固定化反硝化聚磷菌用于污水同步除磷脱氮的研究

摘要

氮、磷元素是导致众多内陆湖泊、水库甚至河流水体富营养化问题的主要因素，污水的氮和磷的排放标准越来越趋于严格。具有同步除磷脱氮的反硝化聚磷(Denitrifying phosphorus accumulating organisms，DNPAOs)正日益成为备受关注的污水生物处理新技术。微生物固定化技术是生物处理法的一项新兴技术，它是将微生物固定在包埋体内使其高度密集并保持其生物活性功能，在适宜的条件下还可以增殖以满足污水同步除磷脱氮的生物污水处理技术。
　　 本课题分别采用细菌自身固定和凝胶人工固定化的方法，以生活污水为处理对象，实现除磷脱氮的同步进行。研究取得的创新性成果主要有：(1)利用部分GAOs(如Alphaproteobacteria phylum)偏好丙酸盐碳源，而部分PAOs(DNPAOs)(如Candidatus Accumulibacter Phosphatis)既可以利用乙酸盐也可以利用丙酸盐作为碳源的特点，以乙酸钠/丙酸作为交替碳源，分两个阶段对反硝化聚磷菌的富集，在缺氧段保持长时间的微生物“饥饿”期，驯化出丰富的适合低氧和缺氧状态的、以DNPAOs为优势菌群的活性污泥；(2)利用合适的选择压和碳源的选择性，在大高径比的SBR反应器内，以乙酸钠/丙酸作为交替碳源，实现DNPAOs的富集和颗粒污泥的培养同步进行；(3)将富集得到的以DMPAOs为优势菌群的活性污泥作人工固定化处理，制成的凝胶小球具有与颗粒污泥相似的结构和功能，在处理模拟和实际污水时，有很好的同步除磷脱氮和COD去除效果；(4)采用体视显微镜、光学显微镜、SEM，结合FISH法研究了固定化微生物颗粒(颗粒污泥和凝胶小球)的生物学特性，为固定化菌体反硝除磷研究和工艺检测提供了依据。
　　 首先进行的是分厌氧/好氧和厌氧/缺氧两个阶段对DNPAOs的富集。通过第一阶段培养，污水PO43--P去除率由初始的18%提高到65%，表明PAOs比例得到极大提高。第二阶段的实验结果表明，在3种碳源体系中，以乙酸钠/丙酸为交替碳源的体系可以提高DNPAOs比例，其除磷脱氮效优于以乙酸和丙酸为单一碳源的体系。
　　 在大高径比的SBR(序批式反应器，Sequencing batch reactor)中，通过控制沉淀排水时间和交替使用不同碳源，经过35d的培养，成功获得富含DNPAOs、平均粒径为1.4mm的颗粒污泥。体系PO43--P的平均去除率达到了96.3%，最高可达98%；氨氮的平均去除率达到了95.5%，最高达99%；这说明颗粒污泥内部存在缺氧区，DNPAOs在此区域可以利用外碳源和内碳源进行反硝化吸磷，表现出很好的同步除磷脱氮的效果，且COD的平均去除率达到92%。
　　 鉴于颗粒污泥具有很好的同步除磷脱氮功能，但因培养条件苛刻，目前尚无法实现规模培养，本研究模拟颗粒污泥的结构特征，将经过以乙酸钠/丙酸为交替碳源富集培养得到的以DNPAOs为优势菌群的活性污泥，采用海藻酸钠+PVA并添加少量膨润土作固定化处理，制得的凝胶小球中包埋有丰富的DNPAOs，其结构与颗粒污泥非常相似。在一定温度和进水碳源浓度下，影响凝胶小球除磷脱氮的主要因素有体系的pH、DO以及P/COD比值。当使用乙酸钠为碳源时，凝胶小球氮磷平均去除率分别为93.3%和95.0%，COD平均去除率为84.5%。凝胶小球对实际废水的氮磷和COD去除率分别为84%、93%和81%。尽管凝胶小球在流化状态下有利于底物传质，但因其强度所限，不适合在流化床反应器中长期运行。
　　 显微结构分析表明，颗粒污泥和凝胶小球表面由大量丝状、杆状和球状菌体交织缠绕而成，且其微观结构较为疏松，存在很大的空隙，有利于底物由外向内、产物由内向外扩散。其内部空间因溶解氧和底物扩散存在的浓度梯度，自然形成由外向内的好氧区、缺氧区和厌氧区，形成微生态系统的生境多样化。
　　 FISH分析表明，两种固定化方法得到的颗粒(颗粒污泥和凝胶小球)中均存在丰富的聚磷菌，其密度由外向内逐渐减小；体系存在少量GAOs，但主要存在于颗粒外表面，表明PAOs是兼性菌，而GAOs多为好氧菌；FISH分析的结果进一步证明，以乙酸钠/丙酸为交替碳源可以抑制竞争菌GAOs对碳源的竞争，实现颗粒污泥的培养与DNPAOs的富集同步进行。固定化微生物颗粒可以避免因GAOs过量繁殖导致的处理系统失效问题。
　　 利用试验得到的大量数据，对固定化反硝化除磷动力学进行了推导，并给出了相关参数和相应动力学方程。

目录

文摘

英文文摘

符号说明

第一章 文献综述

1.1 引言

1.2 生物法除磷脱氮

1.3 生物法同步除磷脱氮

1.3.1 反硝化聚磷菌的发现及其生物学特征

1.3.2 DNPAOs同步除磷脱氮机理研究进展

1.4 DNPAOs的富集的研究进展

1.5 固定化微生物除磷脱氮技术的研究进展

1.5.1 污泥的自身固定化一颗粒污泥的研究进展

1.5.2 人为固定化微生物脱氮除磷技术的研究进展

1.6 现有的反硝化同步除磷脱氮工艺以及未来研究趋势

1.7 本课题的研究内容及意义

参考文献

第二章 DNPAOS的富集培养

2.1 引言

2.2 实验材料与实验方法

2.2.1 材料与试剂

2.2.2 仪器及设备

2.2.3 实验装置

2.2.4 水质分析方法

2.2.5 污泥的培养与驯化

2.2.6 模拟废水的配制

2.3 结果及讨论

2.3.1 厌氧/好氧条件下总PAOs的富集培养

2.3.2 厌氧/缺氧条件下不同碳源对DNPAOs富集的影响

2.4 综合分析

2.4.1 DNPAOs的富集问题

2.4.2 体系中的氨氮去除问题

2.5 本章小结

参考文献：

第三章 DNPAOS固定化研究

3.1 引言

3.2 实验材料与实验方法

3.2.1 材料与试剂

3.2.2 仪器与设备

3.2.3 分析方法

3.2.4 颗粒污泥实验装置与运行模式

3.2.5 凝胶小球制备方法

3.3 结果及讨论

3.3.1 颗粒污泥的形成及特性

3.3.2 好氧颗粒污泥形成机理

3.3.3 凝胶小球的制备及特性

3.3.4 包埋固定化机理

3.4 本章小结

参考文献

第四章 固定化DNPAOS反硝化除磷研究

4.1引言

4.2 实验方法

4.2.1 材料与试剂

4.2.2 仪器与设备

4.2.3 分析方法

4.2.4 固定化DNPAOs除磷脱氮实验

4.3 结果及讨论

4.3.1 颗粒污泥体系反硝化除磷及对有机物的去除

4.3.2 凝胶小球体系反硝化除磷及对有机物的去除

4.3.3 固定化DNPAOs同步硝化和反硝化除磷机理

4.3.4 反应器设计

4.5 本章小结

参考文献

第五章 固定化DNPOAS的生物学特征

5.1 引言

5.2 实验材料与实验方法

5.2.1 所需药剂与设备

5.2.2 实验方法

5.3 结果及讨论

5.4 本章小结

参考文献

第六章 固定化DNPAOS反硝化除磷动力学模型

6.1 引言

6.2 反硝化除磷化学计量学

6.2.1 DNPAOs的厌氧放磷化学计量学

6.2.2 DNPAOs的吸磷化学计量学

6.2.3 硝化反应化学计量学

6.3 固定化DNPAOs反硝化除磷机理及动力学模型

6.3.1 模型的基本假设

6.3.2 厌氧段模型

6.3.3 好氧段模型

6.3.4 缺氧段反硝化吸磷动力学模型

6.3.4 模型评价

6.4 本章小结

参考文献

第七章 结论与建议

7.1 结论

7.2 建议

7.3 本论文的创新之处

致谢

攻读博士学位期间发表论文与参加科研情况