亚硝化过程控制与厌氧氨氧化工艺运行及其微生物特性

发布时间：2020-05-31 03:51

【摘要】：以亚硝化工艺和厌氧氨氧化(Anammox)工艺为基础的新型脱氮工艺具有良好的应用前景。本研究针对亚硝化工艺控制过程复杂、运行难稳定以及厌氧氨氧化菌富集缓慢、工艺启动周期长等关键问题,通过实验探讨了亚硝化工艺和厌氧氨氧化工艺的启动及稳定运行策略,并借助分子生物学分析手段和方法,探究在不同选择压力(进水条件、控制参数)和不同环境条件(反应器类型、接种污泥)下,微生物群落结构的特点和演替规律,建立“影响因子-功能微生物种群结构变化-反应器运行效果”的内在联系,从根本上探索亚硝化工艺和厌氧氨氧化工艺启动及稳定运行的充要条件,为新型高效的生物脱氮技术提供理论支持。以沈阳市南部污水处理厂二沉池排出的好氧污泥为种泥,采用传统序批式活性污泥法工艺(SBR),以人工模拟废水为处理对象,采取低氧运行与利用氯酸钾和联氨作抑制剂策略,经过84天培养驯化成功启动了亚硝化工艺,氨氧化率和亚硝酸盐积累率分别为86.02%和83.13%。此后,通过添加联氨(10 mg/L)和快速提升进水氨氮浓度(至550 ±10 mg/L)的方式,实现了从完全亚硝化向半亚硝化的转型,出水中N02-N:NH4+-N摩尔比约为1.07,满足厌氧氨氧化工艺进水要求。通过平行试验进一步确定了亚硝化工艺最佳运行工艺条件,当pH、溶解氧(DO)分别为8.0、0.5 mg/L,抑制剂氯酸钾和联氨的最佳投药剂量分别为5 mmol/L、5 mg/L时,系统平均氨氧化率分别可达92.93%和98.36%,平均亚硝酸盐积累率分别可达78.89%和86.08%,试验结果表明联氨提升亚硝化效果的能力优于氯酸钾。采用高通量免培养测序技术对亚硝化工艺不同时期活性污泥中细菌微生物群落结构进行了分析,结果表明,长期驯化后系统内细菌群落多样性下降,主要优势门类群为变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)和拟杆菌门(Bacteroidete);变形菌门下的氨氧化菌(AOB)亚硝化单胞菌科(Nitrosomonadaceae)是亚硝化功能的承担者,其丰度与系统的亚硝化能力呈正相关;接种污泥经氯酸钾和联氨驯化后,变形菌门丰度从初始的36.37%分别被提升至62.34%和72.33%,Nitrosomonadaceae丰度分别达到51.55%和59.49%,而亚硝酸盐氧化菌(NOB)硝化螺旋菌(nitrospira)从5.64%下降至0.01%；长期处于低氧条件,厌氧绳菌纲AnaerolineaeSBR1031细菌和WS6门细菌丰度上升成为群落优势菌;间歇投加5 mmol/L氯酸钾时,Aritrosomonatdaceae丰度最高可达到29.51%,而间歇投加5 mg/L联氨时,Nitrosomonadacmoe丰度最高可达60.20%,相比传统抑制剂氯酸钾,添加联氨更有利于提高氨氧化细菌在群落中的丰度。综合以上结果说明,采取低氧运行并选用适当的抑制剂,可以有效抑制NOB的增殖,有利于提高AOB功能菌在群落内的相对丰度,直接体现为亚硝化体系能够获得更高的氨氧化率和亚硝酸盐积累率,且工艺运行更加稳定。分别以单级短程硝化-厌氧氨氧化脱氮工艺(SNAP)工艺污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥为接种物,上流式厌氧污泥床(UASB)和连续搅拌反应器系统(CSTR)为反应器,以人工模拟废水为处理对象,基于基质胁迫和水力压力的工艺运行策略,考察了接种污泥类型和反应器类型对厌氧氨氧化工艺启动及运行性能的影响。结果显示,AR1(SNAP污泥,UASB反应器)、AR2(Anammox颗粒污泥,UASB反应器)和AR3(Anammox颗粒污泥,CSTR反应器)经历73天、53天和50天驯化,均成功实现了厌氧氨氧化工艺的启动。3个反应器分别290天、276天和289天稳定运行均可以培养出红色厌氧氨氧化颗粒污泥,并实现高效高负荷脱氮,最高总氮负荷分别达到 11.51 kg-N/(m3·d)、16.43 kg-N/(m3·d)和 27.44 kg-N/(m3·d),对应总氮去除负荷可达到 9.53 kg-N/(m3·d)、14.09 kg-N/(m3.d)和 24.00 kg-N/(m3·d)。上述结果表明,以厌氧氨氧化颗粒污泥为种泥可以缩短启动的时间,启动过程中脱氮效果更稳定,可获得更高的脱氮性能;CSTR作为厌氧氨氧化工艺启动及运行反应器,具有传质效果好、抗冲击负荷能力强和脱氮性能更佳的优势。采用高通量免培养测序技术分析厌氧氨氧化工艺启动和稳定运行阶段活性污泥中细菌类微生物群落结构,结果表明,受接种污泥类型和反应器类型的影响,各反应器内细菌微生物群落演替规律及优势类群组成和丰度的差异较大。AR1反应器运行各阶段污泥中主要优势门为变形菌门和厚壁门(Firmicutes);长期运行后,浮霉菌门(Planctomycetes)、绿弯菌门和绿菌门(Chlorob/)丰度上升成为优势门类群；厌氧氨氧化菌Candatus Brocaia丰度显著升高,稳定期丰度达到10.71%成为厌氧氨氧化功能主要承担者;红环菌科RhodocyclaceaeDok59属、OD1门细菌和梭菌属(Clostridium)在稳定运行阶段丰度上升成为优势属类群。AR2反应器运行各阶段污泥中主要优势门为变形菌门、浮霉菌门、绿弯菌门、绿菌门;长期运行后,拟杆菌门和酸杆菌门(Acidobacteria)丰度上升成为优势门类群;Brocadiaceae主导厌氧氨氧化反应,驯化后丰度从接种时的31.24%下降至稳定期的 7.00%;丛毛单胞菌科(Comatonadaceae)、hoccyclaceaeDok59 属、热单孢菌属(Thermomonas)、A naerlineae和Ignaetrgaceae为系统内优势属类群。AR3反应器运行各阶段污泥中主要优势门为变形菌门、浮霉菌门、绿弯菌门、绿菌门和拟杆菌门;Brocidiaceae主导厌氧氨氧化反应,在稳定期丰度达到30.86%成为第一优势属类群;Comawominadaceae 和 Rhoidocyclaceae Dok59 属,Anaerollineae和Ignavibacleriaceae均为系统内优势属类群。三个反应器中均存在高丰度具有反硝化、磷代谢功能相关的化能异养型类群,而浮霉菌门、变形菌门、拟杆菌门、绿弯菌门、绿菌门是各厌氧氨氧化工艺稳定运行期的核心门类群。启动运行过程中,AR1群落结构变化最大,AR2厌氧氨氧化菌群总丰度下降,而AR3具有最优的厌氧氨氧化菌富集效果。上述结果表明,反应器类型对厌氧氨氧化菌在群落中的丰度影响大于接种污泥类型的影响,但不同种泥来源直接影响厌氧氨氧化菌的种类,二者的综合作用决定了反应器的综合脱氮效能。基于宏基因组学研究,以Candidats Kuenenia stuttgartiessis为模式细菌进行代谢通路分析,结果发现,在四氢叶酸(THF)、辅酶A(CoA)、辅酶Q(CoQ)和生物素(biotin)等重要生长因子的代谢途径上,部分酶蛋白编码基因不表达或缺失,这可能造成生长因子的合成障碍,推测厌氧氨氧化菌为营养缺陷型细菌,必须以互利共生的生长方式存在于活性污泥的细菌群落中,这一研究结果阐明了厌氧氨氧化菌无法进行纯培养的原因。该发现对构建更稳定的厌氧氨氧化体系以及对厌氧氨氧化宏基因组研究具有一定的启示。本研究成果为进一步完善亚硝化工艺和厌氧氨氧化工艺的启动及稳定运行进行了有益的探索,对以这两种工艺为基础的新型生物脱氮技术的应用具有一定的指导意义。
【图文】：

氨氧化细菌,系统发育树,基因序列,亚硝化

形态特征多为球状、杆状、螺旋状，广泛存在于土壤、淡水和海洋等逡逑环境中，可以将氨氮氧化成亚硝态氮。序列同源性系统发育分析表明氨氧化菌的逡逑系统发育相对单一，均属于变形菌门的Ｐ－和Ｙ－变形菌纲（如图１．１）。目前已知的逡逑ＡＯＢ可分为５个属，分别为亚硝化球菌属（ＭＹｒａｗｃｏｃｃｗｓ）、亚硝化单胞菌属逡逑亚硝化叶菌属亚硝化螺菌属（ＭＹｒｏｓｕｓｐ／ｒａ）、逡逑－６－逡逑

厌氧氨氧化,生物脱氮,机理

氧氨氧化反应机理逡逑厌氧氨氧化反应机理及厌氧氨氧化细菌内部分子传质途径，能艺优化提供理论依据。Ｊｅｔｔｅｎ等［６８］提出了厌氧氨氧化氮代谢反应为ＮＣＹ－Ｎ会在亚硝酸还原酶的作用下被催化还原成ＮＨ２ＯＨ，Ｎ酶（Ｈｙｄｒａｚｉｎｅ邋Ｈｙｄｒｏｌａｓｅ，ＨＨ）的催化下与ＮＨ３结合成Ｎ２Ｈ４，酶（ＨｙｄｒａＺｉｎｅ邋Ｏｘｉｄｏｒｅｄｕｃｔａｓｅ，ＨＺＯ）将Ｎ２Ｈ４还原成Ｎ〗。但该厌氧氨氧化反应产生ＮＣＶ的现象。随着宏基因组等技术的开发，基因组及酶学对厌氧氨氧化机理模型进行了修正。修正后的模亚硝酸的还原产物不是ＮＨ２ＯＨ而是Ｎ０，亚硝态氮被ｃｄｌ型亚ｉｔｅ邋ｒｅｄｕｃｔａｓｅ，Ｎｉｒ）还原成邋ＮＯ，，ＮＯ邋在联l#合成酶（ＨｙｄｒａＺｉｎｅ邋Ｓ催化下与ＮＨ４＋结合成Ｎ２Ｈ４，随后联l#水解酶（Ｈｙｄｒａｚｉｎｅ邋ＤｅＨｙｄｒｏＮ２Ｈ４还原成Ｎ２，而且亚硝酸盐氧化酶可以将电子受体Ｎ（Ｖ转化
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X703

【参考文献】