外源调控对城市污水A/O处理系统脱氮功能效能的影响及硝化菌群分子生态解析研究

摘要

近年来，随着城市人口的急剧增长，工农业生产的快速发展，造成污染源和外排污染物数量剧增，因此不少污染物受纳水体的生态环境严重失衡。硝化细菌是生物硝化脱氮中起主要作用的微生物，会直接影响硝化效果和生物脱氮的效率。亚硝酸菌(AOB)和硝酸菌(NOB)这两大菌群协同作用，共同将氨氮转化为硝态氮，其生长缓慢，对冲击负荷敏感，因此成为研究脱氮过程的主要菌群。硝化细菌群落组成的特征，在很大程度上决定着废水脱氮处理的效果。因此，全面了解废水脱氮处理中硝化细菌种类、数量及时空变化等并对系统进行优化调控，是确保废水脱氮处理系统稳定、高效运行的关键，近年来已成为世界研究的热点。 A2/O工艺兼具去碳、脱氮和除磷等功能，已成为城市污水厂主流工艺之一。但是，由于自身多种因素的相互影响，加上某些城市合流制污水的有机碳含量相对不足且进水性质变化大，给A2/O工艺处理功能的进一步提升及其稳定运行提出了新的问题。 本研究依托上海市建委《污水处理升级改造工艺技术》项目，以处理白龙港城市污水的A2/O实验系统为对象，研究外源调控(温度、负荷，强化ANNAMMOX反应，极端低C/N冲击与修复)对城市污水A2/O处理系统脱氮功能的影响，采用PCR-DGGE技术对外源调控下A2/O系统中硝化细菌群落结构的动态变化及多样性进行分子水平上的初步解析，为稳定高效保障A2/O系统的脱氮效能提供技术依据。 研究表明，温度与A2/O工艺脱氮效果密切相关，季节更替对脱氮效果有一定影响。最佳脱氮温度范围约为25℃～30℃之间，TN去除率约70％，硝化率达95％，过高或过低的温度条件对脱氮功能均有抑制作用。温度的变化对硝化细菌群落结构和香侬多样性指数有一定影响，其在低温下多样性丰富且变化较大，而温度升高时则相对稳定。 反硝化的最佳F/M范围是0.125～0.23gBODs/gMLSS-d；硝化的最佳F/M范围0.14～0.28gBODs/gMLSS·d。兼顾硝化和反硝化两方面要求，A2/O系统脱氮的最佳F/M介0.14～0.22gBODs/gMLSS·d之间，高于普通A2/O的设计标准0.10～0.15gBOD5/gMLSS·d。F/M对硝化细菌群落结构和香侬多样性指数有一定影响，F/M介于0.03～0.44gBOD5/gMLSS·d之间时，Nitrobacter在NOB菌中占据优势。 低C/N废水对A2/O系统的冲击和修复实验表明：C/N=3.5可明显降低系统的硝化功能，C/N=1.2可使反硝化作用完全停止；采用加大回流比的方法可有效缩短修复时间，相同条件下NH4+-N去除率平均可提高20％，TN去除率提高约7.4％；提高F/M和降低SRT的方法也可有效修复系统的脱氮功能，同比条件下NH4+-N去除率平均提高约5％，硝化OUR提高7％，亚硝化OUR提高5.7％，TN去除率提高约4.7％。上述方法对AOB及NOB中的Nitrobacter群落结构修复效果明显，而对NOB中的Nitrospira群落结构影响不大。在A2/O系统中强化ANAMMOX反应的结果表明：曝气池中限制DO可形成NO2--N的有效积累，促进A2/O系统中ANAMMOX反应，强化脱氮能力；兼氧池NH4+-N和TN去除率分别提高15％和9％；系统TN去除率提高约7％。ANAMMOX脱氮率约占A2/O系统TN去除率的21.9％，反应基质以NH4+-N和N02--N为主，在反应过程中可生成少量NO3--N，三者的比例约为1:1.256:0.155；最佳反应pH约为7.8～8.0;DO对ANAMMOX反应有抑制作用；温度对其反应速率影响较大，从30.6℃至24.6℃变化过程中，ANAMMOX反应速率由1.47mg/L.h降低至1.175mg/L.h。部分AOB优势菌种仍然可以在强化ANAMMOX反应的A2/O系统中进行亚硝化反应，而常规运行条件下的A2/O系统中也存在厌氧氨氧化细菌，在低DO时它们将NH3-N和NO2--N直接氧化还原成N2。两个系统中的厌氧氨氧化细菌群落结构及其多样性均会受到低C/N废水冲击的影响，相比之下，修复措施对强化ANAMMOX反应的A2/O系统中厌氧氨氧化细菌群落的应用效果更好。

目录

文摘

英文文摘

声明

1.概述

1.1前言

1.2相关分子生物学研究方法

1.3硝化细菌分子生态学研究

1.4课题来源、研究目的和意义

1.5论文技术路线

2.研究方法

2.1实验装置

2.2分子生物学实验方法

2.3实验所用主要药品和仪器设备

3.温度和负荷对A2/O系统硝化功能及硝化菌群结构的影响

3.1前言

3.2研究内容

3.3研究方法

3.4温度影响研究

3.5负荷(F/M)影响研究

3.6本章小结

4.低C/N冲击对A2/O系统脱氮功能及硝化菌群结构影响及修复效应

4.1前言

4.2研究目的和思路

4.3实验方法

4.4结果与分析

4.5本章小结

5.强化ANAMMOX反应对A2/O系统脱氮功能及硝化细菌群落结构的影响

5.1前言

5.2研究目的

5.3研究思路

5.4材料与方法

5.5结果与分析

5.6本章小结

6.结论与建议

6.1研究结论

6.2研究创新

6.3展望与建议

7.发表和录用论文情况

8.致谢

9.参考文献