交替曝气两级生物滤池反硝化除磷工艺效能及其菌群结构研究

摘要

氮磷等植物性营养元素引起的水体富营养化问题，极大降低了水资源利用价值，对人类健康和经济发展构成了严重威胁，废水中氮磷的去除得到了越来越广泛的关注。生物除磷具有药剂消耗低、二次污染少和高效节能等特点，是当前废水脱氮除磷处理的主流工艺。但是，由于污水处理厂进水碳氮比例严重失调，碳源明显不足，难以实现同步脱氮除磷，目前国内许多污水处理厂的出水磷浓度难以满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的一级A标准。因此，研究开发出一种高效、低耗的新型脱氮除磷技术已迫在眉睫。
　　本文基于反硝化除磷理论，以矿渣基复合滤料生物滤池为依托，以模拟生活污水为处理对象，通过交替曝气来改变两级生物滤池系统的工艺运行方式，营造利于PAOs及DPB富集的反应器环境和工艺条件，考察其同步反硝化除磷和脱氮效果，系统分析了交替曝气两级生物滤池系统的脱氮除磷特性，揭示其脱氮除磷机理；利用 PCR-DGGE分析和基因测序技术，对系统生物膜的微生物种群多样性和相似性进行了分析，构建了种群系统发育树，解析了微生物群落演替规律，并探讨了电子受体类型对种群进化分支的影响规律，为反硝化除磷工艺理论研究提供了新的思路和参考。
　　研究结果表明，采用复合接种挂膜法成功启动厌氧/好氧交替运行生物滤池并稳定运行后，系统平均COD、氨氮、磷去除率分别为86.2％、96.0%和64.3%，厌氧/好氧交替运行系统具有良好的碳氮氧化能力和较好的除磷能力。
　　不同电子受体条件下（亚硝酸盐和硝酸盐），缺氧/好氧交替曝气两级生物滤池稳定运行时，系统的平均 COD去除率分别为84.3%和88.8%；平均氨氮去除率为93.9%和94.6%；平均磷去除率依次为71.6%和82.6%。缺氧/好氧交替运行生物滤池系统具有良好的碳、氮氧化能力，除磷能力显著增强，出水水质稳定。
　　缺氧/好氧交替运行生物滤池系统最佳单柱HRT为2h，最优交替时间为36h，停曝时间为12h，进水最佳pH范围7.5-8.0，最佳进水COD浓度为300mg/L，亚硝酸盐和硝酸盐作为电子受体时最佳浓度为20mg/L和25mg/L。缺氧滤柱中硝酸盐更易作为电子受体进行反硝化吸磷，且不同电子受体消耗量与聚磷量均呈现良好的线性相关关系。
　　生物相分析结果表明，两种运行模式下系统均呈现出完整生物相，球菌、杆菌等原核微生物和原后生动物等真核微生物共存于系统中。产物结晶SEM-EDS能谱分析表明，晶体以羟基磷灰石（HAP）结晶为主，1、2号滤料结晶表面可能伴有碳酸钙晶体，3、4号滤料表面后期（缺氧/好氧交替运行）可能伴有磷酸钾镁等晶体形成，厌氧/好氧交替运行曝气生物滤池中的磷主要有两个去除途径，分别为好氧段 PAO吸磷及结晶除磷，缺氧/好氧交替曝气生物滤池还可通过缺氧段DPB反硝化除磷。
　　不同运行阶段滤池中的微生物群落丰度较高，且表现出明显的演替规律。系统中优势菌群主要有变形菌门（包含 Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria、Gammaproteobacteria、Deltaproteobacteria、Epsilonproteobacteria菌纲）；拟杆菌门（包含 Sphingobacteriia、Flavobacteriia、Bacteroidia、Cytophagia菌纲）；硝化螺旋菌门（Nitrospirales菌纲）；放线菌门（Actinobacteridae菌纲）；绿菌门（Chlorobia菌纲）；绿弯菌门（Chloroflexia菌纲），其中变形菌门和拟杆菌门居多，占总菌群种类的85.0%。
　　系统当中优势反硝化除磷菌群有 Pseudomonas sp、Pseudomonas putida、Propionivibrio sp、Propionivibrio dicarboxylicus、Rhodocyclaceae bacterium、Dechloromonas sp、Filomicrobium sp。上述优势除磷菌群从属于红环菌科（ Rhodocyclaceae）、假单胞菌科（ Pseudomonadaceae）和生丝微菌科（Hyphomicrobiaceae），这三种菌科分别从属于变形菌门（Proteobacteria）中的β-变形菌纲、γ-变形菌纲和ɑ-变形菌纲，它们同属于变形菌门，但处在不同的进化分支上。
　　系统中氨氧化菌及硝化菌群演替规律明显，主要存在 Nitrosomonadaceae、Nitrosomonas sp和 ammonia-oxidizing bacterium三类菌群，其中Nitrosomonadaceae和ammonia-oxidizing bacterium占绝大部分。经过交替震荡环境，氨氧化及硝化菌群多样性显著下降。
　　长期运行结果表明，系统出水水质稳定，实现了对氮磷的同步去除，为新型脱氮除磷工艺提供了技术参考。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 污水生物脱氮除磷技术

1.3 课题的提出及主要研究内容

第二章 试验材料与方法

2.1 试验方案设计

2.2试验装置与运行方式

2.3 试验材料

2.4 试验分析方法

第三章 厌氧/好氧交替曝气生物滤池脱氮除磷研究

3.1 厌氧/好氧交替曝气生物滤池启动研究

3.2 厌氧/好氧交替曝气生物滤池的废水处理效果及生物相

3.3 典型工况的氮磷去除特性

3.4 结晶产物的SEM-EDS表征

3.5 本章小结

第四章 缺氧/好氧交替曝气生物滤池脱氮除磷研究

4.1 缺氧/好氧交替运行生物滤池的污染物去除效果

4.2 运行条件对缺氧/好氧交替运行生物滤池脱氮除磷的影响

4.3 系统反硝化除磷分析

4.4 典型工况及沿程的污染物去除特性

4.5 生物膜形态及微生物种群特征

4.6 结晶产物的SEM-EDS表征

4.7 不同电子受体对废水除磷的工程意义

4.8 本章小结

第五章 交替曝气两级生物滤池系统的微生物菌群结构分析

5.1 总DNA的提取及电泳检测

5.2 总菌群结构分析

5.3 氨氧化菌群分析

5.4 本章小结

第六章 结论及建议

6.1 结论

6.2建议

参考文献

致谢

附录