基于灭活和电磁策略的厌氧氨氧化强化启动研究
发布时间：2020-11-22 08:53
厌氧氨氧化(Anammox)工艺是基于厌氧氨氧化微生物以N02-N为电子受体,将NH4-N直接氧化为N2的脱氮途径而发展形成的新型脱氮工艺。该工艺无需添加额外碳源,无需曝气,不产生温室气体,反应流程简单等优点,具有广泛的应用前景。但由于目前已知的厌氧氨氧化菌普遍具有倍增周期漫长,对温度、溶解氧、pH等环境条件要求苛刻等缺陷,厌氧氨氧化工艺的应用长期得不到快速发展。近几十年,污水处理的资源化理念日益受到重视,Anammox作为新一代低耗能污水脱氮工艺,从20世纪90年代首次在污水处理工艺中被发现以来,一直被视作未来污水处理领域的重要发展方向。世界各地水处理领域的研究人员从厌氧氨氧化的基础理论到实践应用进行了不断深入和广泛的探讨。针对Anammox菌倍增时间长的缺陷,有研究采用电场、磁场等物理手段优化微生物的生长代谢环境,以加快厌氧氨氧化菌的富集,缩短工艺启动时间,也有研究通过降低接种污泥中共存微生物的活性,以使Anammox菌获得更好的竞争环境,而达到快速富集的效果。本研究延续以上两方面的研究思路,拟从降低共存微生物的活性和促进厌氧氨氧化菌自身活性两个途径进行工艺强化研究。一方面,采用经高压蒸汽灭活的厌氧颗粒污泥为接种污泥,进行Anammox工艺启动。接种污泥中的部分微生物被灭活,其与Anammox菌的竞争能力降低,更有利于Anammox菌的生长。另一方面,通过具有生物亲和性的特定电磁波照射,强化Anammox工艺。采用的特定电磁波可促进微生物的生长繁殖和新陈代谢等生命活动,能够促进Anammox菌富集和其活性的提高,实现工艺强化。主要研究结论如下:(1)接种高压蒸汽灭活污泥的反应器的Anammox启动时间从72天缩短到63天,启动时间节省了约12.5%,qPCR分析结果显示,启动阶段前50天厌氧氨氧化菌的比生长速率从0.014/d增长为0.045/d。在氮负荷提升阶段,差异系数分析结果表明,接种灭活污泥的反应器面对氮负荷的冲击,其脱氮性能能够保持更高的稳定性。基于高通量测序的微生物群落结构进行分析,发现接种灭活污泥的反应器中微生物群落多样性和丰富度明显降低,而厌氧氨氧化菌属Candidatus Jettenia,Candidatus,Brocadia fU Kuenenia的相对丰度明显增加。(2)特定电磁波能在短期内提升厌氧氨氧化菌的活性,批量试验结果显示,经过30分钟的照射,比厌氧氨氧化活性(SAA)提升了 76%,其对照结果表明,特定电磁波对Anammox的作用途径主要为对Anammox菌的直接照射,而非通过改变水的理化性质间接影响Anammox活性。(3)特定电磁波能够强化Anammox工艺的启动,启动时间从57天缩短到36天,缩短了 37%。反应器运行129天后,氮去除速率达到了 2541 mg-N/m3/d,相比对照组提升了 17.7%。基于qPCR结果的指数曲线拟合分析表明,特定电磁波照射的反应器中Anammox菌的最大比生长速率从0.024/d提升到0.031/d。高通量测序结果表明特定电磁波不会对微生物群落的丰富度和多样性产生明显影响,但基于高通量测序数据的PICRUSt群落功能预测表明,特定电磁波能够为Anammox菌创造更适合的生境。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X703
【部分图文】：
学者的支持［２８］。??２０１１年Ｋａｒｔａｌ等人在前人研究的基础上，通过示踪实验对Ａｎａｍｍｏｘ进行深??入研宄，将化学反应模型最终确定为图１－１模式。根据该模型，反应物Ｎ０２＿现被??还原为ＮＯ，然后ＮＯ作为氧化剂将ＮＨ４＋氧化为Ｎ２Ｈ４，进而被氧化成Ｎ２［２９］。同??时，Ｋａｒｔａｌ等人以此为基础提出了厌氧氨氧化菌的生化反应模型，如图１．２所示。??具体反应过程是：亚硝态氮在亚硝酸还原酶（Ｎｉｔｒｉｔｅｒｅｄｕｃｔａｓｅ，ＮＩＲ）的作用下被??还原成ＮＯ；?ＮＯ和氨氮在联胺合成酶（Ｈｙｄｒａｚｉｎｅ?ｓｙｎｔｈａｓｅ，?ＨＺＳ）的作用下转化??形成联胺；联胺在联胺脱氧酶（Ｈｙｄｒａｚｉｎｅ?ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅ，?ＨＤＨ）的作用下生成??Ｎ２，并释放出质子和电子各４个，质子用于ＡＴＰ的合成，为细胞生长和新陈代??谢提供所需的能量，电子传递给ＮＩＲ维持反应的进行。????－．、、??
学者的支持［２８］。??２０１１年Ｋａｒｔａｌ等人在前人研究的基础上，通过示踪实验对Ａｎａｍｍｏｘ进行深??入研宄，将化学反应模型最终确定为图１－１模式。根据该模型，反应物Ｎ０２＿现被??还原为ＮＯ，然后ＮＯ作为氧化剂将ＮＨ４＋氧化为Ｎ２Ｈ４，进而被氧化成Ｎ２［２９］。同??时，Ｋａｒｔａｌ等人以此为基础提出了厌氧氨氧化菌的生化反应模型，如图１．２所示。??具体反应过程是：亚硝态氮在亚硝酸还原酶（Ｎｉｔｒｉｔｅｒｅｄｕｃｔａｓｅ，ＮＩＲ）的作用下被??还原成ＮＯ；?ＮＯ和氨氮在联胺合成酶（Ｈｙｄｒａｚｉｎｅ?ｓｙｎｔｈａｓｅ，?ＨＺＳ）的作用下转化??形成联胺；联胺在联胺脱氧酶（Ｈｙｄｒａｚｉｎｅ?ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅ，?ＨＤＨ）的作用下生成??Ｎ２，并释放出质子和电子各４个，质子用于ＡＴＰ的合成，为细胞生长和新陈代??谢提供所需的能量，电子传递给ＮＩＲ维持反应的进行。????－．、、??
根据本研宄所制定的研究计划和内容，参考课题组相关研究实例，设计并制??作了两套独立的厌氧氨氧化反应器实验装置。针对灭活污泥强化Ａｎａｍｍｏｘ启动??的研宄，所制作ＵＡＳＢ反应器装置图见图２－１；针对电磁波强化策略的研宄，所??制作的上流式柱形厌氧反应器示意图见图２－２，该反应器装置是一种改进型??ＵＡＳＢ反应器装置，为配套电磁波照射装置的使用，对反应器材料和结构进行了??一定程度的改进，是一种受专利保护的反应器装置。??２．１．１灭活污泥强化厌氧氨氧化反应器??下图（图２－１）为灭活污泥强化Ａｎａｍｍｏｘ启动的研究所采用的ＵＡＳＢ反应??器装置。该装置示意图中各组件依次为：１．水浴箱，２．出水桶，３．排气管，４．ＵＡＳＢ??反应器，５．循环管，６．蠕动泵，７．进水桶。反应器主体采用有机玻璃材料，侧壁??为双侧结构，内径９ｃｍ，外径１１ｃｍ，高７５ｃｍ，有效容积４．７Ｌ，中间为水浴层。??３．排气管??｜?４．ＵＡＳＢ?反離??，?６．蠕动泵??图２－１?ＵＡＳＢ反应器装置示意图??Ｆｉｇ．?２－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａ
【参考文献】
本文编号：2894443
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X703
【部分图文】：
学者的支持［２８］。??２０１１年Ｋａｒｔａｌ等人在前人研究的基础上，通过示踪实验对Ａｎａｍｍｏｘ进行深??入研宄，将化学反应模型最终确定为图１－１模式。根据该模型，反应物Ｎ０２＿现被??还原为ＮＯ，然后ＮＯ作为氧化剂将ＮＨ４＋氧化为Ｎ２Ｈ４，进而被氧化成Ｎ２［２９］。同??时，Ｋａｒｔａｌ等人以此为基础提出了厌氧氨氧化菌的生化反应模型，如图１．２所示。??具体反应过程是：亚硝态氮在亚硝酸还原酶（Ｎｉｔｒｉｔｅｒｅｄｕｃｔａｓｅ，ＮＩＲ）的作用下被??还原成ＮＯ；?ＮＯ和氨氮在联胺合成酶（Ｈｙｄｒａｚｉｎｅ?ｓｙｎｔｈａｓｅ，?ＨＺＳ）的作用下转化??形成联胺；联胺在联胺脱氧酶（Ｈｙｄｒａｚｉｎｅ?ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅ，?ＨＤＨ）的作用下生成??Ｎ２，并释放出质子和电子各４个，质子用于ＡＴＰ的合成，为细胞生长和新陈代??谢提供所需的能量，电子传递给ＮＩＲ维持反应的进行。????－．、、??
学者的支持［２８］。??２０１１年Ｋａｒｔａｌ等人在前人研究的基础上，通过示踪实验对Ａｎａｍｍｏｘ进行深??入研宄，将化学反应模型最终确定为图１－１模式。根据该模型，反应物Ｎ０２＿现被??还原为ＮＯ，然后ＮＯ作为氧化剂将ＮＨ４＋氧化为Ｎ２Ｈ４，进而被氧化成Ｎ２［２９］。同??时，Ｋａｒｔａｌ等人以此为基础提出了厌氧氨氧化菌的生化反应模型，如图１．２所示。??具体反应过程是：亚硝态氮在亚硝酸还原酶（Ｎｉｔｒｉｔｅｒｅｄｕｃｔａｓｅ，ＮＩＲ）的作用下被??还原成ＮＯ；?ＮＯ和氨氮在联胺合成酶（Ｈｙｄｒａｚｉｎｅ?ｓｙｎｔｈａｓｅ，?ＨＺＳ）的作用下转化??形成联胺；联胺在联胺脱氧酶（Ｈｙｄｒａｚｉｎｅ?ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅ，?ＨＤＨ）的作用下生成??Ｎ２，并释放出质子和电子各４个，质子用于ＡＴＰ的合成，为细胞生长和新陈代??谢提供所需的能量，电子传递给ＮＩＲ维持反应的进行。????－．、、??
根据本研宄所制定的研究计划和内容，参考课题组相关研究实例，设计并制??作了两套独立的厌氧氨氧化反应器实验装置。针对灭活污泥强化Ａｎａｍｍｏｘ启动??的研宄，所制作ＵＡＳＢ反应器装置图见图２－１；针对电磁波强化策略的研宄，所??制作的上流式柱形厌氧反应器示意图见图２－２，该反应器装置是一种改进型??ＵＡＳＢ反应器装置，为配套电磁波照射装置的使用，对反应器材料和结构进行了??一定程度的改进，是一种受专利保护的反应器装置。??２．１．１灭活污泥强化厌氧氨氧化反应器??下图（图２－１）为灭活污泥强化Ａｎａｍｍｏｘ启动的研究所采用的ＵＡＳＢ反应??器装置。该装置示意图中各组件依次为：１．水浴箱，２．出水桶，３．排气管，４．ＵＡＳＢ??反应器，５．循环管，６．蠕动泵，７．进水桶。反应器主体采用有机玻璃材料，侧壁??为双侧结构，内径９ｃｍ，外径１１ｃｍ，高７５ｃｍ，有效容积４．７Ｌ，中间为水浴层。??３．排气管??｜?４．ＵＡＳＢ?反離??，?６．蠕动泵??图２－１?ＵＡＳＢ反应器装置示意图??Ｆｉｇ．?２－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａ
【参考文献】
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本文编号：2894443
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