膜生物反应器处理高氨氮废水及其微生物学特性研究

发布时间：2020-07-30 10:37

【摘要】：石化、制药和制革等领域在生产过程中会产生大量高浓度的氨氮废水,其中有些废水的氨氮浓度会超过1000 mg/L,在某些行业部分生产单元产生的废水氨氮浓度甚至会超过10000 mg/L。高浓度氨氮废水未经处理直接排入水体会造成富营养化,给受纳水体造成重大影响。生物硝化-反硝化脱氮工艺由于其高效性、稳定性以及低运行成本而得到广泛推广应用,然而参与硝化过程的氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)均为自养型微生物,生长缓慢且对环境因子敏感,而高浓度氨氮废水往往又含有大量的盐(Cl-、Na+等)和一定浓度的COD,这些都会对硝化功能细菌产生不同程度的抑制,从而影响整个生物硝化过程,成为现阶段国内外高氨氮废水处理技术领域亟需解决的一个问题。膜生物反应器(MBR)是膜分离技术与生物法相结合的污水处理工艺,因具有污泥浓度高、出水水质好、自动化程度高等优点,一直是水处理领域中的热点。本论文围绕高氨氮废水的处理,对MBR反应器中的生物硝化过程开展了深入研究,并利用高通量测序和聚合酶链式反应(PCR)-分子克隆测序等分子生物学手段对反应器内微生物群落结构以及硝化功能微生物的动态变化进行解析。主要研究内容和结论如下：(1)本论文研究了不同NaCl浓度对低氨氮浓度(30 mg/L)进水条件下MBR反应器启动过程的影响。结果表明：10000 mg/L(1%)浓度的NaCl抑制了AOB的活性,使得污泥的氨氧化速率下降87%,从而影响了反应器对氨氮的去除,氨氮去除率最低只有33.7%;NaCl的投加导致溶解性微生物产物(SMP)的浓度增加,加快膜污染速率；聚类分析表明NaCl的投加显著的改变了污泥微生物的群落组成。(2)本论文系统研究了氨氮负荷对MBR反应器运行的影响及微生物作用机制,结果表明：MBR反应器可处理的进水氨氮浓度最高达到3000 mg/L,对应氨氮负荷为5.14kgNH4+-N/m3·d,反应器对氨氮的平均去除率达到了93%;进水氨氮浓度从500 mg/L提高到1000 mg/L时对MBR反应器的硝化过程造成了长时间抑制,这是由于伴随氨氮负荷提升而增加的进水盐浓度首先抑制了AOB的活性,造成反应器内高浓度氨氮的积累,使得游离氨(FA)浓度超过了AOB的起始抑制浓度,进一步抑制了AOB的活性。聚类分析表明氨氮负荷达到1.71kgNH4+-N/m3-d时显著的改变了污泥的微生物群落结构；随着氨氮负荷的提升,功能微生物AOB得以富集,在进水氨氮浓度为1500 mg/L时,污泥中AOB的相对丰度最高可达14.82%,其相对丰度是最低样品的54倍。(3)本论文系统研究了盐浓度变化对高氨氮负荷MBR反应器运行的影响及其微生物作用机制。结果表明：进水氨氮浓度为1000 mg/L,氨氮负荷为1.71kgNH4+-N/m3-d的高氨氮负荷MBR反应器,最高可承受的进水NaCl浓度为40000mg/L(4%),在此条件下,反应器对氨氮去除率超过99.5%,进一步提升进水NaCl浓度至7%时,反应器快速崩溃,并且在4%NaCl条件下不能恢复；氨氮负荷和盐浓度的提升均改变了污泥的群落结构组成,其中氨氮负荷的提升降低了污泥微生物的多样性,盐浓度的提升使得污泥微生物的多样性增加,在高盐环境中Methyloversatilis和Maribacter的相对丰度明显提升；AOB经过高盐环境驯化后,对盐浓度变化具有良好的适应性,AOB在MBR中不断富集,反应器运行第222天污泥样品中AOB的相对丰度达到了15.07%,较最低点提高了25.5倍,较接种污泥提高了8.2倍。(4)本论文研究了不同C/N比对高氨氮负荷MBR反应器运行的影响及其微生物作用机制。结果表明：随着C/N比的提高,污泥的氨氧化速率下降,但凭借反应器内污泥浓度的不断增长,MBR对氨氮和COD的去除率维持在较高水平；进水COD浓度的提升促进了腐殖酸类SMP的产生,进水C/N比达到1以后,膜污染速度加快,膜组件运行时间下降；随着进水C/N比的不断提升,硝化功能微生物AOB和NOB的相对丰度逐渐下降,进水C/N比为2时AOB和NOB的相对丰度较进水C/N为0时分别下降了86.54%和90.17%。(5)借助于PCR-分子克隆和高通量测序研究了环境因子对功能微生物(AOB)以及群落结构的影响。结果表明:MBR反应器中Nitrosomonas型AOB居于优势地位,环境因子的改变会影响Nitrosomonas属中AOB的具体种类；在不同的运行条件下MBR反应器中氨氮的去除由Nitrosomonas属中不同的AOB主导完成,其中低氨氮负荷条件下氨氮的去除由Nitrosomonas oligotropha占据主导,而高氨氮环境中Nitrosomonas europaea居于主导地位,在高盐、高氨氮负荷条件下起主导作用的则是Nitrosomonass marina;进水COD浓度、钠离子浓度和氨氮浓度显著的影响了污泥的微生物群落结构,同时微生物群落结构对出水COD和膜污染速率具有显著性的影响；根据样品微生物的组成情况,19个样品分成5个不同的组,不同组的环境因子具有各自的特征,表明活性污泥在特定的环境中会形成独特的微生物群落结构,而在相近的环境条件污泥的微生物群落结构具有较高的相似性。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703;X172

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