不同供氧策略对SBBR反应器实现短程硝化厌氧氨氧化的影响分析

摘要

垃圾渗滤液是垃圾卫生填埋过程中产生的二次污染，其水质比较复杂，氨氮浓度和COD的含量较高，且因其碳氮比、pH值较低和水质水量变化大的特点而成为水处理研究的热点和难点。近年来，生物脱氮理论取得了重大突破，在此基础上，废水生物脱氮技术也取得了快速的发展，由此而涌现出了一批具有创新意义的脱氮工艺。目前研究的热点是短程硝化.厌氧氨氧化工艺，短程硝化.厌氧氨氧化的协同作用原理为高氨氮垃圾渗滤液的脱氮提供了一条新型的高效生物脱氮途径，和传统硝化反硝化脱氮途径相比可以节约25％的能耗，且无需外加碳源，运行过程中污泥产量极小，可节约运行成本，故该组合工艺比较适合垃圾渗滤液的水质特征。 本实验使用的反应器是序批式生物膜反应器(Sequencing Batch BiofilmReactor，简称SBBR)，其实质是生物膜法的间歇操作模式。间歇式的进水可以提高系统的抗冲击负荷能力，同时载体上的生物膜能保证世代较长的微生物(如厌氧氨氧化细菌)生存，利于厌氧氨氧化反应；另一方面生物膜载体从表面到内部存在溶解氧浓度的梯度现象，相应有好氧、兼氧和缺氧区共存的状态，为直接脱氮提供了良好的环境。本实验通过自主设计的SBBR反应器进行实验考察，以期为垃圾渗滤液的高效生物脱氮提供一种新思路。 实验以氨氮浓度含量较高的垃圾渗滤液为处理对象，分析研究不同供氧策略对SBBR反应器实现短程硝化厌氧氨氧化的影响。在4种不同供氧策略(a、b、c和d的总供氧时间分别为16h、12h、12h和8h；好氧/厌氧交替频率分别为4h/2h、3h/3h、2h/2h和2h/4h)下同步启动反应器，保持各反应器内环境温度为(30±0.5)℃，并控制曝气阶段溶解氧(DO)浓度为(1.2±0.1)mg.L-1。 实验结果表明，反应器启动期间，经过124d的驯化和增殖，反应器内亚硝酸细菌以及厌氧氨氧化细菌稳定生长，从而成功启动了短程硝化厌氧氨氧化反应，使各反应器具有一定的脱氮能力，但是效果不同，其中，采用总供氧时间为12h，好厌氧交替频率为2h/2h供氧策略的反应器c效果最好，氨氮去除率达到96.6％左右，而且抗氨氮冲击负荷的能力最强，最大的氨氮容积负荷为0.186g·(L.d)-1。各反应器单周期内NH4+-N、NO2-N和NO3-N的浓度变化表明，在曝气阶段由于DO浓度的限制，亚硝酸盐出现积累，NO3-N的产量极低；缺氧阶段，由于厌氧氨氧化细菌和反硝化细菌的协同作用，亚硝酸盐氮和氨氮同时被去除，且没有硝酸盐的积累。从4个反应器和渗滤液原水中提取细菌总DNA，利用PCR-DGGE技术对细菌群落种群多样性及种群结构进行了，分析DGGE图谱及各泳道间相似性系数Cs值知，实施不同供氧策略启动的各反应器及渗滤液原水，其微生物细菌组成、群落丰富度值及功能细菌的数量不同，致使各反应器的氨氮去除效率、抗氨氮冲击负荷的能力不同，细菌种群最丰富的c反应器处理效果最好，d反应器最差；相似性系数差异较大，说明不同供氧策略对启动后反应器内的细菌多样性及种群结构有很大的影响。

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论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1研究背景和意义

1.2垃圾渗滤液概述

1.2.1垃圾渗滤液的来源

1.2.2渗滤液的水质特性

1.2.3垃圾渗滤液的处理现状和存在问题

1.3生物脱氮基本理论

1.3.1硝化作用

1.3.2反硝化作用

1.3.3厌氧氨氧化作用

1.4生物脱氮新型工艺

1.4.1短程硝化反硝化(Sharon)工艺

1.4.2短程硝化-厌氧氨氧化工艺

1.4.3其他新型生物脱氮工艺

1.5实验的研究思路及实施路线

1.5.1实验的研究思路

1.5.2实验的实施路线

第2章不同供氧策略下反应器的启动

2.1引言

2.2 SBBR工艺运行参数及实验方法

2.2.1 SBBR工艺技术背景

2.2.2 SBBR工艺运行方式及特点

2.2.3工艺运行参数及实验方法

2.3实验装置、材料及分析检测方法

2.3.1实验装置

2.3.2实验材料

2.3.3分析检测项目及方法

2.4不同供氧策略反应器内微生物的驯化增殖

2.5 小结

第3章反应器容积负荷、脱氮机理研究

3.1供氧策略对各反应器容积负荷的影响

3.2各反应器脱氮机理分析

3.2.1生物脱氮理论的突破

3.2.2生物脱氮途径介绍

3.2.3反应器脱氮机理分析

3.3供氧策略对反应器性能的影响分析

3.4小结

第4章基于分子生物学的细菌多样性和种群结构分析

4.1引言

4.2分子生物学概述

4.2.1分子生物学的基本含义

4.2.2分子生物学的主要研究内容

4.3 16S rRNA/rDNA同源性分析法

4.3.1 16SrRNA/rDNA分析技术的基本原理

4.3.2微生物群落总DNA的提取与纯化

4.3.3靶DNA的PCR扩增

4.3.4梯度凝胶电泳技术

4.4材料及方法

4.4.1生物膜样的收取

4.4.2实验方法

4.5结果与讨论

4.5.1 DNA提取、纯化与PCR扩增

4.5.2 DGGE图谱的细菌多样性和种群相似性分析

4.6小结

结论

参考文献

致谢

附录