低氨氮浓度厌氧氨氧化工艺强化及颗粒污泥菌群特性研究
发布时间：2020-07-28 19:55
【摘要】：水体富营养化日益严重,对污水进行脱氮处理已成为社会发展的必然要求。然而,常规生物脱氮污水处理行业具有资本、能源密集型缺点。因此,开发新型经济高效无污染的生物脱氮工艺技术是当今污水处理领域的研究热点。厌氧氨氧化作为一种新型的微生物氮转化途径,被国内外专家评价为节能无污染的新型可持续发展污水生物处理技术。国内外对厌氧氨氧化的研究和工艺应用仍局限于高氨氮(500 mg N/L)污水脱氮处理领域,在排放量巨大、处置费用高的低氨氮城市污水(100 mg N/L)中的研究报道都还比较少。本研究围绕低氨氮浓度厌氧氨氧化展开,以工艺强化及相应的颗粒污泥菌群特性为主要研究内容,探索厌氧氨氧化过程在常规工艺普通城市污水处理系统的脱氮功能及自然规律特征,在此基础上,进一步研究厌氧氨氧化在低氨氮城市污水处理系统中菌种富集、功能强化和工艺运行。同时,利用Mi Seq高通量测序技术分析关键颗粒化阶段菌群结构演替规律并比较不同工艺研究中微生物特征差异。本研究结果将为推动低氨氮城市污水低耗高效脱氮新技术的发展,提供基础数据和理论指导。通过对常规工艺城市污水系统的季节性取样研究表明,厌氧氨氧化菌广泛分布于城市污水处理系统的各级构筑物(但以活性污泥池为主)中,厌氧氨氧化菌丰度为105-107 copies/g VSS,速率为0.08-1.20μmol N/(g VSS·h),对氨氧化的贡献率为0.11-16.3%,对系统年平均脱氮贡献率为2.1-6.6%(1-194.3 t N/yr),且夏季丰度和速率表现均高于冬季。在污水处理系统中的厌氧氨氧化菌生物多样性很低,Brocadia是主导菌属,在与硝化微生物的耦合作用中,AOB较AOA有能力提供更多的底物NO2-,而NOB菌种Nitrospira可能是底物NO2-更强大的竞争者;另外,厌氧氨氧化表现主要受微生物群落结构、温度、SRT、COD等环境因素的综合影响,但非关键制约因子,其中,厌氧氨氧化菌hzs B功能基因丰度、速率与脱氮功能两两之间呈极正相关关系。表明厌氧氨氧化菌具有强鲁棒性,使其有能力广泛分布并作用于污水生物脱氮处理过程。为了有效提高厌氧氨氧化脱氮功能,本论文将常规污水处理工艺的剩余污泥以颗粒污泥的形式进行培育。结果表明,经200d成功培育以0.5-0.9mm粒径为主的颗粒污泥(颗粒化程度93.7%)。粒径阶段0.5mm后,实现了厌氧氨氧化菌的快速提高,0.5-0.9mm粒径出现厌氧氨氧化丰度、活性和多样性的最优表现,丰度达1011 copies/g VSS,是种泥的104-5倍,活性也达自然系统的最高水平;但颗粒化使菌群多样性变低,但均以Brocadia为主。说明合理控制颗粒化程度,保证最佳传质效能,才能有效维持厌氧氨氧化的高效表现。另外,丰富的EPS为厌氧氨氧化颗粒污泥形成的关键因素之一,蛋白质为所有EPS分层的主要成分,主要为铬氨酸和色氨酸,占EPS总量的58.9%;绝大部分EPS为TB-EPS,占EPS总量的77.1%。接种已培育成熟厌氧氨氧化颗粒污泥,成功启动处理模拟污水的Amx-UASB连续流反应器和处理实际污水的Amx-SBR间歇式反应装置。Amx-UASB反应器接种污泥发生解体和发育,粒径范围变为0-2.5mm,可抗187.2 L/d流量负荷和144 L/d波动振幅的冲击;Amx-SBR接种污泥颗粒多数发生解体,但经颗粒重塑后以0.2-0.9mm粒径为主;采用实时控制策略20d快速实现短程硝化,NO2-积累率高于90%,但PN-SBR的不稳定期导致Amx-SBR中反硝化菌群竞争作用增强,稳定的短程硝化及适宜的基质比进水是厌氧氨氧化工艺启动及稳定运行的核心问题。另外,Amx-SBR具有最高的生物多样性表现,该装置和Amx-UASB中的功能菌均为Brocadia,Nitrosomonas和Nitrospira为主要硝化菌群,与厌氧氨氧化菌构成基于空间和底物的共生或竞争关系;PN-SBR虽然处理实际污水,但其菌群多样性最低,功能菌为Nitrosomonas,占全部菌群的17.2%,Nitrospira仅占0.01%。厌氧氨氧化颗粒污泥复杂又稳定的微生态结构实现了其对低氨氮生活污水低耗高效的脱氮功能。
【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】：2016
【分类号】：X703
【图文】：
NOB的代谢模型[29]见图1-1。图 1-1 硝化细菌进行硝化反应的能量流动和电子传递模型[29]Fig. 1-1 Flow of energy and reductants in nitrification through pertinent catabolic modules1.2.2 生物反硝化作用与生物硝化过程不同，反硝化过程才是污水中氮污染物根本脱除的关键环节。反硝化作用可分为两种代谢途径，第一通过同化反硝化合成菌体组成成分（公式（1-7）），第二通过异化反硝化作用将NOx-最终还原为N2释放到大气中（公式（1-8））[37]。自第一株反硝化微生物分离于1886年，距今的130年里，反硝化一直被认为是生物脱氮的唯一途径，因此，受到国内外学者对其代谢过程和内在分子机制的不断研究。2NO3-+ 10H++ 10e-→ N2+ 2OH-+ 4H2O （1-7）
具体代谢途径[40]见图1-2。图 1-2 反硝化细菌代谢途径[40]Fig. 1-2 The pathway of denitrification metabolism pathway反硝化过程一般在缺氧条件下进行，有机碳源来源主要分：原污水有机物、微生物内源代谢和人工外碳源投加。但有研究证实在好氧条件下也能进行反硝化反应——好氧反硝化[41]，可同时利用O2和NO3-作为电子受体并在不受O2抑制的周质硝酸盐还原酶（Nap）催化作用下进行产能代谢。因此，在污水处理工艺的研究过程中，有学者认为同步硝化反硝化可能优于顺序式硝化反硝化的代谢过程。能够执行缺氧反硝化作用的菌群种类繁多，而只有某些好氧或兼性好氧异养微生物可执行好氧反硝化作用[42]。一般认为反硝化菌群均为异养菌，但研究表明，某些自养菌也可执行反硝化过程，如自养型厌氧氨氧化菌能以丙酸盐为碳源代谢NO3-[43]。异养反硝化反应的化学计量学公式（以甲醇计）[44]
和细胞结构[58]，如图1-3所示。图 1-3 厌氧氨氧化菌代谢模型[57]（A）和细胞结构[58]（B）Fig. 1-3 Schematic diagram of metabolism pathway (A) and cell structure (B) of anammoxbacteria厌氧氨氧化菌均包含一种具有致密性且低渗透膜的细胞器结构——厌氧氨氧化体（anammoxosome）[59,60]，anammoxosome占据厌氧氨氧化菌细胞的大部分空间，是厌氧氨氧化代谢反应的核心部位，另外，anammoxosome还可在菌体进行低代谢反应时维持膜内外适宜的基质浓度梯度[59]。前人还在厌氧氨氧化菌内发现了独特的阶梯烷膜脂结构（ladderane）[61]，已作为标志性物质应用于厌氧氨氧化菌的检测。由于厌氧氨氧化菌的独特结构，使其有能力生存于多种环境、甚至是低基质环境。厌氧氨氧化工艺成功启动和稳定运行的关键要素，就是实现厌氧氨氧化菌在反应器系统内的富集和有效持留，才能保证厌氧氨氧化功能的有效发挥[62]。影响厌氧氨氧化菌生长代谢的因素有：（1）基质浓度 厌氧氨氧化菌代谢需要基质 NO2-和 NH4+的共存。Strous 等[13]NO2-浓度达到 100 mg/L 对厌氧氨氧化菌即产生可逆性抑制作用。但另有研究表明，NO2-、NH4+基质浓度<500 mg/L 对厌氧氨氧化菌无抑制作用[63]。NO2-对厌氧氨氧化反应的抑制
本文编号：2773371
【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】：2016
【分类号】：X703
【图文】：
NOB的代谢模型[29]见图1-1。图 1-1 硝化细菌进行硝化反应的能量流动和电子传递模型[29]Fig. 1-1 Flow of energy and reductants in nitrification through pertinent catabolic modules1.2.2 生物反硝化作用与生物硝化过程不同，反硝化过程才是污水中氮污染物根本脱除的关键环节。反硝化作用可分为两种代谢途径，第一通过同化反硝化合成菌体组成成分（公式（1-7）），第二通过异化反硝化作用将NOx-最终还原为N2释放到大气中（公式（1-8））[37]。自第一株反硝化微生物分离于1886年，距今的130年里，反硝化一直被认为是生物脱氮的唯一途径，因此，受到国内外学者对其代谢过程和内在分子机制的不断研究。2NO3-+ 10H++ 10e-→ N2+ 2OH-+ 4H2O （1-7）
具体代谢途径[40]见图1-2。图 1-2 反硝化细菌代谢途径[40]Fig. 1-2 The pathway of denitrification metabolism pathway反硝化过程一般在缺氧条件下进行，有机碳源来源主要分：原污水有机物、微生物内源代谢和人工外碳源投加。但有研究证实在好氧条件下也能进行反硝化反应——好氧反硝化[41]，可同时利用O2和NO3-作为电子受体并在不受O2抑制的周质硝酸盐还原酶（Nap）催化作用下进行产能代谢。因此，在污水处理工艺的研究过程中，有学者认为同步硝化反硝化可能优于顺序式硝化反硝化的代谢过程。能够执行缺氧反硝化作用的菌群种类繁多，而只有某些好氧或兼性好氧异养微生物可执行好氧反硝化作用[42]。一般认为反硝化菌群均为异养菌，但研究表明，某些自养菌也可执行反硝化过程，如自养型厌氧氨氧化菌能以丙酸盐为碳源代谢NO3-[43]。异养反硝化反应的化学计量学公式（以甲醇计）[44]
和细胞结构[58]，如图1-3所示。图 1-3 厌氧氨氧化菌代谢模型[57]（A）和细胞结构[58]（B）Fig. 1-3 Schematic diagram of metabolism pathway (A) and cell structure (B) of anammoxbacteria厌氧氨氧化菌均包含一种具有致密性且低渗透膜的细胞器结构——厌氧氨氧化体（anammoxosome）[59,60]，anammoxosome占据厌氧氨氧化菌细胞的大部分空间，是厌氧氨氧化代谢反应的核心部位，另外，anammoxosome还可在菌体进行低代谢反应时维持膜内外适宜的基质浓度梯度[59]。前人还在厌氧氨氧化菌内发现了独特的阶梯烷膜脂结构（ladderane）[61]，已作为标志性物质应用于厌氧氨氧化菌的检测。由于厌氧氨氧化菌的独特结构，使其有能力生存于多种环境、甚至是低基质环境。厌氧氨氧化工艺成功启动和稳定运行的关键要素，就是实现厌氧氨氧化菌在反应器系统内的富集和有效持留，才能保证厌氧氨氧化功能的有效发挥[62]。影响厌氧氨氧化菌生长代谢的因素有：（1）基质浓度 厌氧氨氧化菌代谢需要基质 NO2-和 NH4+的共存。Strous 等[13]NO2-浓度达到 100 mg/L 对厌氧氨氧化菌即产生可逆性抑制作用。但另有研究表明，NO2-、NH4+基质浓度<500 mg/L 对厌氧氨氧化菌无抑制作用[63]。NO2-对厌氧氨氧化反应的抑制
本文编号：2773371
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