低基质亚硝化与厌氧氨氧化脱氮效能及微生物特性研究

发布时间：2020-05-23 18:11

【摘要】：亚硝化(PN)与厌氧氨氧化(ANAMMOX)组合工艺的开发,有效弥补了传统生物脱氮工艺的不足,并且其容积效能远高于传统的生物脱氮工艺,被视为最具可持续发展意义的新型生物脱氮工艺。目前亚硝化和厌氧氨氧化工艺的研究处理对象主要是污泥消化上清液和垃圾渗滤液等高温高氨氮废水上,而对于常温低氨氮的城市生活污水处理的研究并不多见。为了深化PN-ANAMMOX工艺的理论研究,使PN-ANAMMOX工艺广泛地应用于城市污水厂,本研究以实验室规模的亚硝化反应器和厌氧氨氧化反应器为对象,从亚硝化反应器的启动策略,稳定亚硝化的影响因素、不同温度下厌氧氨氧化反应器的脱氮效能、不同温度下厌氧氨氧化反应器微生物群落结构特征及演替规律、常温下厌氧氨氧化反应器的影响因素、PN-ANAMMOX工艺处理实际生活污水的探索等方面开展了研究。亚硝化反应器可采用多种反应器形式,本研究开展了连续搅拌反应器(CSTR)和移动床生物膜反应器(MBBR)的亚硝化试验,比较两种形式的反应器在常温低氨氮阶段的亚硝化效果。结果表明CSTR反应器比MBBR反应器更容易实现稳定的亚硝化。这是由于CSTR反应器是完全混合式的,反应器内NOB的活性可以持续全面地被高游离氨和低溶解氧所抑制,并且可以通过人工排泥将某些可能适应高游离氨环境的NOB洗脱掉,但是在MBBR反应器中,少量适应高游离氨的环境的NOB却能够和其他微生物在载体表面附着形成生物膜,因此很难被单独洗脱。另外通过将CSTR反应器投加的碱度类型从单独的Na HCO3转为Na HCO3和Na OH联合投加,在获得较好亚硝化效果的同时可以减少约60%的原料成本。与单独投加Na HCO3相比,Na OH的加入可以更为强烈地抑制NOB的活性,即使存在短时间的高浓度溶解氧或高p H值的冲击,反应器亚硝化效果也能够快速恢复。考虑到尝试将厌氧氨氧化工艺应用于城市生活污水处理中,本研究进行了中温条件下厌氧氨氧化反应器的启动和常低温低基质条件下厌氧氨氧化反应器的运行试验。33±1oC水温下,在100天内成功启动了厌氧氨氧化反应器,在进水氨氮和亚硝态氮浓度都为73 mg/L的情况下,总氮去除率为88.3±6.5%。在20±2oC,HRT 1.5 h,进水氨氮和亚硝态氮浓度分别为29 mg/L、41 mg/L时,反应器平均总氮去除负荷达到1.00 g/(L·d),平均总氮去除率为87.6%,出水(NH4++NO2-)浓度为0.08±0.08 mg/L,出水总氮浓度为5.3~12.1 mg/L。在15±1oC和10±1oC水温下,厌氧氨氧化滤池依然表现出很高的脱氮效能,平均总氮去除率分别为82.5%、73.0%。本研究考察了20±2oC水温时厌氧氨氧化反应器脱氮效能的影响因素,结果表明当进水碱度≤350 mg/L时,碱度的变化对厌氧氨氧化菌活性的影响较大,在反应器稳定运行时,控制进水碱度/氨氮比值≥1.2,可使反应器总氮去除率保持在80%以上。另外由于本研究厌氧氨氧化生物反应器进水中一直含有0.6~1.5 mg/L的溶解氧,在考察溶解氧浓度对反应器脱氮效能影响时,发现其对高浓度溶解氧有很强的抵抗能力,当进水溶解氧浓度≤3.0 mg/L时,反应器总氮去除率可以保持较高的水平。本研究对不同运行温度下的厌氧氨氧化反应器内的微生物群落特征进行研究,结果发现在进水基质不含有机碳源的情况下,反应器内仍鉴定出了大量不同的菌属。其中厌氧氨氧化菌(Candidatus Brocadia属和Candidatus Jettenia属)、反硝化菌和硝化细菌共生于反应器,但AOB和NOB菌属较为单一。同时检测到相对比例较多的Dokdonella属好氧异养菌和Gallionella属好氧自养菌,它们的存在促进了生物膜微环境的稳定,这也是常温低溶解氧低氨氮基质进水的厌氧氨氧化滤柱稳定运行的关键。在较低运行温度(15±1oC)时,厌氧氨氧化菌的活性有所降低,但是反应器内Denitratisoma属反硝化菌在脱氮过程中发挥了重要作用,使得厌氧氨氧化滤柱在15±1oC甚至10±1oC也有很好的脱氮效能。基于以上研究结果,本研究利用高负荷生物滤池处理实际生活污水获得低COD、高氨氮的二级出水,再依次通入CSTR亚硝化反应器和厌氧氨氧化滤柱中进行生活污水脱氮试验。结果表明高负荷生物滤池出水中的COD对亚硝化反应器的效能影响较小,亚硝化反应器出水中的溶解氧对厌氧氨氧化反应器的脱氮效能几乎没有影响,亚硝化反应器可以为后续厌氧氨氧化反应器持续提供适宜的基质,实现了生活污水中C、N的经济高效去除。
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文Nitrosomonas）的厌氧氨氧化速率只有 ANAMMOX 菌的 1/25。另外，，研究还发现 反 硝 化 菌 中 的 自 养 微 球 菌 （ Micrococcus denitrificans ） 和 脱 氮 副 球 菌（Paracoccus denitrificans）[97]能够利用氢气作为电子供体将硝态氮还原为氮气。1.4.3 厌氧氨氧化菌种群与特性研究目前已在多种环境中发现了厌氧氨氧化菌的存在[98-103]。而在厌氧氨氧化菌的分离纯化方面，由于厌氧氨氧化菌的增殖速率非常慢（倍增时间为 11 d）[41]，常规的细菌分离培养方法难以获得该类细菌的纯种，1999 年 Strous 等[104]利用Percoll 密度梯度离心技术，从 Candidatus Brocadia Anammoxidans 的混培物中提取出了 99.5%以上的纯种厌氧氨氧化菌，为后续的分子生物学和细胞学研究奠定了基础。目前鉴定并给出名称的厌氧氨氧化菌包括 5 个不同属的 9 个种[105,106]（表 1- 3），归入浮霉状菌门（Planctomycetes）布罗卡地科（Brocadiaceae）。浮霉菌门的主要分类[107]如图 1- 2。

胞壁；Cytoplasmic membrane：细胞质膜；Paryphoplasm：PP 质；Intracyto细胞内质膜；Riboplasm：核糖质；Nucleoid：细胞类核；Anammoxosome me体膜；Anammoxosome：厌氧氨氧化体；标尺：200 nm图 1- 3 厌氧氨氧化菌细胞的超微结构图[112]Fig. 1- 3 Ultrastructure of ANAMMOX bacterial cell[112]来源、目的、意义及主要研究内容题来源题由城市水资源与水环境国家重点实验室开放基金项目（08UW体污染控制与治理科技重大专项（2013ZX07201007）支持。究目的与意义来，全国水体污染虽得到了一定程度的遏制，但是湖泊（水库）仍然突出，水体中的氮素污染已严重威胁到我们赖以生存的生态有效的生物脱氮技术对于解决全国水体氮污染意义重大。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X703


本文编号：2677751