碳源类型对反硝化除磷过程N2O产生的影响机制研究

摘要

随着工业的不断发展，富含氮磷的污水大量排放到天然水体中，造成江河湖泊水体富营养化严重，这使污水生物脱氮除磷成为人们日益关注的热点。反硝化除磷工艺是一种低费高效的水处理技术，它可以“一碳两用”，同时完成脱氮和除磷，不仅可以节省碳源，还能减少曝气量和污泥产量。但最近的研究发现，反硝化除磷过程中会产生大量的温室气体N2O。而碳源类型会对该过程中N2O的释放产生影响，本研究以污水中最常见的两种碳源——乙酸和丙酸为研究对象，开展不同碳源类型下反硝化除磷过程中N2O产生的研究，本研究的开展可为反硝化除磷工艺中N2O的减排提供理论依据。
　　本文首先探讨了不同碳源条件下污染物的去除效果及N2O的产量，并在系统稳定后跟踪测定系统中污染物和N2O的浓度变化，研究碳源的改变对反硝化除磷系统的影响。利用扫描电镜和PCR-DGGE等技术对微生物形态及菌落结构变化进行了研究，分析了污泥微观环境的改变与污水处理效果之间的关系。主要结论如下:
　　在改变碳源实验中，各反硝化除磷系统污染物的去除效率有明显不同。三个系统对COD的去除率较高，都能达87％以上。系统中存在丙酸使总氮的去除率降低，乙酸系统对总氮的去除率最高为71.39％，丙酸系统对总氮的去除率降低到42.35％。丙酸系统的厌氧释磷量远高于乙酸和混合酸系统，且丙酸可以提高反硝化除磷系统总磷去除效率，以乙酸为碳源时总磷的去除率最低为87.23％，以丙酸为单一碳源时总磷的去除率提高到88.94％。乙酸系统中亚硝酸盐积累最严重，亚硝酸盐浓度最高达到22.08mg/L，而丙酸系统中没有亚硝酸盐产生。
　　碳源的改变使反硝化除磷系统N2O的释放差异较大。乙酸系统N2O产量远高于混合酸和丙酸系统，乙酸系统的N2O最高浓度达到3.3mg/L，丙酸系统中不产生N2O。因此，丙酸对反硝化除磷系统中N2O的减量化具有明显优势。不同碳源影响厌氧合成的PHA数量和种类。以乙酸为碳源时PHA合成量最高，以丙酸为碳源时PHA合成量最少。丙酸系统中较少的PHA数量，导致其反硝化过程进行不彻底。以混合酸和丙酸为碳源，在厌氧合成的PHA中，PHV和PH2MV数量的增加有利于N2O产量的减少。
　　在污泥微生物的研究中发现，以乙酸为碳源时污泥中的微生物以球菌为主，以丙酸为碳源时污泥中的细菌多数为杆菌，说明丙酸系统会培养出更多的反硝化细菌。碳源的改变使系统中全细菌和反硝化细菌的种类都明显不同，混合酸系统的污泥中全细菌的多样性最高，而丙酸系统中反硝化细菌的多样性最高。同时，各系统的优势菌种差异较大。这些都从污水生物处理的本质方便改变了工艺的运行过程，进而使得系统的处理效果和N2O的产生量产生差异。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 反硝化除磷技术及研究现状

1．1．1 反硝化除磷机理

1．1．2 反硝化除磷工艺

1．1．3 反硝化除磷的影响因素

1．2 N2O及其环境效应

1．3 污水生物处理过程中N2O的释放

1．3．1 N2O的产生机理

1．3．2 影响N2O产生的因素

1．3．3 反硝化除磷过程中N2O的释放机理

1．4 PCR-DGGE技术在环境微生物研究中的应用

1．5 研究目的和研究内容

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

1．5．3 技术路线图

第二章 实验装置与方法

2．1 接种污泥和实验用水

2．2 实验装置

2．3 装置运行参数

2．4 分析测试项目与方法

2．4．1 物化指标与测试方法

2．4．2 气体N2O的采集与测定

2．4．3 胞内聚合物的测定

2．5 活性污泥PCR-DGGE分析

2．5．1 活性污泥总DNA提取

2．5．2 PCR扩增

2．5．3 DGGE分析

2．6 活性污泥扫描电镜分析

第三章 不同碳源系统中污染物的去除效果及N2O释放规律

3．1 系统对污染物的去除效果

3．2 典型周期内氮磷的转化

3．3 典型周期内N2O的释放

3．4 典型周期内胞内聚合物的变化

3．5 小结

第四章 不同碳源系统中污泥的微生物学研究

4．1 污泥微生物形态的研究

4．2 污泥微生物群落的研究

4．2．1 活性污泥总DNA提取

4．2．2 PCR扩增

4．2．3 DGGE图谱分析

4．3 小结

第五章 结论与建议

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学位论文