城市污水主流厌氧氨氧化连续流工艺的脱氮除磷效能研究

发布时间：2020-06-18 07:13

【摘要】：城市污水主流厌氧氨氧化技术作为一种新型的生物脱氮技术具有减少曝气能耗、节约水处理费用和降低温室气体排放等诸多优点,被认为是构建未来新型污水处理厂最为合适的主流脱氮技术。目前,城市污水主流厌氧氨氧化的可行性虽然已经得到验证,但低温低氨氮的城市污水水质特点,以及竞争性微生物如亚硝酸盐氧化菌(NOB)和异养菌(HB)的过量增殖依旧制约了该技术在实际中的推广应用。如何在有效持留功能性微生物如氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化(Anammox)菌的同时,抑制并淘洗系统中竞争性微生物(如NOB和HB)是亟需解决的关键问题。本论文首先对城市污水主流厌氧氨氧化工艺相关的功能细菌进行了单独富集培养和特性研究,探讨了在连续流工艺中进行AOB和Anammox菌的富集同时抑制NOB的相关运行策略。然后考察了缺好氧交替运行对于长期稳定维持城市污水连续流短程硝化工艺的可行性。最后采用絮体污泥结合固定床生物膜(IFAS)的污泥形式和缺好氧交替的功能区布局提出了一套城市污水连续流主流厌氧氨氧化脱氮除磷新工艺,并详细研究了该工艺的启动和稳定运行,为我国城市污水主流厌氧氨氧化技术的推广应用提供了理论指导和技术支持。针对NOB过量增殖的问题,提出了好氧饥饿(无外加底物、保持曝气)结合实时控制快速启动城市污水SBR工艺短程硝化的新方法。饥饿恢复期间AOB快于NOB的活性恢复能力和功能基因表达水平确保了SBR系统短程硝化的快速出现和AOB的富集培养。然后,基于富集培养的短程硝化污泥在A~2O系统中研究了稳定实现城市污水连续流短程硝化的控制策略,包括低溶解氧(DO)浓度、好氧饥饿处理和生物强化,结果表明由于连续流系统中Nitrospira菌属的大量增殖,低DO浓度和好氧饥饿处理策略均不适用于连续流A~2O工艺短程硝化的维持,但生物强化结合后置缺氧段的方式有助于实现和维持城市污水连续流短程硝化。以低DO/低进水基质浓度和高DO/高进水基质浓度为控制手段分别成功培养了Nitrospira占比为32.12±0.25%和Nitrobacter占比为59.46±4.71%的两种NOB富集污泥。Nitrobacter在饥饿环境中的活性下降较快,功能基因nxrB的表达水平也下降明显;而Nitrospira在饥饿环境中的活性下降较慢,功能基因nxrB还有过量表达的现象发生。该现象进一步证实了适应于低基质/低DO浓度环境的Nitrospira具有更高的抵抗饥饿环境的能力,较高的功能基因表达水平确保了Nitrospira在饥饿环境中能够实现长期的活性和细胞维持,因此连续流系统无法通过好氧饥饿处理实现短程硝化。小试试验表明缺好氧交替导致的瞬时缺氧环境可有效抑制NOB的活性,但好氧段初期残留的亚硝酸盐促进NOB活性恢复的同时抑制了AOB的活性,进而无法仅仅依靠缺好氧交替来维持城市污水连续流的短程硝化。此外,建立了在缺好氧交替环境中NOB比生长速率(μ_(NOB))与好氧区初始亚硝酸盐浓度相关的数学模型,该模型通过拟合揭示了在缺好氧交替环境下,缺氧环境能够短暂抑制μ_(NOB),当进入好氧环境后,μ_(NOB)迅速恢复,同时与好氧区初始亚硝酸盐浓度呈正比例关系。因此,采用厌氧氨氧化作用或反硝化作用消耗缺氧区残留的亚硝酸盐可避免好氧段初期亚硝酸盐对于NOB活性恢复的促进作用,有利于连续流短程硝化系统的维持。基于上述研究,开发了城市污水连续流改良IFAS主流厌氧氨氧化脱氮除磷工艺,利用生物强化和羟胺抑制的手段实现了该工艺的启动和稳定运行。在不外加碳源的情况下,该工艺处理城市污水的平均出水sCOD、PO_4~(3-)-P、NH_4~+-N和TN浓度分别为20.6±1.7 mg/L、0.4±0.2 mg P/L、2.3±1.7 mg N/L和7.7±1.8 mg N/L,符合国家污水处理厂出水一级A排放标准。物料平衡分析表明该工艺的氮去除途径主要包括缺氧区的反硝化作用(28.1~31.3%)和厌氧氨氧化作用(21.3~30.3%)、好氧区的同步硝化反硝化作用(9.6~15.4%)、出水(20.7%)以及微生物的同化作用(11.3%);系统的磷去除途径主要包括好氧区聚磷菌的好氧吸磷作用(63.9~87.4%)和缺氧区反硝化聚磷菌的反硝化吸磷作用(11.8~33.2%)。经济性分析表明改良IFAS主流厌氧氨氧化工艺与传统A~2O工艺相比,可节约89%的药剂费用,节省41%的曝气能耗,具有脱氮除磷效率高、节能降耗、减少温室气体排放等优点。
【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】：2019
【分类号】：X703
【图文】：

模型图,厌氧氨氧化,模型

图 1-1 厌氧氨氧化代谢机理模型[21~23]Figure 1-1 Model diagram of anaerobic ammonia oxidation metabolismKartal 等人[22]通过对“Kuenenia stuttgartiensis”厌氧氨氧化单菌进行的分子机制研究也证实了 NO 在 Anammox 代谢过程中的中间代谢产物地位。除了“Kueneniastuttgartiensis”菌种，Vossenberg 等人[23]对海洋型“Candidatus Scalindua profunda”厌氧氨氧化菌种的基因组测序也验证了该厌氧氨氧化反应的代谢机理。不过，厌氧氨氧化的底物来源并不单，代谢底物如 NO－2、NO－3、NH2OH 和 NO 等物质之间的相互转化，为厌氧氨氧化菌在不同环境下的生长提供了可能，也为厌氧氨氧化菌其他的代谢途径提供了条件[23,25,26]。此外，不同的厌氧氨氧化菌种之间也可能存在不同的代谢机理，如 Oshiki 等人[27]采用“Candidatus Brocadia sinica”为研究对象进行基因组测序时就得到了以 NH2OH 为中间代谢产物的不样的研究结果。因此，厌氧氨氧化反应代谢机理的全面阐述还需要人们不断的进行探索和研究。1.2.2 厌氧氨氧化菌的生理特性与多样性分布

厌氧氨氧化,系统发育树,霉菌

细胞内部含有种致密的、低渗透性的细胞内膜结构——厌氧氨氧化体（Anammoxosome）（由图1-2b 可见）。它占据了细胞内大部分的空间[28,29]，被认为是发生厌氧氨氧化代谢活动的主要场所[9,21,22]。Anammox 菌细胞壁不含肽聚糖[21,30]，主要由蛋白质组成，体现出浮霉菌门的细胞特征。经过 16S rRNA 系统发育树分析（如图 1-2a 所示），证实 Anammox 菌属于浮霉菌门（Planctomycetes），且分支较深[30]。Anammox 菌的

【参考文献】