基于CANON工艺的新型HABR反应器生物脱氮性能研究及生物多样性的分析

摘要

全程自养脱氮(CANON)工艺是包括了亚硝化与Anammox这两个反应过程的一种新型脱氮工艺，相比于传统废水生物脱氮工艺，其成功解决了工艺运行时曝气量大、需要额外投加有机碳源、运行费用高以及二次污染等问题。然而在目前的研究中，发现该工艺仍存在启动时间长、长期稳定运行困难、局限于高氨氮污水处理等问题。为了深化研究CANON工艺应用于生活污水处理的可行性，本文首次采用新型复合式折流板反应器(HABR)启动CANON工艺，从反应器的快速启动、长期稳定运行、脱氮规律，反应器内微生物活性、形态特征以及种群结构等方面开展了研究。
　　新型HABR反应器是在厌氧折流板反应器(ABR)的基础上发展而来的新型反应器，即在ABR反应器内添加了醛化丝纤维作为填料。因此，新型HABR反应器不仅具有ABR反应器的优点—污泥产率低、无需机械搅拌、运行费用低等，还具有膜反应器生物停留时间长的优点。本课题以新型HABR反应器为实验装置，研究过程总体可以分为以下三个阶段:
　　第一阶段为CANON工艺的快速启动阶段。通过接种普通活性污泥，在温度(30±2)℃、pH值(7.7±0.2)的条件下通过逐步缩短HRT启动反应器，并考察反应器的稳定运行情况，以及对NH4+-N浓度对CANON工艺脱氮效能进行研究。主要研究结果如下:
　　(1)经过89d的连续运行，新型HABR反应器成功实现了CANON工艺的快速启动，并能持续稳定运行至187d。稳定运行阶段，反应器出水NH4+-N和TN浓度分别在2mg/L和10mg/L以下，去除率分别达到96％和83％以上，NRR达到0.15kg/(m3·d)，证明了新型HABR是一种高效、稳定的脱氮反应器。
　　(2)稳定运行阶段，以反应器中第一个单元格的脱氮性能最好，NH4+-N与TN浓度在反应器沿程逐渐降低，沿程中pH值的波动变化与DO密切相关，电导率、MLSS的变化与NH4+-N浓度的变化具有正相关性。
　　(3)通过改变进水NH4+-N浓度，说明新型HABR在处理波动范围为20～85mg/L的生活污水时，均具有良好的脱氮性能。
　　第二阶段主要研究了CANON反应器内功能微生物的活性及特性。主要得到以下结论:
　　(1)反应器启动成功后，各单元格间污泥形成不同颜色，在前三个单元格中，污泥呈现出土黄色，而后三个单元格中污泥则是棕褐色。
　　(2)反应器CANON反应速率、Anammox反应速率的测定结果表明，第一个单元格中AOB和AnAOB的活性最高。
　　(3) SEM结果表明，AOB和AnAOB应当同时存在于反应器之中，且为优势菌种。
　　(4) FISH结果表明，AOB和AnAOB这两种微生物同时存在于反应器中，且具由AnAOB生长在生物膜内侧、AOB生长于生物膜外侧的空间分布结构。
　　第三阶段，通过PCR和高通量分子生物技术对稳定运行阶段的CANON反应器沿程各单元格内生物膜进行分析，主要得到以下结论:
　　(1)对CANON反应器沿程各单元格的生物膜DNA样品进行PCR扩增，其凝胶电泳结果均有清晰条带产生，进一步验证了各样品中均存在AOB和AnAOB。
　　(2)通过高通量测序分析表明，反应器内微生物多样性极高，第一个单元格获得的微生物种类最多。
　　(3) Proteobacteria做为最优势菌群存在于各样品中。检测到了2个菌属的AOB细菌Nitrosococcus（亚硝化球菌属）和Nitrosopumilus（亚硝化侏儒菌属），2个属的AnAOB属:Candidatus Brocadia和Candidatus Jettenia，1个属的NOB，以及10个属的反硝化细菌。说明AOB、AnAOB、NOB及反硝化细菌可以同时存在于一个反应器，AOB、AnAOB为主要的功能微生物，完成CANON工艺的氮素去除。

目录

摘要

主要缩略语及符号

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 传统生物脱氮技术

1．2．1 传统生物脱氮原理

1．2．2 传统生物脱氮工艺

1．2．3 传统生物脱氮工艺缺点

1．3 新型自养脱氮技术

1．3．1 新型自养脱氮原理

1．3．2 新型自养脱氮工艺

1．4 HABR研究现状

1．5 课题研究内容与技术路线

1．5．1 课题来源

1．5．2 研究内容

1．5．3 技术路线

第二章 实验材料与方法

2．1 试验装置

2．2 接种污泥及实验用水

2．3 实验检测方法

2．3．1 水质分析方法

2．3．2 SEM分析

2．3．3 FISH分析

2．3．4 DNA提取方法

2．3．5 PCR扩增

2．3．6 高通量测序

第三章 CANON工艺的快速启动

3．1 引言

3．2 CANON反应器的启动

3．2．1 CANON反应器启动策略

3．2．2 CANON反应器启动阶段的氮素去除特性

3．3 CNON反应器稳定阶段沿程氮素变化

3．4 CNON反应器稳定阶段沿程各运行参数变化

3．4．1 CANON反应器沿程电导率的变化

3．4．2 CANON反应器沿程pH的变化

3．4．3 CANON反应器沿程MLSS的变化

3．5 氨氮浓度对CANON反应器运行效能的影响

3．5．1 氨氮浓度变化策略

3．5．2 氨氮浓度对CANON反应器氮素去除特性的影响

3．6 本章小结

第四章 CANON反应器功能微生物活性及特性

4．1 引言

4．2 CANON反应器各单元格内生物膜外观观察

4．3 CANON反应器各功能微生物活性的测定

4．3．1 各功能微生物的测定方法

4．3．2 各功能微生物活性的测定

4．4 CANON反应器内生物膜形态的观察

4．5 CANON反应器内功能微生物的空间分布

4．6 本章小结

第五章 CANON反应器微生物群落特性研究

5．1 引言

5．2 CANON反应器内生物膜样品PCR扩增检测

5．3 CANON反应器内生物膜高通量测序结构分析

5．3．1 CANON反应器微生物种群多样性分析

5．3．2 CANON反应器微生物群落结构特征

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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