厌氧氨氧化耦合工艺脱氮性能及受盐度和磁场影响研究

摘要

随着科技的进步和工业的进一步发展，越来越多的氮素排放到水体中，引起了一系列的环境问题。根据《2016年中国环境公报》显示，我国诸多地表水体及地下水氮素污染比较严重，直接威胁到人类饮用水的安全。环境中氮素污染问题日益严峻，氮素的去除刻不容缓。厌氧氨氧化(anammox)是近年来兴起的脱氮工艺，以厌氧氨氧化工艺为基础发展起来的一系列耦合工艺与传统工艺相比，具有工艺流程短、污泥产率低、N2O排放量低、所需曝气量及额外碳源量较低，运行成本较低等众多优点，应用前景较为广阔。
　　厌氧氨氧化过程需要亚硝态氮作为电子受体氧化铵氮，而实际的污水中亚硝态氮含量通常较少，阻碍了厌氧氨氧化过程。短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺(SNAP)可以有效解决污水中亚硝态氮不足的问题，其通过微量曝气将废水中的一部分铵氮转化为亚硝态氮供给厌氧氨氧化菌使用。实际污水中成分比较复杂，一些海产品加工厂、皮革厂及纺织厂等工艺废水中除含有大量铵氮外，还含有大量的盐分，而盐度对微生物具有潜在的危害。目前，针对高盐度及超高盐度对SNAP工艺的影响的研究较少，相关研究具有重要意义。
　　虽然污水中的大部分铵氮通过SNAP工艺可以被转化为氮气去除，但从理论上来说，至少有11％的铵氮被转化为硝态氮。面对越来越严格的脱氮指标，在排放进入水体之前需要进一步处理。短程硝化耦合厌氧氨氧化、反硝化工艺(SNAD)可以有效解决这个问题。在SNAD工艺中，反硝化菌可以利用有污水中的有机碳源将生成的硝态氮还原为氮气被去除，从理论上来讲，污水中消耗的铵氮可以完全转化为氮气被去除。诸多因素如有机物浓度、溶解氧浓度及曝气方式等会影响SNAD工艺稳定性及脱氮效果。然而，目前并没有关于磁场对SNAD工艺影响的探究，需做进一步研究。
　　论文主要结论如下:
　　(1)中低盐度对SNAP工艺影响不大。0.5-2.0％的盐度对AOB菌有轻微的抑制作用，导致出水铵氮去除率偏低，而盐度对NOB菌的抑制作用使得出水TN去除率基本不变。
　　(2)高盐度(3.0％)对SNAP影响较大。3.0％的盐度可以抑制AOB菌的活性，但强化曝气可以增强AOB活性，同时由于盐度对NOB菌的抑制作用及anammox菌能通过长期培养适应3.0％的盐度，从而可以获得更好的铵氮去除率和总氮去除率。
　　(3)超高盐度(5.0％)对SNAP工艺影响较大。AOB菌及anammox菌不能适应5.0％的盐度，其活性被抑制，SNAP工艺不能稳定运行。
　　(4)MBR反应器中出现的生物膜好氧和厌氧分区有利于保护anammox菌和反硝化菌免受氧气的影响，有利于SNAD工艺的运行。
　　(5)SNAD工艺中磁场(3.5mT)能够促进NOB菌和异养厌氧菌Caldithrix的生长，NOB菌和AOB菌竞争氧气，与anammox菌竞争亚硝态氮，异养厌氧菌Caldithrix与反硝化菌竞争有限的碳源从而导致AOB菌、anammox菌及反硝化菌被抑制。
　　(6)磁场的施加打破了SNAD工艺中变形菌门的优势地位，使得SNAD工艺中优势菌群由变形菌门(25.6％)变为脱铁杆菌门(35.2％)，同时，在属水平上的功能菌的相对丰度都显著降低，此外，弱磁场会弱化NH3→NH2OH、NO→N2O及N2O→N2通路，进而使得SNAD工艺不能稳定运行。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 水体氮素污染现状及其危害

1．2 传统脱氮工艺简介

1．2．1 物理、化学脱氮工艺

1．2．2 传统生物脱氮工艺

1．2．3 新型生物脱氮工艺

1．3 厌氧氨氧化相关工艺

1．3．1 厌氧氨氧化工艺的生化机理

1．3．2 厌氧氨氧化工艺的影响因素

1．3．3 厌氧氨氧化耦合工艺的研究进程

1．3．4 一段式短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺(SNAP)

1．3．5 短程硝化-厌氧氨氧化耦合反硝化工艺(SNAD)

1．4 研究内容

1．5 创新点

2．1 实验方案

2．2 分析项目及实验方法

2．2．1 物化指标与测试方法

2．2．2 SOUR检测方法与步骤

2．2．3 SAA检测方法和步骤

2．2．4 DNA提取

2．2．5 高通量测序

第三章 盐度对SNAP工艺的影响探究

3．2 实验配水

3．3 盐度对SNAP工艺脱氮性能的影响

3．4 盐度对SNAP工艺中功能菌活性的影响

3．5 盐度对SNAP工艺中微生物群落结构的影响

3．5．1 盐度对微生物丰度及多样性的影响

3．5．2 盐度对微生物群落结构及氮循环通路结构的影响

3．6 小结

第四章 磁场对SNAD工艺的影响探究

4．1 实验装置、污泥接种及运行条件

4．2 配水方案

4．3 SNAD工艺的启动及其耦合机理

4．3．1 启动时间及氮素去除表现

4．3．2 SNAD工艺耦合机理探究

4．4 磁场对SNAD工艺氮素去除的影响

4．5 磁场对SNAD工艺中微生物群落的影响

4．5．1 磁场对SNAD工艺微生物丰度及多样性的影响

4．5．2 磁场对SNAD工艺微生物群落结构的影响

4．6 小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的学术成果