活性污泥-生物膜复合系统脱氮除磷试验研究

摘要

针对活性污泥法在运行过程中脱氮除磷对污泥龄要求存在差异的问题，结合生物膜法有利于生长世代较长的微生物的特点，将生物膜填料投加到活性污泥反应器中，设计出了活性污泥-生物膜复合工艺(Hybrid)，以SBR反应器为参照，确定了最佳运行模式，从碳氮比和悬浮态污泥龄(SRT)两方面考察反应器的脱氮除磷性能，得出了最佳运行工况，从动力学参数等角度探讨了Hybrid系统脱氮除磷的机理，并对两反应器内微生物群落结构进行了微观的分析研究。
　　 试验原水水质为：COD浓度400-800mg/L，NH3-N浓度50mg/L，TP浓度8mg/L。
　　 比较Hybrid系统和SBR工艺在延长厌氧时间、好氧时间和缺氧时间内的脱氮除磷效果，确定厌氧120min/好氧240min/缺氧60min的最佳模式运行。
　　 分别考察碳氮比(进水COD浓度为400mg/L、600mg/L、800mg/L)对脱氮除磷效果的影响。试验结果表明，当C/N=16时Hybrid和SBR两个系统都达到最佳脱氮除磷效果。在3个工况下，SBR和Hybrid系统的NH3-N去除率均大于93％，C/N对两个系统NH3-N的去除影响不大。C/N由8提高到16时，SBR的TN去除率由65％提高到79％，TP去除率由42％提高到93％，Hybrid的TN去除率由73％提高到86％，TP去除率由32％提高到93％。COD=400mg/L时，Hybrid系统同步硝化反硝化氮去除量占总氮去除量的18.5％，随着COD浓度提高，好氧阶段脱氮量由COD=400mg/L时的1.49mg/L提高到COD=800mg/L时的5.9mg/L，好氧阶段的反硝化作用明显。
　　 采取C/N=16，分别进行了悬浮态污泥龄为5d、10d、20d的对比试验。试验结果表明，Hybrid系统在C/N=16，SRT=10d时能在一定程度上解决或缓解传统SBR工艺中硝化和除磷过程对SRT要求不同的矛盾，为最佳工况。与SBR工艺相比，在Hybrid工艺中，附着态生物膜SRT相对独立，能够到达分离不同泥龄微生物的作用，TP去除率为96％，TN的去除率89％，NH3-N的去除率96％。随悬浮态污泥龄的延长，Hybrid工艺的比硝化速率和反硝化速率有所提高，SBR工艺比硝化速率的平均变化率为57.2％，而Hybrid工艺比硝化速率的平均变化率为26.8％，说明Hybrid工艺对悬浮态污泥龄的变化具有较强的缓冲能力。Hybrid系统中悬浮态污泥对硝化起主要作用，悬浮态污泥和生物膜的硝化平均贡献比1.66，附着态生物膜对反硝化和除磷起主要作用，生物膜和悬浮态污泥的反硝化贡献比2.19，释磷贡献比3.5，摄磷贡献比3.76。
　　 采用16S rDNA的PCR-DGGE技术对SBR反应器和Hybrid反应器在不同C/N下群落结构进行动态监测。结果表明，C/N=16、SRT=20d时，SBR中出现了优势菌种反硝化聚磷菌Dechloromonas sp.，而Hybrid生物膜污泥中多样性指数最高3.30，且相似度在3个工况下为最低值43.4％，出现了去除营养物质的菌种Uncultured BacteroidetesFJ828150，且此时的硝化菌Uncultured Nitrospira sp.优势明显，从而到达最佳的脱氮除磷效果；Hybrid系统内出现了SBR中没有的细菌，如降解有机物的功能菌有UnculturedSaprospiraceae，脱氮功能菌有Ferribacterium sp.、Uncultured Saprospiraceae、Flavobacterium sp.等，适于在附着生物膜上生长的有Ignatzschineria sp.，说明Hybrid更具有降解有机物和脱氮的优势。
　　 对SBR反应器和Hybrid反应器在不同SRT下群落结构进行动态监测。结果表明Hybrid系统在SRT=10d、C/N=16时，也出现了新的除磷菌种，如Runella属的除磷功能和Thauera sp.的反硝化聚磷功能，这些使Hybrid工艺的除磷率到达最大为96％，同时脱氮功能菌的种群丰富，存在Uncultured Sphingobacteriales、UnculturedBacteroidetesFJ828150、Uncultured Rhodocyclaceae、Ferribacterium sp.、UnculturedNitrospira sp等.，从而解决了脱氮除磷的泥龄矛盾。在此工况下的悬浮态污泥和附着态生物膜的生物相似性为3种SRT工况下的最小值73％，说明悬浮污泥和生物膜的微生物种群存在一定的差异，两者的协同作用增强了系统的运行效果。

目录

文摘

英文文摘

第1章 前 言

1.1 选题背景

1.2 污水生物脱氮除磷原理及技术发展

1.2.1 污水生物脱氮除磷基本原理

1.2.2 污水生物脱氮除磷新理论及新技术

1.2.3 污水生物脱氮除磷过程中的微生物菌属

1.3 活性污泥-生物膜复合系统的研究进展

1.3.1 活性污泥-生物膜复合系统脱氮除磷研究和应用现状

1.3.2 活性污泥-生物膜复合系统的微生物特性研究进展

1.4 微生物群落研究的分子生物学方法

1.4.1 变性梯度凝胶电泳技术

1.4.2 克隆文库分析法

1.5 研究意义、研究内容及技术路线

1.5.1 研究意义

1.5.2 研究内容

1.5.3 技术路线

第2章 试验装置与分析方法

2.1 试验装置与常规分析方法

2.1.1 试验装置

2.1.2 接种污泥与试验条件

2.1.3 测试项目与分析方法

2.2 分子生物学试验研究方法

2.2.1 样品来源

2.2.2 主要仪器与设备

2.2.3 DNA提取方法

2.2.4 PCR扩增及DGGE分析方法

2.2.5 克隆文库构建方法

第3章 活性污泥.生物膜复合系统脱氮除磷工艺运行研究

3.1 系统启动

3.1.1 与SBR工艺对比试验结果及分析

3.1.2 微生物镜检及生物膜扫描电镜观察

3.2 运行周期的确定

3.2.1 厌氧时间的确定

3.2.2 好氧时间的确定

3.2.3 缺氧时间的确定

3.3 C/N对脱氮除磷性能的影响研究

3.3.1 C/N对脱氮除磷效果的影响

3.3.2 C/N对单周期内氮磷转化的影响

3.3.3 有机物浓度对复合系统同步硝化反硝化的影响

3.4 悬浮态污泥龄对脱氮除磷性能的影响研究

3.4.1 悬浮态污泥龄对脱氮除磷效果的影响

3.4.2 悬浮态污泥龄对单周期内氮磷转化的影响

3.4.3 不同悬浮态泥龄下的脱氮除磷机理研究

3.5 本章小结

第4章 活性污泥-生物膜复合系统内微生物群落结构及动态研究

4.1 C/N对微生物群落结构的影响

4.1.1 DNA提取与PCR扩增

4.1.2 DGGE结果

4.1.3 构建系统发育树

4.1.4 微生物群落结构分析

4.2 悬浮态污泥龄对微生物群落结构的影响

4.2.1 DNA提取与PCR扩增

4.2.2 DGGE结果

4.2.3 构建系统发育树

4.2.4 微生物群落结构分析

4.3 本章小结

第5章 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况