反硝化聚磷-诱导结晶磷回收工艺优化及微生物特性研究

发布时间：2020-11-06 07:58

　　 长期以来,城镇生活污水碳源缺乏(即低C/N比),采用传统的生物脱氮除磷工艺时存在着碳源不足和泥龄矛盾等主要问题,其出水难以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级A排放标准。因此,开发适应低C/N比污水高效率低能耗的脱氮除磷技术对促进城镇污水处理事业的发展、改善水环境质量具有重大意义。此外,磷矿资源属于稀缺资源之一,随着世界人口增长和工农业生产扩大,使得磷矿资源日渐枯竭：磷的循环再利用是解决磷矿资源枯竭的重要战略思路。城镇生活污水中含有“较丰富”的磷,回收潜力巨大。这就要求人类从新的视角去研发高效率低能耗的污水处理工艺和磷回收技术,并将两者有机地耦合在一起,以便满足污水排放标准和污水中磷回收效率最大化。近年来,反硝化同步脱氮除磷和诱导结晶理论的发展,为开发新型脱氮除磷工艺和磷回收技术提供了新的思路和方向。论文以反硝化同步脱氮除磷理论和诱导结晶磷回收技术为基础,以提高低C/N比生活污水脱氮除磷效果和磷回收为目标,构建了一种“反硝化聚磷-诱导结晶磷回收新工艺”。该工艺的主要特点是：(1)采用反硝化同步脱氮除磷技术,反硝化聚磷菌在缺氧条件下以硝酸盐为电子受体实现反硝化同步脱氮除磷,缓解了脱氮和除磷碳源不足的矛盾,并实现“一碳两用”；(2)采用双污泥形式,使反硝化聚磷菌和硝化细菌处于两个独立的污泥系统,充分地发挥反硝化脱氮除磷和硝化反应的各自特点,解决了泥龄矛盾；(3)将厌氧池内富磷上清液通过侧流引入到诱导结晶柱内实现磷的回收,降低了后续生物除磷的负荷,即实现诱导结晶磷回收对生物除磷的强化作用。反硝化聚磷菌(DPAO)的富集驯化是该工艺稳定运行的前提,本文采用两段式(厌氧/好氧+厌氧/缺氧)富集驯化方法完成DPAO富集。富集完成后,单位污泥厌氧释磷量为8.47mgP/gMLSS、单位污泥缺氧吸磷量为11.13mgP/gMLSS,缺氧条件下单位吸磷量可脱氮量为1.08mgN/mgP,表现出明显的反硝化同步脱氮除磷特征；通过电子显微镜扫描(SEM)观察和荧光原位杂交(FISH)分析,富集完成后,聚磷菌(Accumulibacter)的含量由接种污泥的9.3%增加至68.9%,且多以杆状微生物为主；基于PCR-DGGE分析,接种污泥富集前后微生物种群结构发生了根本性的变化,微生物多样性明显减少。通过该工艺内污泥的衰减特征研究发现：DPAO在饥饿状态下可迅速启动紧迫反应,分解体内贮存的PHB等物质来获取能量维持细胞活性,在7天衰减过程中,第1天的衰减速率为0.15d-1,此后6天衰减速率为0.04 d-1～0.05d-1而硝化污泥中亚硝酸盐氧化细菌(NOB)呈指数衰减,氨氧化细菌(AOB)呈匀速衰减。对比反硝化聚磷菌(DPAO)和好氧聚磷菌(PAO)发现：DPAO可以在好氧条件下以氧为电子受体进行立即吸磷,而PAO在缺氧条件以硝酸盐为电子受体很难立即吸磷：DPAO的缺氧吸磷能力稍低于好氧吸磷能力,证明了PAO存在两种类型的学说：一是仅以氧为电子受体吸磷；另一个是以氧或硝酸盐为电子受体吸磷,即反硝化聚磷菌；通过PCR-DGGE分析,Azonexus.spp、Acidovorax.spp、Rhodocyclus.spp和Thiothrix.spp在好氧除磷污泥和反硝化除磷污泥中均出现,即可能属于DPAO。结合化学分析和PCR-DGGE分析研究发现：进水中C/N比和C/P比对工艺脱氮除磷效率和微生物种群结构有着重要的影响；随着进水中C/N比和C/P比增加,氮和磷的去除率提高,微生物多样性减少,在此过程中DPAO被强化,许多微生物在此过程中被淘汰；通过试验发现,在本试验设计中当进水中C/N比为6.3,C/P比为23.3时,TN和P的去除率达到最大,分别为90.5+4.3%,94.0±2.4%。通过诱导HAP结晶回收污水中的磷是可行的,其诱导结晶反应过程呈准一级反应形式；该反应速度快、受温度影响较小,其反应的活化能为5.96KJ/mol,这大大增强了该方法在实际应用中的实用性；pH值对诱导HAP结晶影响较大,当pH超过8.5时可明显提高溶液中的磷回收率,且在一个较宽的pH范围(8.5～10)内可保持较高的磷回收率,这为该方法的实际应用提供了可操作性；通过曝气可以使诱导结晶柱内溶液pH值达到这个范围。为进一步探究最佳的除磷效果和磷回收效率,对侧流比进行了系统研究。研究发现：侧流比对工艺内生物除磷、诱导结晶磷回收和微生物种群结构有着一定的影响；诱导结晶磷回收对生物除磷有着明显的强化作用。在本实验中,当侧流比为35%时,可获得较好的磷去除和回收效果；当侧流比为0%和15%时出水中磷浓度不能满足排放标准：但是过高的侧流比(45%和55%)将破坏生物除磷系统的正常代谢机能,不利于整个系统的生物除磷,导致出水中磷浓度显著增加,甚至导致系统崩溃；因此,在实际运行管理中,侧流比的选择应以不破坏微生物生物除磷机能为前提。此外,随着侧流比的增加,微生物种群多样性也增加。在工艺稳定运行的基础上,考察工艺对生活污水的处理效能,并对诱导结晶产物进行分析。当进水中COD、TN、NH4+-N和TP的浓度为239.2～259.5mg/L,39.6～43.8 mg/L, 38.2～41.8 mg/L和8.72～11.40 mg/L,属于低C/N(约5.98)比生活污水,出水中相应的浓度分别为15.2～21.6 mg/L,8.5～9.6 mg/L,3.6～4.7 mg/L和0.31～0.49 mg/L,满足国家《城镇污水厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A排放标准；COD主要在厌氧池被去除NH4+-N主要在好氧硝化池中去除；出水中NO3--N浓度要高于进水中NO3--N浓度,分别为4.87 mg/L和0.58 mg/L；在该工艺内,污水中磷的去除主要由诱导结晶磷回收和生物除磷两部分组成；在本试验中,该工艺磷去除效率为95.9%,其中诱导结晶磷去除率占总去除效率的71.5%,反应该工艺具有较大的磷回收潜力：通过SEM和EDS分析,在诱导结晶反应过程中,方解石晶种表面有明显的变化且主要成分可能为Ca5(OH)(P04)3,即HAP。此外,后置曝气池可对出水中COD、NH4+-N和磷浓度起着把关作用。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：X703
【文章目录】：
摘要
Abstract
缩略词列表
第一章 绪论
    1.1 课题提出的背景
        1.1.1 我国湖泊（水库）环境质量状况
        1.1.2 污水处理技术的新需求
        1.1.3 磷循环再利用的重要性
        1.1.4 结合污水处理工艺回收磷的必要性和可行性
    1.2 污水传统脱氮除磷技术研究现状
        1.2.1 生物脱氮理论
        1.2.2 生物除磷理论
        1.2.3 污水传统脱氮除磷工艺
        1.2.4 污水传统脱氮除磷工艺存在的问题
    1.3 污水反硝化聚磷技术研究及应用
        1.3.1 反硝化聚磷理论
        1.3.2 反硝化除磷与好氧除磷的比较
        1.3.3 反硝化聚磷微生物
        1.3.4 污水反硝化聚磷工艺
    1.4 分子生物技术在活性污泥微生物研究中的应用
        1.4.1 聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳技术（PCR-DGGE）
        1.4.2 荧光原位杂交技术（FISH）
    1.5 污水中磷回收技术研究现状
        1.5.1 化学混凝沉淀法
        1.5.2 吸附法
        1.5.3 离子交换法
        1.5.4 诱导结晶法
    1.6 课题研究目的意义、内容及技术路线
        1.6.1 研究目的意义
        1.6.2 研究内容
        1.6.3 主要创新点
        1.6.4 技术路线
第二章 试验材料与方法
    2.1 试验装置与仪器设备
        2.1.1 反硝化聚磷-诱导结晶磷回收工艺试验装置
        2.1.2 主要仪器设备
    2.2 分析测定方法
        2.2.1 化学分析
        2.2.2 微生物分析
    2.3 试验设计
        2.3.1 反硝化聚磷菌和硝化细菌富集驯化试验
        2.3.2 反硝化聚磷污泥和硝化污泥富集前后微生物动态分析
        2.3.3 反硝化聚磷污泥磷含量EDS分析
        2.3.4 反硝化聚磷污泥和硝化污泥衰减特征研究
        2.3.5 反硝化聚磷和好氧聚磷污泥释磷和吸磷能力试验
        2.3.6 C/N比和C/P比对工艺运行及微生物种群结构的影响
        2.3.7 诱导HAP结晶回收污水中的磷主要影响因素试验
        2.3.8 侧流磷回收对工艺运行及微生物种群结构的影响
        2.3.9 反硝化聚磷-诱导结晶磷回收工艺效能评价
第三章 反硝化聚磷-诱导结晶磷回收工艺微生物富集及污泥特性研究
    3.1 反硝化聚磷菌和硝化细菌富集驯化
        3.1.1 反硝化聚磷菌富集驯化过程
        3.1.2 硝化细菌富集驯化过程
    3.2 富集前后系统内微生物动态变化
        3.2.1 荧光原位杂交（FISH）分析
        3.2.2 电子显微镜扫描（SEM）观察
    3.3 反硝化聚磷污泥磷含量EDS分析
    3.4 反硝化聚磷污泥厌氧/缺氧过程中碳、氮、磷浓度变化
        3.4.1 厌氧段污泥释磷量和碳源吸收量
        3.4.2 缺氧段污泥吸磷量和氮去除量
    3.5 反硝化除磷污泥和硝化污泥衰减特征
        3.5.1 反硝化除磷污泥衰减特征
        3.5.2 硝化污泥衰减特征
    3.6 本章小结
第四章 反硝化聚磷菌与好氧聚磷菌的对比分析
    4.1 厌氧环境下DPAO和PAO释磷能力对比
        4.1.1 DPAO和PAO厌氧释磷量
        4.1.2 DPAO和PAO碳源吸收量
    4.2 好氧环境下DPAO和PAO吸磷能力对比
    4.3 缺氧环境下DPAO和PAO吸磷能力对比
        4.3.1 DPAO和PAO缺氧吸磷量
        4.3.2 DPAO和PAO硝酸盐氮去除量
    4.4 DPAO和PAO微生物种群结构对比
        4.4.1 污泥样品中微生物种群结构变化
        4.4.2 污泥样品中微生物多样性分析
    4.5 本章小结
第五章 进水中C/N比和C/P比对反硝化同步脱氮除磷及微生物种群结构的影响
    5.1 C/N比和C/P比对氮和磷去除效果的影响
    5.2 C/N比和C/P比对微生物种群结构的影响
    5.3 氮和磷的去除效果与微生物种群结构变迁的关系
    5.4 本章小结
第六章 诱导HAP结晶回收污水中的磷主要影响因素研究
    6.1 羟基磷酸钙（HAP）结晶理论
    6.2 诱导HAP结晶主要影响因素研究
        6.2.1 反应时间和反应温度对诱导HAP结晶效果的影响
        6.2.2 晶种投加量对诱导HAP结晶效果的影响
        6.2.3 pH值对诱导HAP结晶效果的影响
        6.2.4 Ca/P摩尔比对诱导HAP结晶效果的影响
        6.2.5 曝气量对诱导HAP结晶效果的影响
    6.3 本章小结
第七章 侧流磷回收对工艺运行及微生物种群结构的影响
    7.1 侧流比对反硝化聚磷的影响
    7.2 侧流比对诱导结晶磷回收的影响
    7.3 侧流比对微生物种群结构的影响
    7.4 本章小结
第八章 反硝化聚磷-诱导结晶磷回收工艺效能评价
    8.1 工艺污染物的去除能力分析
        8.1.1 工艺对COD的去除情况
        8.1.2 工艺对氮的去除情况
        8.1.3 工艺对磷的去除情况
    8.2 诱导结晶产物分析
    8.3 本章小结
第九章 主要结论和建议
    9.1 主要结论
    9.2 进一步研究建议
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及参与的研究项目
致谢

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本文编号：2872870