短程硝化反硝化联合脱氮工艺运行策略与硝化生物膜特性研究

摘要

近年来日益加剧的水体富营养化对废水生物脱氮技术提出了新的要求，然而我国目前的生活污水和工业废水的生物处理技术对于有机污染物的控制比较有效，对氮素的去除效果不甚理想，因此开发应用高效、低能耗的新型生物脱氮工艺显得尤为重要。短程硝化和自养反硝化等脱氮工艺节省曝气量，不需要投加有机碳源，大大降低了运行费用，越来越受到研究者的关注。但是许多研究者都是通过不同功能的反应器串联来运行新型联合脱氮工艺，在单一反应器中的综合控制策略研究很少，因此联合脱氮工艺的研究还存在很多的问题，如工艺运行可控性、稳定性、影响因素等还有待于进一步探索。本课题立足于国内外新型生物脱氮的研究成果，对短程硝化和不同电子供体进行的异养与自养反硝化联合工艺进行基础性研究，考察了单一反应器中短程硝化联合脱氮工艺的实现和稳定运行的可行性与控制策略，探讨了碳源和电子供体对脱氮微生物种群结构和生物膜特性的影响。研究结果如下：
　　 1、系统研究了新型复合固定床生物膜反应器中短程硝化异养反硝化工艺快速启动和稳定运行的最佳控制策略，发现将硝化反应体系氮负荷在0.89 kg N-NH4+m－3d-1条件下稳定运行，亚硝化比率达到85％以上，总氮去除率基本上稳定在90％以上。硝化生物膜表面生长的β亚群氨氧化菌属占全菌比例为64.1±5.0％，硝化菌属占全细菌的比例仅为5％左右，氨氧化菌主要分布在生物膜表面的0～80μm范围内，亚硝酸盐氧化菌主要分布在生物膜表层80μm以下的范围。
　　 2、对短程硝化硫自养反硝化联合工艺实现和稳定运行控制策略进行了研究，探讨了不同的因素对工艺稳定运行的影响效应。结果发现当硫氮摩尔比为3∶2时工艺运行稳定，总氮去除率稳定在90％以上；高浓度的氨氮、亚硝酸盐氮和硫化物对微生物均会产生抑制作用，高浓度的硝酸盐对亚硝酸盐的反硝化过程存在竞争性抑制作用，同时硫化物易于转化为硫酸盐。观察生物膜发现自养菌生物膜和异养菌生物膜结构和微生物种群存在一定的差异，氨氧化菌和自养反硝化菌的优势菌种分别为亚硝化单胞菌和硫氧化菌。
　　 3、探索在自养反硝化脱氮工艺的基础上启动半短程硝化与厌氧氨氧化联合脱氮工艺的可行性，分析了半亚硝化工艺实现的最佳控制条件与稳定控制策略，结果证实进水中添加适量的碱度和水力停留时间可以很好的实现半短程硝化。联合工艺持续运行了4个多月的结果表明反应器可以稳定实验半短程硝化工艺，最后出水总氮去除率为52％，去除比值约为1∶1.2～1∶2.3之间。运行末期反硝化生物膜中硫氧化细菌的数量仍然占比重较大，同时存在一定数量的厌氧氨氧化菌微生物生长在生物膜内层。
　　 4、揭示了工艺运行过程中异养硝化生物膜和自养硝化生物膜的胞外聚合物成分与结构特性，结果发现提取出的自养生物膜中蛋白质、多糖、腐殖质和DNA提取总量和提取层差异较大，自养生物膜中蛋白质与多糖的比值(PN/PS)约为4～7之间，增加了自养生物絮体的疏水性能，相对于异养的絮体其结构也更加稳定，生物膜的胞外多聚物更难以提取。它们主要存在紧密附着的EPS和提取剩余物中，其中自养生物膜中有94％的蛋白质和89％的多糖在这两个提取层中，松散附着的EPS和可溶性EPS中含量较少。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章 绪论

1.1 传统生物脱氮工艺

1.2 新型生物脱氮工艺

1.2.1 同时硝化反硝化脱氮工艺

1.2.2 短程硝化反硝化工艺

1.2.3 自养反硝化脱氮工艺

1.2.4 同步脱氮除硫工艺

1.3 脱氮微生物种群与特性研究

1.3.1 脱氮微生物应用基础研究现状

1.3.2 脱氮微生物胞外多聚物的研究进展

1.4 研究目标和内容

1.4.1 研究目的和意义

1.4.2 主要研究内容

第二章 短程硝化异养反硝化联合脱氮工艺研究

2.1 材料与方法

2.1.1 接种污泥

2.1.2 废水水质

2.1.3 实验装置

2.1.4 测定项目与方法

2.1.5 正交实验方法

2.1.6 扫描电镜分析

2.1.7 荧光原位杂交(FISH)

2.2 结果与讨论

2.2.1 污泥驯化与挂膜

2.2.2 短程硝化反硝化快速培养

2.2.3 最佳运行条件正交实验结果

2.2.4 有机和无机碳源对硝化反应的影响

2.2.5 生物膜特性及生物群落结构

2.3 本章小结

第三章 短程硝化硫自养反硝化联合脱氮工艺研究

3.1 材料与方法

3.1.1 废水水质

3.1.2 实验装置与运行策略

3.1.3 测定项目与方法

3.1.4 生物膜样品扫描电镜分析

3.1.5 荧光原位杂交(FISH)

3.2 结果与讨论

3.2.1 S/N对自养短程硝化反硝化脱硫联合工艺的影响

3.2.2 不同浓度负荷对联合工艺的影响

3.2.3 硝酸盐与亚硝酸盐对自养反硝化脱硫的影响

3.2.4 磷酸盐对自养反硝化脱硫的影响

3.2.5 氨氮对自养反硝化脱硫的影响

3.2.6 生物膜特性及生物群落结构

3.3 本章小结

第四章 短程硝化厌氧氨氧化联合脱氮工艺研究

4.1 材料与方法

4.1.1 反应器装置

4.1.2 废水水质

4.1.3 反应器运行策略

4.1.4 测定项目与方法

4.1.5 荧光原位杂交分析

4.2 结果与讨论

4.2.1 半亚硝化工艺实现及影响因素研究

4.2.2 半亚硝化与厌氧氨氧化联合运行工艺研究

4.2.3 厌氧生物膜的FISH实验结果

4.3 本章小结

第五章 短程硝化生物絮体胞外多聚物的结构特性研究

5.1 材料和方法

5.1.1 生物絮体的来源

5.1.2 EPS的提取方法

5.1.3 化学成分分析

5.1.4 傅立叶红外光谱扫描

5.1.5 荧光染色

5.2 结果与讨论

5.2.1 生物絮体胞外溶解性和松散附着的多聚物分析

5.2.2 不同提取方法对紧密附着胞外聚合物的效率分析

5.2.3 提取剩余产物的结果分析

5.2.4 傅立叶红外对胞外聚合物结构分析

5.2.5 EPS的组成分布和结构特征

5.2.6 提取方法对细胞损伤比较

5.3 本章小结

第六章 结论及展望

6.1 研究结论

6.2 创新点

6.3 研究展望

参考文献

作者简历