操作方式及营养物对厌氧污泥形态、种群结构及增殖特性影响研究

发布时间：2020-06-02 19:21

【摘要】：厌氧生物处理技术具有能耗低、可回收利用沼气资源、剩余污泥量少、耐冲击负荷等优点,已成为高浓度有机废水及城市污水处理的常用方法。污泥颗粒化作为厌氧生物处理系统高效运行的关键问题之一,研究其形成、结构及微生物代谢和增殖特性对于提高厌氧生物处理系统的性能具有重要意义。有关厌氧颗粒污泥的形成、结构及种群分布特性的研究主要集中于上流式厌氧污泥床(UASB)反应器或类似的高效反应器。厌氧序批式反应器(ASBR)和完全混合式反应器(CSTR)具有结构简单,不存在配水系统堵塞,操作灵活,在处理高悬浮固体浓度废水方面具有明显优势。因此,研究这两种典型的厌氧反应器中污泥形态、结构、种群分布以及微生物增殖特性对于反应器的设计、运行和管理具有重要意义。本研究以ASBR和CSTR反应器为对象,以操作方式(序批式和连续流)和营养物对厌氧污泥形态、种群结构及增殖特性的影响为主线,首先探讨氢利用速率(Hydrogen Utilization Rate,HUR)对厌氧体系氢分压的调控作用,并作为关键性指标用以评价厌氧系统处理性能;其次,通过抑制甲烷菌诱导反应器酸化,探讨酸化进程及快速恢复策略;以葡萄糖为基质,利用荧光原位杂交(Fluorescence In Situ Hybridization,FISH)技术,探讨两种反应器中污泥的颗粒化、形态、结构及种群分布;通过测定氨氮的消耗,运用活性污泥模型对微生物增长动力学进行表征;通过测定污泥产率系数和衰减速率,建立污泥增长与基质利用之间的动力学关系;最后,采用间歇试验法,研究了CSTR和UASB两种连续流反应器中的污泥在不同营养状态下的储存特性。主要的研究结果如下:1.污泥浓度对HUR测定有较大影响,浓度越高,氢的传质速率越小,测定的HUR与最大HUR的偏差越大。通过方法优化,确定最大HUR测定的临界污泥浓度为1 g VSS/L;通过对5种处理不同废水的厌氧系统研究对比,表明HUR可作为厌氧生物处理系统性能的关键性指标,HUR越大,越有利于维持体系较低的氢分压,从而促进丙酸和丁酸的降解,增强污泥的总产甲烷活性,保证厌氧生物处理的高效性。2.ASBR反应器中投加BES后,反应器快速酸化,具体表现为出水COD和VFA浓度升高,日均产气量、气体中甲烷含量及混合液p H降低,这些指标均可作为厌氧反应器酸化的判断依据。提出了污泥淘洗、p H调节和逐步提高进水浓度的三步恢复策略,加快污泥恢复进程,经过50天后,ASBR反应器完全恢复。3.搅拌方式和强度对污泥颗粒化进程有重要影响。与磁力搅拌方式比较,轴流式搅拌不但剪切力温和,而且能够维持反应器中良好的混合液循环,从而为颗粒污泥的形成提供良好的水力条件。采用ASBR和CSTR反应器,分别经过45天和60天成功培养出厌氧颗粒污泥,随着污泥的颗粒化,体系的氢分压显著降低,污泥的产甲烷活性逐渐增强。EPS和丝状菌均在污泥颗粒化进程中发挥重要作用,污泥表面的丝状菌相互交错成网状结构,将其它形态的厌氧微生物(球菌、杆菌等)包裹其中,从而可有效抵御水力冲击;EPS以“针状”和“鞘形”两种结构形式存在,前者主要分布于ASBR反应器,而后者在两种反应器中均有存在;操作方式对颗粒污泥结构、种群分布及优势菌群均有重要影响。在连续流操作方式下,颗粒污泥中微生物种群呈层状分布(Layered stucture),外层主要为发酵产酸菌,内层为甲烷菌,乙酸营养型甲烷菌以丝状菌为主;而在间歇条件下,颗粒污泥中微生物种群呈群聚结构(Clustered structure),乙酸营养型甲烷菌主要为甲烷球菌,且均以单体存在。造成两种种群分布差异的原因为不同操作条件下不同的基质浓度梯度。4.基于厌氧微生物增殖对氨氮的利用,发现氨氮对ASBR中微生物生长的影响大于CSTR;产酸菌的比增长速率大于甲烷菌,氨氮对产酸菌的影响大于甲烷菌;测定了厌氧污泥产率系数和衰减速率,并建立了污泥增长与基质利用间的动力学关系。不同的操作方式下,厌氧微生物中蛋白质的含量及其分子量分布存在较大差异,ASBR反应器中污泥蛋白质含量为482 mg/g VSS,而CSTR反应器中为650 mg/g VSS,ASBR中厌氧微生物胞内蛋白质的分子量分布较CSTR更广泛,即ASBR中部分蛋白质分子量较高,大分子量蛋白质使得ASBR中污泥的衰减速率较小。5.通过间歇试验,证实了CSTR和UASB两种连续流反应器中的微生物均具有储存潜力。在不同的氮磷营养条件下,微生物的糖原储存能力不同,其中无氮条件下微生物储存能力表现最强,无磷条件下次之,同时无氮磷时最小;营养物限制条件下的糖原储存量均大于营养平衡条件下的糖原储存量,说明营养物缺乏能够激发微生物的储存潜能,通过储存,以抵御营养缺乏对自身的不利影响并维持自身细胞结构和代谢。
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X703

【参考文献】