反硝化除磷颗粒污泥反应器快速启动及其功能菌群作用机制研究

发布时间：2020-08-21 04:56

【摘要】：随着世界水环境污染问题的日益严峻,更加严格的环境法规颁发实施,寻求先进的、更有成本效益的脱氮除磷技术变得越来越重要。鉴于反硝化除磷和好氧颗粒污泥的诸多优点,因此可考虑将这两种技术相结合,培养富集反硝化除磷菌的好氧颗粒污泥。本文主要就好氧颗粒污泥SBR反应器(AGS-SBR)的启动和驯化进行研究,并利用分子生物学技术研究不同环境因子对反应器中微生物菌群结构组成同颗粒污泥特性及脱氮除磷效果的影响。本文提出了强化水力选择压和强化水力选择压联合投加黄土微粒加速颗粒污泥形成的方法,并对比了两种方法的效果。结果表明,在好氧条件下通过短周期(3 h)、短沉降时间(5 min)强化水力选择压,并以相对较高的进水负荷启动反应器,能够在第7d观察到颗粒污泥,并在11d时得到平均粒径为0.92 mm的好氧颗粒污泥；而采用强化水力选择压联合投加黄土微粒的运行策略则在第4d就观察到颗粒污泥的出现,并在第11 d时得到平均粒径为1.06mm的好氧颗粒污泥。两种启动策略形成的颗粒污泥的COD去除效率均超过93%,出水NH4+-N浓度分别维持在0.25-1.26 mg/L和 0.41-2.36 mg/L,且无NO2--N的积累,系统对COD和NH4+-N有良好的去除能力。采用A/O/A的运行方式利用低负荷废水对颗粒污泥进行驯化,富集反硝化聚磷菌(DPAOs),经过47 d的驯化,系统对污染物具有良好的去除能力,出水COD浓度低于20 mg/L,平均出水NH4+-N浓度为0.53 mg/L,TP浓度始终低于1 mg/L,系统内也基本没有NO2--N和NO3--N的积累。对系统典型周期内污染物变化情况进行研究,发现好氧阶段发生了同步硝化反硝化,缺氧阶段也观察到了反硝化聚磷菌过量吸磷现象。基于Miseq高通量测序分析表明,在颗粒污泥启动和驯化的过程中,Proteobacteria逐渐取代Firmicutes和(?)Candidate division TM7成为优势菌门。在pH为6.5-8.5的范围内,pH的变化并未对系统反硝化除磷能力和COD去除产生显著影响。仅在pH为6.5时,系统对TP的去除效果有所下降,平均去除率降低到了78.72%。MiSeq测序分析表明,不同pH值条件下,系统都具有较高的菌群多样性,且pH为6.5时最高。整个过程中Proteobacteria都是颗粒污泥内微生物群落中的优势菌门,Bacteroidetes的相对丰度次之。碳源物质为乙酸钠和丁二酸钠时,系统处理效果最佳,而葡萄糖作为碳源时,系统的处理效果最差。不同碳源条件下Proteobacteria优势菌门,相对丰度超过了50%,碳源的改变还使系统群落结构发生了明显演替,乙酸钠和葡萄糖为碳源时颗粒污泥内占绝对优势地位的都是Candidatus Competibacter,而丁二酸钠为碳源时Saprospiraceae unculturea和Thauera是优势菌属(丰度分别为8.18%和8.71%)。在进水COD/N/P不变的情况下,COD浓度为200-400 mg/L时,系统能够展现出理想的去除效果,当COD浓度为600 mg/L时,系统出水COD、NH4+-N、TP浓度均升高。系统内菌群多样性随着进水有机负荷的升高而不断降低,整个过程中Gammaproteobacteria都是系统内的优势物种,Acinetobacter和Saprospiraceae uncultured在系统里占有不小比重,但随着进水负荷升高而不断降低,氨氧化细菌Nitrosomonas和Nitrosomonadaceae uncultured也更适合于低水力负荷条件。通过改变氨氮浓度来改变C/N,当C/N为5-20的范围内,C/N的变化并未对COD、氨氮和TP的去处造成显著影响。但是C/N的减小导致NOx--N浓度的增加,PO43--P的缺乏引起NOx--N过多,同时由于缺氧阶段碳源不足,NOx--N不能被还原,进而影响系统的脱氮效果。反应器内微生物多样性随着C/N的降低而降低,Proteobacteria和Bacteroidetes始终是系统内的优势菌门。随着C/N的降低,聚磷菌Candidatus Accumulibacter逐渐成为系统内的优势菌属。氨氧化细菌Nitrosomonas和亚硝酸盐氧化细菌Rhodocyclaceae unclassified在系统内一直保持着一定比例,为系统的稳定运行提供生物基础。改变进水P043--P浓度,使C/P在16.7-50内变化时,AGS对COD和TIN的去除效果始终保持良好。但是当C/P为16.7时,系统TP去除效率最低。微生物多样性随着进水C/P的降低而略微升高,Proteobacteria和Bacteroidetes在反应器内处于优势地位。Candidatus Accumulibacter、Thauera丰度随着C/P降低而升高,Thauera成为反应器内优势菌属之一,C/P的降低促进聚磷菌和反硝化聚磷菌的生长。最后研究苯酚对AGS的毒害作用。探讨冲击影响时,当苯酚浓度低于50 mg/L,颗粒污泥能够完全去除苯酚并保持良好的脱氮除磷效果,当进水苯酚高于100mg/L以后,颗粒污泥无法完全降解苯酚且出水氨氮、TP和NO3--N浓度升高,说明系统能够抵御低于50 mg/L的苯酚的冲击影响。长期加入0-100 mg/L的苯酚时,系统出水情况有所波动但逐渐稳定,反应器始终保持着良好的脱氮除磷效果,且能够完全降解苯酚。苯酚不能作为AGS中DPAOs合成PHA和释磷的碳源。当苯酚从0增长到100 mg/L时,颗粒污泥内微生物菌群丰度和多样性都逐渐降低。Proteobacteria和Bacteroidetes台终是系统内的优势菌门,随着苯酚浓度的增加,能够降解苯酚的Thauera和Zoogloea先后成为系统内的优势菌属,但在苯酚浓度达到100 mg/L时均受到一定程度的抑制作用。此外Flavobacterium、Gracilibacteria norank和(Candidatus Accumulibacter也对苯酚具有一定的耐受能力,它们在系统中发挥着重要作用。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【图文】：

３．２．１好氧颗粒污泥的形成逡逑两个反应器中接种的活性污泥取自取自污水处理厂，在形态上具有典型的絮逡逑状结构。图３－１为民１和Ｒ２两个反应器中形成的好氧颗粒污泥。逡逑图３－１民１、Ｒ２中污泥照片（ａ）民１中第７ｄ（ｂ）Ｒ２中第４ｄ（ｃ）民１（左卿Ｒ２巧）第ｌｉｄ逡逑Ｆｉｇ．３－１邋ＰｉｃＵｉｒｅｓ邋ｏｆ邋ｇｒａｎｕｌｅｓ邋ｉｎ邋Ｒ１邋ａｎｄ邋Ｒ２，（ａ）邋７ｄ邋Ｒｌ（ｂ）４ｄ邋Ｒ２邋（ｃ）ｌｌｄ邋Ｒｌ（ｌｅｆｔ）邋ａｎｄ邋Ｒ２（ｒｉｇｈｔ）逡逑接种的絮状结构的活性污泥中能够观察到少量的丝状菌，还可ｗ通过囼微镜逡逑观察到污泥中含有少量的菌胶团。两个反应器中接种活性污泥后，外观上均呈深逡逑黑色。由于系统的沉降时间较短，只有５邋ｍｉｎ，且接种的污泥浓度较大，大量的逡逑体积较大、结构松散、沉降性能较差的污泥无法及时沉降下去，会逐渐排出反应逡逑器，这有利于污泥的颗粒化进程，污泥的颜色也逐渐有黑色转变深灰色。随着试逡逑验进行，两个反应器中污泥都逐渐变为淡黄色，在显微镜下都能观察到微小的颗逡逑粒

且两个系统内０．５邋ｍｍ逦下的污泥基本没有，可见系统己经完全颗粒化，且Ｒ２逡逑中污泥粒径大于Ｒ１，与平均粒径的结果一致。对两个系统内污泥粒径分布基本逡逑符合高斯分布（如图３－３所示），拟合公式为；逡逑Ａ逦三片－ｘｃ）２逡逑ｙ邋＝邋ｙ0邋＋邋—ｗ２逡逑ｗ邋而／＂ｌ逡逑Ｊ逦邋Ｗ－７逦Ｊ逡逑沁．Ｒ！逦Ｒ；逡逑■邋＜０－邋’邋■逡逑口－逦■逦■逦■逡逑３觯?逦？逡逑Ｉ逦Ｉ－＂－逡逑Ｉ－逦｜？：逦．逡逑Ｉ逦＇与．逦■逡逑Ｉ＇＂：逦．逦Ｉ逦！？＂－逦．逡逑５邋－逦■逦５邋－逡逑■逡逑０．０邋（ｔ邋三邋＜１．４邋０６邋Ｉｔ＇Ｓ邋Ｉ．Ｕ逦Ｊ．４邋ｔ邋去邋１．８邋２０逦００邋化；？＜＊邋Ｗ．Ｓ邋ｌ．0邋１．２邋ｔ＇４邋Ｊ＇ｆｉ邋１．８邋三々逡逑Ｐａｎｋｌｅ邋ｓｋｅ邋如１（１）逦Ｐａｒｔｉｔ－ｋ邋ｓｉｚｅ邋ｉｍｍ）逡逑图３－２民１和Ｒ２中污泥粒径分布逡逑Ｆｉｇ．邋３－２邋Ｓｉｚｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｇｒａｎｕｌｅｓ邋ｉｎ邋民邋１邋ａｎｄ邋民２逡逑对于民１，ｙ0＝０．４４０９１，邋Ｘ尸０．８８４８２，ｗ＝０．５１５４，Ａ＝１９．１２２４１，民２＝０．９１５；对逡逑于邋Ｒ２，ｙ尸０．７９４９８，Ｘ尸１．０３１２７，ｗ＝０．４８０２５，Ａ＝１８．４１０４５，民２＝０．９７３１１。逡逑Ｓ?

图３－４邋Ｒ１和Ｒ２中ＭＬＳＳ和ＭＬＶＳＳ／ＭＬＳＳ变化曲线逡逑Ｆｉｇ．３－４邋Ｃｈａｎｇｅｓ邋ｏｆ邋ＭＬＳＳ邋ａｎｄ邋ＭＬＶＳＳ／ＭＬＳＳ邋ｉｎ邋Ｒ１邋ａｎｄ邋Ｒ２逡逑图３－４为民１和Ｒ２中污泥浓度的变化情况。试验开始阶段，进水中营养物质逡逑充足，两个反应器中微生物本可利用进水中充足的底物进行繁殖，但是由于初逡逑始的沉降时间很短只有５邋ｍｉｎ，在送么短的时间内，大部分沉降性能差的絮状污逡逑泥随出水排出反应器，引起了两个反应中污泥浓度的迅速降低。在这种短周期、逡逑短沉降时间形成的强水力选择皮强化下，颗粒污泥的形成速度得到了加快。两个逡逑反应中的ＭＬＳＳ持续降低，直到第４邋ｄ，Ｒ２中污泥浓度才开始回升，而民１中污逡逑泥浓度直到第５邋ｄ才开始回升，值得一提的是，在此过程中，民１中ＭＬＳＳ始终逡逑低于Ｒ２，最低时只有６００邋ｍｇ／Ｌ左右。分析其原因，是因为Ｒ２中加入的黄止微逡逑粒为微生物的聚集提供了载体

本文编号：2798955