强化脱氮与典型PPCPs去除的好氧颗粒污泥工艺研究

摘要

近年来，污水厂尾水氮磷高负荷排放、药物及个人护理品(Pharmaceuticals and Personal Care Products，PPCPs)等新型污染物频繁检出，严重影响水环境生态安全和人畜饮水安全。因此，研发高效脱氮除磷与新型污染物去除的废水生物处理技术需求迫切。鉴于好氧颗粒污泥致密的结构特性、优异的沉降性能以及多功能微生物分区定殖等特点，论文构建了多组实验室尺度的序批式好氧生物反应器，应用三维荧光光谱(3D-EEM)、激光共聚焦显微镜(CLSM)、液相色谱-质谱联用(LC/MS)、高通量测序等技术手段，开展碳氮比(COD/TN)对好氧颗粒污泥结构稳定及其脱氮性能的影响、颗粒污泥去除PPCPs性能及其结构稳定性、颗粒污泥协同脱氮与PPCPs去除过程机制等研究，主要研究结果如下:
　　1、研究不同碳氮比对好氧颗粒污泥工艺脱氮性能与颗粒特性的影响发现，在进水COD/TN为15条件下运行的反应器内形成的颗粒污泥粒径分布不均（Span值高达6.53）、絮体污泥增殖明显，大颗粒结构松散、丝状菌过量缠绕，最终污泥大量流失、系统性能恶化;相比而言，采用COD/TN由15梯度降至5运行方式的反应器内形成的颗粒污泥平均粒径稳步增至647±28μm，其粒径分布均匀、结构致密，COD、TN去除率分别稳定在98.5％和75％以上。
　　应用3D-EEM等技术分析污泥胞外多聚物(EPS)发现，低COD/TN条件下形成的颗粒污泥胞外蛋白(PN)/多糖(PS)比值维持在4.17-5.16，高丰度的类色氨酸蛋白、类酪氨酸蛋白及疏水性胡敏酸利于颗粒结构稳定。分析污泥微生物群落结构发现，低COD/TN体系内稳态颗粒污泥中Proteobacteria丰度高达74.9％，属水平上Paracccus spp.、Pseudoxanthomonas spp.、Rhodobacter spp.等脱氮菌得到高度富集，amoA、nirS、nirK、narG和nosZ等脱氮功能基因均维持在较高水平，表明低COD/TN进水有利于脱氮功能菌群富集与颗粒结构稳定。
　　2、选择罗红霉素(ROX)、磺胺甲恶唑(SMZ)作为典型PPCPs，研究颗粒污泥去除PPCPs性能及其结构稳定性。结果表明，高进水COD/TN条件下运行的两组反应器在PPCPs投加后颗粒污泥粒径增长减缓、污泥PS过量分泌、颗粒结构趋于松散。相比而言，低COD/TN条件下运行的反应器在PPCPs投加后继续稳定运行2个月以上，颗粒污泥平均粒径达到1268±21μn，污泥EPS中酪氨酸类、色氨酸类蛋白及疏水性胡敏酸类物质丰度较高，赋予颗粒结构稳定，体系TN去除率稳定在82.4±2.9％。分析三组反应器的典型PPCPs去除性能发现，低COD/TN运行的反应器对ROX、SMZ的去除率分别达到95.2±0.5％、92.9±0.3％，而高COD/TN体系分别仅为65.6±1.4％、62.9±0.6％和74.5±2.3％、69.6±0.8％。可见，低进水COD/TN条件下形成的颗粒污泥具有较优的抗PPCPs冲击及其去除能力。
　　进一步分析污泥菌群结构发现，高COD/TN体系中污泥在典型PPCPs存在下Proteobacteria丰度明显下降，而低COD/TN体系内颗粒污泥优势菌群Proteobacteria占比逐渐增至72.4％;属水平上，低COD/TN体系内颗粒污泥以Thauera spp.(31.4％)、Rhodocyclaceae spp.(6.4％)、Xanthomonadaceae spp.(5.8％)、Sphingobacteriales spp.(4.3％)、Nitrospira spp.(3.2％)等为主，赋予体系较强EPS分泌、硝化反硝化与PPCPs降解性能;相比而言，高COD/TN体系在典型PPCPs存在下Defluviicoccus spp.、Chryseolinea spp.等微生物占比增加，影响颗粒结构稳定性。
　　3、通过批次试验研究发现，好氧颗粒污泥对ROX、SMZ去除以污泥吸附和生物降解为主，其中低进水COD/TN条件下形成的颗粒污泥对ROX、SMZ等PPCPs具有较高的生物降解能力，其占比分别达39.1％和42.1％。结合前期好氧颗粒污泥工艺颗粒特性、污染物去除、EPS组成含量、优势菌群结构等研究结果，分析认为PPCPs去除与硝化反硝化、PN含量有明显相关性，低进水COD/TN条件下运行的好氧颗粒污泥反应器可高度富集Thauera spp.、Rhodocyclaceae spp.、Nitrospira spp.等硝化反硝化、产EPS功能菌群，强化颗粒结构稳定;同时，结构稳定的颗粒污泥优势菌群功能协作，在PPCPs存在时可通过共代谢作用实现强化脱氮与PPCPs协同去除。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

1．1 引言

1．2 好氧颠粒污泥研究进展

1．2．1 好氧颠粒污泥基本特征

1．2．2 好氧颗粒污泥形成机制

1．2．3 好氧颖粒污泥技术应用

1．3 PPCPs污染现状及其危害

1．3．1 我国PPCPs污染现状

1．3．2 PPCPs的危害

1．4 含PPCPs污水处理技术

1．4．1 物理处理技术

1．4．2 化学氧化技术

1．4．3 生物降解技术

1．5 研究目的、意义与主要内容

1．5．1 研究目的与意义

1．5．2 主要研究内容

1．5．3 技术路线

第二章 碳氮比对好氧颗粒污泥结构稳定及脱氮性能的影响

2．1 引言

2．2 试验装置与方法

2．2．1 试验装置

2．2．2 进水水质与接种污泥

2．2．3 分析方法

2．3 结果与分析

2．3．1 反应器运行过程污泥性状变化

2．3．2 污染物去除性能

2．3．3 污泥EPS组分分析

2．3．4 污泥首群结构分祈

2．4 本章小结

第三章 好氧颗粒污泥去除PPcPs性能及其结构稳定性研究

3．1 引言

3．2 试验装置与方法

3．2．1 试验装置

3．2．2 进水水质与接种污泥

3．2．3 分析方法

3．3 结果与分析

3．3．1 反应器运行过程污泥性状变化

3．3．2 常规污染物去除性能

3．3．3 典型PPCPs的去除性能

3．3．4 污泥EPS组分含量

3．3．5 微生物群落结构分析

3．4 本章小结

第四章 好氧颗粒污泥工艺协同脱氮与PPcPs去除的过程机制

4．2．2 分析方法

4．3 结果与分析

4．3．1 好氧颗粒污泥对ROX和SMZ的吸附和降解性能

4．3．2 好氯颗粒污泥强化脱氮与PPCPs去除机制初析

4．4 本章小结

第五章 研究结论与展望

5．1 论文主要研究结论

5．2 论文创新点

5．3 论文不足与展望

参考文献

硕士期间成果