的SO_4~(2-)副产物,同时覆盖在污泥表面的FeS逐渐转化为片状的次生矿物FeOOH。以上研究工作将为废水中含氮污染物的去除提供新的节能降耗途径。
【图文】：

氮循环,微生物

这个循环过程主要包括微生物代谢酶执行的 14 个氧化还原反应，这里不包括有机氮和氨氮之间的相互转化，如图1-1 所示[3]。图 1-1 微生物构成的氮循环网络Fig 1-1 The microbial nitrogen-cycling network利用微生物去除废水中的含氮化合物已经发展成为既具有前沿性又实用性的水处理技术。微生物介导氮转化表现出惊人的多样性，，每种微生物都存在各自适宜的生长环境。从原理上讲，废水生物脱氮就是通过人为的工程干预，协调多种功能微生物之间的关系，使底物、温度和 pH 等条件均达到微生物所需要的最优状态，以高效实现氮污染物转化为氮气的目的。废水包含多种价态和形态的含氮化合物，包括还原态的有机氮和氨氮，以及氧化态的亚硝酸氮和硝酸氮。因此，废水生物脱氮涉及氨化、硝化、反硝化和厌氧氨氧化等多个生物化学过程。

厌氧氨氧化,亚硝化,耦合系统,反硝化

图 1-2 亚硝化-厌氧氨氧化-反硝化耦合系统中的物质流Fig 1-2 Material flow in partial nitrification-anammox-denitrification coupling system题选题依据与研究内容选题依据水是人类在生产和生活过程中产生的蕴含 C、N、P 等多种元素的副产物和资源的双重属性，且伴随人口的增长和工业化进程的推进呈现逐渐增实现废水处理的可持续发展，人们倾向于将废水处理过程从强制性的耗能改造为能量自给或输出的化工厂。这个过程所面临的总氮去除-碳源利用之间的矛盾，可利用低耗高效且无需外加有机碳源的 Anammox 工艺加以ox 菌以 NO2-和 NH4+为必要代谢底物，将其与短程硝化或异养反硝化相耦。但这两类耦合系统均存在一定的局限性，在实际工程的长期运行中ox 菌于反应系统的富集保留。基于硫自养反硝化菌的化能自养特性，ox 实现耦合可以避免竞争抑制现象的发生，耦合的可行性也已被证实[107
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703

【参考文献】