内聚物驱动生物脱氮除磷机理及优化控制研究

发布时间：2020-06-05 09:15

【摘要】：污水生物处理过程中,微生物摄磷需要消耗大量有机碳源,而反硝化也需要一定浓度有机物作为电子供体。我国南方地区污水处理厂进水有机物浓度较低,普遍存在碳源不足的问题,需要投加碳源以满足微生物摄磷及反硝化的碳源需求,因而处理成本较高。这不仅严重阻碍了污水处理厂的运营与发展,也深深制约着生物脱氮除磷的推广与应用。因此,研发一种经济高效且稳定可靠的生物脱氮除磷方法对解决日趋严重的水体富营养化问题至关重要。近年来,有研究表明活性污泥系统外碳源丰富-贫乏的运行模式可诱导微生物产生体内储能聚合物迅速积累/缓慢分解的代谢响应。本课题拟将微生物这一代谢行为与污水中氮磷的去除进行偶联,使污水中的有机物主要通过细胞内聚合物的过量积累来去除,并将积累的内聚物作为微生物摄磷的内碳源及后续反硝化过程的电子供体,实现内聚物驱动生物脱氮除磷。这不仅能解决反硝化需投加碳源的难题,同时可减少有机物去除时的能量消耗,降低脱氮成本,极具应用潜力。本文通过外碳源丰富-外碳源贫乏-内碳源贫乏运行模式建立内聚物驱动生物脱氮除磷系统,考察不同基质条件下内聚物的储能情况,进而对内聚物驱动生物脱氮除磷过程的控制参数进行优化,并分析不同基质条件下微生物群落结构特征的变化。随后通过比较内聚物驱动生物脱氮除磷系统与传统脱氮除磷工艺及单级好氧反应器的脱氮除磷效果,考察系统的脱氮除磷性能,并通过分析典型周期内氮磷元素及微生物体内储能物质的变化,探讨了内聚物驱动生物脱氮除磷系统的作用机制。最后,以生活污水为研究对象,检验了系统在实际废水处理应用中的脱氮除磷效果。研究结果表明,通过在好氧/缺氧/闲置交替运行,反应器中取得良好的脱氮除磷效果,系统氨氮和磷的去除率分别高达98%和99%,总氮去除率达80%以上。乙酸钠、丙酸钠、葡萄糖、甲醇以及乙醇等不同基质作为碳源时,内聚物种类及含量变化较大,系统脱氮除磷效果随之变化。挥发性脂肪酸(VFA)作为碳源时有利于聚β羟基烷酸盐(PHA)的合成,系统脱氮除磷效果较好。而以非VFA基质作为碳源时,PHA合成较少,系统吸磷和硝化作用不完全,脱氮除磷效率较低。VFA基质中,乙酸钠和丙酸钠系统除磷效率相当,但乙酸钠合成聚β-羟基丁酸酯(PHB)较多,系统反硝化速率更快,因而脱氮效率更高。碳源浓度、曝气强度、p H值以及闲置时间等过程控制参数对内聚物合成具有较大影响。碳源浓度较大程度上决定了微生物体内PHA合成量,碳源浓度过低时反应器中PHA积累较少,无法满足反硝化的碳源需求,因而系统反硝化速率较低。而碳源浓度过高时,过剩的碳源被反硝化菌等异养菌吸收利用,导致其大量繁殖,使聚磷菌活性下降,因而系统除磷效率较低。碳源浓度为300mg·l-1时,微生物除磷能力较强,系统除磷效率高达98%。同时反应器中pha积累较多,可满足反硝化作用的碳源需求,因而系统反硝化速率较高,总氮去除率达89%。当曝气强度过低,反应器中供氧不足,因而pha积累量较少。而曝气强度过高,过剩的曝气将消耗合成的pha。曝气速率为2l·min-1时,反应器中pha积累较多,系统脱氮除磷性能较好。微生物对ph较敏感,ph过低硝化作用不完全,系统除磷效率也较低。ph过高反硝化过程受到抑制,除磷系统被恶化。ph为7.5时,微生物除磷能力较强,硝化与反硝化作用较充分,系统对氮磷的去除效率分别高达84%和98%。闲置期可诱导好氧段内聚物合成,对实现内聚物驱动生物脱氮除磷至关重要,同时闲置段有利于强化微生物对聚磷的依赖,从而提升系统除磷能力。闲置时间为2和4h时系统脱氮除磷效果良好,闲置段延长至8h脱氮效率将受到影响。而不设置闲置段,吸磷和反硝化作用不彻底,系统脱氮除磷性能较低。微生物群落结构分析表明,内聚物驱动生物脱氮除磷系统拥有丰富的微生物群落结构,系统中占主导地位的微生物为菌胶团类细菌。乙酸钠和丙酸钠为碳源时变形菌门为优势菌,变形菌可吸收有机物合成pha,有利于提升脱氮除磷效率。甲醇和乙醇反应器中虽然变形菌仍较多,但β-变形菌纲数量减少,因而脱氮除磷效率降低。葡萄糖为碳源时,系统中丝状菌数量较多,因而脱氮除磷效率较低。通过dgge图谱与系统内聚物储能情况的耦合关系,菌胶团类细菌可能是本系统中的主要储能微生物。通过偶联典型周期内氮磷元素的变化及内聚物的积累转化,推测内聚物驱动生物脱氮除磷过程的作用机制:典型周期内氮磷元素的去除过程可分为三个阶段,即内碳源积累期、内碳源消耗期和聚磷水解期。好氧段外碳源充足,微生物迅速吸收污水中有机物合成内碳源并储存于体内;缺氧段外碳源缺乏,微生物将分解利用内碳源,为自身生长及反硝化脱氮除磷供能;闲置期,外碳源与内碳源消耗殆尽,微生物处于饥饿状态,主要依靠聚磷水解释放能量,维持自身生长与代谢,从而强化聚磷在微生物代谢中的地位。外碳源丰富-外碳源贫乏-内碳源贫乏交替运行模式,既能诱导菌胶团类细菌吸收有机质合成内聚物,还可诱导聚磷菌产生聚磷合成/水解的代谢响应,因而实现了微生物聚磷代谢与内聚物驱动反硝化作用之间的耦合。内聚物驱动生物脱氮除磷系统对氮磷的去除效果明显优于传统脱氮除磷工艺与单级好氧反应器。该系统为聚磷菌生长与代谢提供有利条件,因而取得良好的除磷效果。同时,有机碳源的吸收和内聚物的合成均发生在好氧段,使得缺氧段内聚物积累量较高,可满足反硝化过程的碳源需求,因而系统反硝化作用完全。内聚物驱动生物脱氮除磷系统处理生活污水时可取得较高的脱氮除磷效率,具有良好的可行性、稳定性与经济性。当反应器氮磷负荷分别为21.2~47.1 mg·L-1和3.2~13.5 mg·L-1,有机负荷为121~370 mg·L-1时,系统平均出水氮磷浓度分别低至6.5和0.29 mg·L-1,平均氮磷去除率高达80%和97%,且长期运行过程中的平均COD去除率达81%。本课题通过耦合微生物聚磷代谢与内聚物驱动反硝化过程,并优化过程控制参数,初步揭示了内聚物驱动生物脱氮除磷的作用机制,丰富了现有的生物脱氮除磷理论,为解决污水生物脱氮除磷过程中碳源不足的问题提供了思路和方法,并为该技术日后的工程应用提供科学的依据与参考。
【图文】：

活性污泥,好氧,稳定运行,反应器

阶段活性污泥聚磷染色结果如图 3.3 所示。图 a、b、c、d 和 e 分别表示污泥样品来自以乙酸钠、丙酸钠、葡萄糖、甲醇以及乙醇为碳源的反应器。图3.3 各反应器稳定运行时好氧末活性污泥的DAPI染色图Fig. 3.3 DAPI staining image of the activated sludge obtained after aeration during steadyoperation根据文献报道，普通细胞核与 DAPI 染色剂结合后在荧光显微镜下呈暗色，而聚磷颗粒与染色剂结合则会呈亮色[89]。图 a 和 b 中大量簇拥成团的亮点表明，，以乙酸钠和丙酸钠作为碳源时活性污泥中含有大量的聚磷颗粒。相比图 a 和 b，图 c 中亮点较少，说明以葡萄糖为碳源时活性污泥中聚磷颗粒较少，这与反应器

序列,凝胶,反应器,图谱

内聚物驱动生物脱氮除磷机理及优化控制研究60图5.1 各反应器中污泥样品的DGGE凝胶图谱Fig. 5.1 DGGE profiles of 16S rDNA fragments obtained from the SBRs5.3.2 细菌系统发育分析图 5.1 中观察到的 28 条主要条带经切胶回收、PCR 重扩增、质粒克隆和 DGGE鉴定后进行测序，使用 GenBank 中的 Sequin win32 将测序序列提交给 GenBank，
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703

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