生活污水亚硝化--厌氧氨氧化组合工艺脱氮及菌群特性研究

摘要

亚硝化-厌氧氨氧化组合工艺的问世，使高效、低耗的生物脱氮技术成为可能。厌氧氨氧化菌以废水中的氨氮为电子供体，亚硝态氮为电子受体，可以将氨氮和亚硝态氮同时转化为氮气，系反应过程中无需外加有机碳源的自养脱氮菌。综观亚硝化-厌氧氨氧化组合工艺的研究现状发现:现有的厌氧氨氧化技术大多用于处理高浓度氨氮废水，关于处理低浓度生活污水的研究报道相对较少。 为了推动亚硝化-厌氧氨氧化组合工艺在生活污水中的应用。本研究的主体实验在亚硝化SBR反应器及置入无纺布膜组件的厌氧氨氧化ASBBR反应器中进行，针对氨氧化菌(AOB)及ANAMMOX菌各自的生长特性，探讨亚硝化SBR及厌氧氨氧化ASBBR反应器的快速启动策略。并且对各反应器内群落多样性及功能性微生物的变化进行分析鉴定。针对亚硝化SBR-厌氧氨氧化ASBBR组合工艺处理生活污水的可行性，开展了实验研究，探讨添加不同形式絮凝剂对厌氧氨氧化污泥脱氮性能及功能性微生物的影响。 以沈阳市北部污水处理厂活性污泥系统二沉池内污泥为接种污泥，调节进水pH值7.6～8.3、控制亚硝化SBR工艺水浴温度30～33℃、控制反应器内DO浓度0.5mg/L以下，以逐渐降低进水中基质浓度的培养方式，在34d内成功启动了亚硝化SBR工艺，使得系统内亚硝态氮积累率达到91.32％。对接种初期及亚硝化稳定运行后的污泥样本内主要微生物进行高通量测序，结果表明:反应器启动成功后的亚硝化污泥生物多样性较接种污泥明显减少，主要功能性微生物氨氧化菌(AOB)为变形菌门（Proteobacteria）下的亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas），其细菌总数比值从接种污泥的0.31％增加到14.61％。 以长期冷藏保存的厌氧氨氧化UASB工艺污泥为种泥，调节进水pH值7.5～7.8、控制厌氧氨氧化ASBBR反应器内DO浓度0.3～0.5mg/L、水浴温度30℃、调节搅拌器转数至60rp/min，通过逐步提高进水氨氮负荷的运行方式对厌氧氨氧化污泥进行富集培养，发现当反应运行到第91d，HRT=6h，系统内最大NH4+-N及NO2--N去除率均达到90％，总氮的去除率达到84.35％，说明通过接种原有厌氧氨氧化污泥可以在90d左右成功启动厌氧氨氧化反应器。此时厌氧氨氧化污泥呈棕红色颗粒状。对接种初期及厌氧氨氧化反应器启动成功后的污泥样本内主要微生物进行高通量测序，结果表明:与接种污泥相比，反应器启动成功后污泥样本中生物多样性明显减少，其主要的ANAMMOX菌为浮霉菌门（Planctomycetes）的Candidatus_Kuenenia、Candidatus_Jettenia、Candidatus_Brocadiadeng属，其占细菌总数的比值为19.46％。 在分别进行亚硝化SBR、厌氧氨氧化ASBBR工艺研究的基础上，采用逐步提高实际废水比例的方式，开展生活污水亚硝化-厌氧氨氧化组合工艺实验研究。考察亚硝化-厌氧氨氧化组合工艺对生活污水的脱氮性能。通过控制亚硝化SBR反应器内温度为33℃、pH值为7.8、DO浓度≤0.5mg/L;厌氧氨氧化ASBBR反应器内温度为33℃、进水pH值为7.5、DO浓度≤0.5mg/L，用亚硝化SBR-厌氧氨氧化ASBBR组合工艺对生活污水进行脱氮，实验结果表明:经过160d的连续培养，控制亚硝化反应器内HRT=6h、厌氧氨氧化ASBBR反应器内HRT=3h，进水NH4+-N平均浓度为48.68mg/L的SBR反应器中，出水亚硝化效果稳定，经厌氧氨氧化工艺处理后出水中NH4+-N平均浓度降至1.95mg/L（其中NO2--N、NO3--N浓度平均值分别为1.59mg/L、4.24mg/L），TN平均浓度为7.78mg/L，系统对TN的去除率达到84.59％。 基于控制厌氧氨氧化ASBBR反应器中污泥流失的现象，本研究分别考察了两种不同形式絮凝剂对厌氧氨氧化污泥污沉降性及脱氮性能的影响。结果表明:添加生物絮凝剂MBFA9后，系统对NH4+-N的平均去除率为88.13％(高于对照组87.38％)，系统对NO2--N的平均去除率为85.4％（对照组85.44％）。添加化学絮凝剂后系统内NH4+-N、NO2--N去除率最大值分别为39.64％、32.89％。添加两种絮凝剂对厌氧氨氧化污泥的沉降性均高于对照组，絮凝效果呈团状。通过高通量技术分析结果显示:生物絮凝剂MBFA9对厌氧氨氧化污泥的群落结构影响不大，而化学絮凝剂对厌氧氨氧化污泥的群落结构影响很明显，使样本内浮霉菌门(Planctomycetes)完全消失。实验发现:适量的投加生物絮凝剂可以有效减少厌氧氨氧化污泥随出水流失的现象，并且对脱氮性能没有影响。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1自然水体中氮污染现状及其危害

1．2传统生物脱氮技术及研究进展

1．2．1传统生物脱氮技术

1．2．2典型的传统生物脱氮工艺

1．2．3传统生物脱氮工艺的不足

1．3新型生物脱氮技术及研究进展

1．3．1同步硝化-反硝化工艺

1．3．2短程硝化-反硝化工艺

1．3．3 OLAND工艺

1．3．4SHARON工艺

1．3．5SHARON-ANAMMOX组合工艺

1．3．6CANON工艺

1．3．7DEAMOX工艺

1．4厌氧氨氧化脱氮技术及研究进展

1．4．1厌氧氨氧化反应的机理

1．4．2厌氧氨氧化菌的生理生化特性及分类

1．4．3厌氧氨氧化菌的影响因素

1．4．4厌氧氨氧化菌工艺的工程化应用

1．5本文的研究目的和意义

1．6研究内容和技术路线

1．6．1研究内容

1．6．2技术路线

第2章实验材料与方法

2．1实验材料及仪器设备

2．1．1接种污泥

2．1．2实验用水

2．1．3实验装置及方法

2．1．4常规分析项目及测定方法

2．2微生物学检测

2．2．1扫描电子显微镜(SEM)

2．2．2生物量提取和酶活性的测定

2．2．3亚铁血红素含量

2．2．4胞外多聚物

2．2．5生物菌群多样性分析

第3章亚硝化SBR反应器的启动及稳定运行

3．1引言

3．3实验方法

3．3．1反应器运行模式

3．3．2接种污泥

3．3．3实验进水

3．4结果与讨论

3．4．1高低氨氮浓度交替进水情况下亚硝化SBR工艺的启动

3．4．2温度对亚硝化反应体系的影响

3．4．3pH值／FA浓度对亚硝化反应体系的影响

3．4．4 DO浓度对亚硝化反应体系的影响

3．4．5 SRT对亚硝化反应体系的影响

3．4．6微生物形态结构扫描电镜分析

3．4．7反应器内微生物高通量测序分析

3．4．8有机物对亚硝化反应体系的影响

3．5本章小结

第4章厌氧氨氧化ASBBR反应器的启动运行及Fe2+的影响

4．1引言

4．2实验目的

4．3实验方法

4．3．1反应器运行模式

4．3．2接种污泥

4．3．3实验进水

4．3．4实验装置

4．3．5实验分析项目及测定方法

4．4结果与讨论

4．4．1厌氧氨氧化ASBBR反应器启动及稳定运行阶段

4．4．2厌氧氨氧化工艺运行失稳及恢复

4．4．3微生物形态结构扫描电镜分析

4．4．4反应器启动成功后高通量测序分析

4．4．5 pH值对厌氧氨氧化污泥的影响

4．4．6进水中COD对厌氧氨氧化污泥的影响

4．4．7进水DO浓度对厌氧氨氧化污泥的影响

4．4．8 Fe2+对厌氧氨氧化反应器脱氮性能及过程中化学计量关系的影响

4．4．9Heme C content亚铁血红素C含量(pmol Heme C／mg protein)

4．4．10Fe2+对厌氧氨氧化菌形态的影响

4．5本章小结

第5章亚硝化SBR-厌氧氨氧化ASBBR组合工艺的启动运行

5．1引言

5．2实验目的

5．3实验方法

5．3．1研究内容

5．3．2实验装置

5．3．3实验用水

5．3．4实验分析项目及检测方法

5．3．5接种污泥

5．3．6反应器运行模式

5．4结果与讨论

5．4．1生活污水亚硝化SBR脱氮工艺研究

5．4．2生活污水厌氧氨氧化ASBBR脱氮工艺研究

5．4．3C／N比对亚硝化SBR-厌氧氨氧化ASBBR反应器组合工艺脱氮性能的影响

5．4．4添加絮凝剂对厌氧氨氧化ASBBR反应器脱氮性能的影响

5．4．5絮凝剂作用下厌氧氨氧化反应器内生物群落结构分析

5．4．6亚硝化SBR-厌氧氨氧化ASBBR组合工艺故障分析与解决策略

5．5本章小结

第6章结论、创新及展望

6．1结论

6．2创新点

6．3展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的研究成果