新型MBR-PBBR组合系统捷径生物脱氮研究

发布时间：2020-08-07 23:35

【摘要】： 我国氮素污染所引起的水体富营养化问题日益突出,导致湖泊“水华”和近海“赤潮”频繁发生,严重危害了水体生态系统和人类健康,因此国家制定了越来越严格的氮素排放标准。传统的生物脱氮技术在氮素污染控制方面发挥了重要作用,但对高氮低碳废水而言,传统技术总氮去除率低、能耗高。针对此类废水探索高效、低能耗的脱氮技术成为当今研究的热点和难点。近年来提出的短程硝化反硝化工艺缩短了生物脱氮的途径,对高氮低碳废水的处理表现出很大的经济优越性,可降低能耗、节省碳源、减少污泥产量和缩小反应器容积等。 本研究针对短程硝化反硝化捷径生物脱氮难以稳定运行的问题,引入生物强化技术,通过将短程硝化功能菌和亚硝酸型反硝化功能菌接种至膜生物反应器(MBR)和填料床生物膜反应器(PBBR)中,构建了新型的MBR-PBBR捷径生物脱氮工艺。在工艺成功启动后,探讨工艺参数和不同生态因子对该工艺捷径生物脱氮性能和稳定性的影响,并进一步研究其微生物作用机理,为该工艺的实际应用提供理论依据和技术指导。 首先,采用系列稀释法筛选驯化得到高效短程硝化功能菌和亚硝酸型反硝化功能菌。结果表明短程硝化功能菌细胞呈球状,主要是由Nitrosomonas属的氨氧化菌组成,其最佳氨氧化条件是:NH_4~+-N 400 mg/L,pH 8.5,温度35℃,Alk/N 8.33;亚硝酸型反硝化功能菌细胞呈杆状,为兼氧菌,其最适生长和降解条件是:柠檬酸三钠为碳源,TOC/N=4,温度30℃,pH 9.0。 其次,通过将短程硝化功能菌和亚硝酸型反硝化功能菌接种至MBR和PBBR中,构建了两级MBR-PBBR新型捷径生物脱氮工艺,并实现了该工艺的快速启动。研究发现,启动期氮的脱除全部通过捷径途径完成。随后,MBR-PBBR工艺在曝气速率为0.4L/min和操作温度为30℃时,实现了105天稳定的捷径生物脱氮。但随水力停留时间的降低,MBR中氨氧化活性降低,氨氧化率由95%下降至60%,导致工艺总氮去除率降低。FISH杂交和MPN计数结果表明,MBR中氨氧化菌为绝对优势菌,第105 d氨氧化菌数量为3×10~8MPN/mL,存在极少量的亚硝酸氧化菌(4.5×10~3MPN/mL)。 再次,分别探讨了溶解氧、运行温度和外加有机碳源对MBR-PBBR捷径生物脱氮工艺稳定性的影响。研究表明,低溶解氧(0.8～1.2 mg/L)下,该工艺氮的脱除全部以捷径途径完成,但低溶解氧影响了氨氧化效率导致工艺总氮去除率降低至80%;高溶解氧(5～6 mg/L)刺激了MBR中少量亚硝酸氧化菌生长(从4.5×10~3MPN/mL增加到2×10~5MPN/mL),导致亚氮积累不稳定,工艺中只有70%的氮以捷径途径去除。升高温度可显著提高MBR-PBBR工艺捷径生物脱氮效率和稳定性,当温度从20℃升高到35℃,MBR的氨氧化率从45%升高至90%,亚氮积累率由55%～80%的波动逐渐稳定在85%。少量的外加有机碳源(TOC/N＜0.2)可促进氨氧化反应,MBR中氨氧化率从无有机碳源时的60%升高至75%;当进水TOC/N≥0.2时,氨氧化反应受到抑制,氨氧化率迅速下降至25%,原因是有机碳源刺激了MBR中异养菌的大量繁殖(11.5×10~8CFU/mL),使氨氧化菌对溶解氧和氨氮的竞争处于弱势地位:有机碳源的加入使该工艺96%以上氮的脱除以捷径途径完成,主要是由于亚硝酸氧化菌很难竞争到溶解氧来氧化NO_2~--N,其数量在TOC/N=0.3时降低到1.0×10~3MPN/mL。 最后,采用现代分子生态学技术中的变性梯度凝胶电泳(DOGE)和荧光原位杂交(FISH),跟踪监测MBR在不同时期微生物结构及动态变化规律。结果发现,生物强化的MBR-PBBR工艺能实现相对稳定和高效的捷径生物脱氮,主要归功于MBR中的功能微生物Nitrosomonas eutropha在运行过程中始终保持优势地位,占全菌数的比例大于54%;然而,当外加有机碳源较高(TOC/N≥0.2)时,可动摇氨氧化菌的优势地位,N.europha占全菌数的比例在TOC/N=0.3时下降至31%。生物强化的MBR随时间的运行,微生物群落多样性总体呈升高趋势,最终形成以N.europha为主的β-Proteobacteria、CFB种群和α-、γ-Proteobacteria三大功能微生物菌群间相互协调的物质代谢和能量传递有序的“生物链”。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X703
【图文】：

图1.2厌氧氨氧化的生化反应模型[2习Fig.1.2BiochemieaireactionmodelofAna“unox厌氧氨氧化的微生物称为厌氧氨氧化菌。厌氧氨氧化菌是厌度非常慢(倍增时间为10~30d)能在以C仇或碳酸盐为唯生长。通过超声波温和破碎和密度梯度离心，可以从富集培养。纯化细胞的16srRNA系统发育分析显示厌氧氨氧化菌存在es(浮霉状菌)谱系中。迄今为止，己经发现的厌氧氨氧化菌alnnloxidans，，、‘丫恤刀成由扭‘KuenenstUttg时iensis，，、kinii”、“〔云爪爪勿了琳scalindusbmdae，’和“C劝瓜拉勿才毋s阔indeutropha的厌氧氨氧化化菌的生理学特性并没有被完全了解。一般认为在氨氧化接参与氨的氧化。但最近研究发现，氨的直接氧化剂并不形成轻胺并释放出No，氧参与了No和NoZ的转化1281。进，氨氧化菌不但能进行氨氧化作用，而且能进行厌氧氨氧化

2.2.2短程硝化功能菌最适氨氧化条件(l)底物浓度由图2.3可以看出，驯化得到的短程硝化功能菌可以耐受高达l000m叭的氨氮浓度。当氨氮浓度低于400m叭时，氨氧化活性随着氨氮浓度的增大而升高;当氨氮浓度在400一 600mg/L时，氨氧化活性较高，大约为 116一 13om酬H4+入g”vssd一，;当氨氮浓度高于600m叭时(FA浓度为56.lm叭)，氨氧化活性随着氨氮浓度的增大而迅速降低。因此，氨氮浓度具有双重的作用I6]，既能作为基质加快氨氧化反应，也能作为抑制剂抑制氨氧化菌的活性。书七55>一二不+牙蕊日

本文编号：2784685