固液体碳源对反硝化生物滤池的影响及微生物特性

摘要

水体富营养化是我国迫切需要解决的环境问题。城镇污水处理厂将过量的氮排入受纳水体是水体富营养化的主要原因之一。在环境容量受限的情况下，达到一级B标准排放的污水厂出水仍然对自然水体环境造成很大的负担，“提标改造”行动势在必行。总氮是制约提标改造的关键指标之一，污水碳氮比直接影响生物脱氮效率，投加外碳源是低碳源污水厂实现总氮达标的方法。外加碳源可以分为液体碳源和固体碳源，两者各有优势，但目前研究大多数局限在单一固液体碳源的反硝化表现，研究结果相互之间不具备可比性；直接对比固液体碳源的反硝化效果和污泥产量，量化其性能优劣的研究并不多见。因此，本课题以液体碳源乙酸钠、固体碳源聚己内酯和固体碳源与陶粒1∶1混合物作为反硝化碳源对比分析两类碳源对反硝化效果，微生物群落特性和污泥产率、碳耗等方面的共同点和差异性，主要研究结果和结论如下：　　以完全反硝化为目标时，发现液体碳源反硝化滤池所需要的停留时间少于固体碳源反硝化滤池。液体/固体碳源反硝化滤池在不同进水氮浓度的情况下，平均出水硝酸盐浓度约为2mg/L，氮去除率可以达到90%以上。进水氮浓度较高时（大于35mg/L），混合反硝化滤池可以达到以更少的PCL实现更高的去除率的目标；进一步探究进水硝酸盐浓度与停留时间的关系，可以用指数函数进行拟合。液体碳源反硝化滤池的拟合方程为 y=29.573e0.024x，R2=0.994，固体碳源反硝化滤池的拟合方程为 y=21.105e0.041x，R2=0.997。可根据拟合方程确定不同进水硝酸盐浓度下所需要的停留时间；液体碳源反硝化滤池的平均氮负荷为0.68 gN/(L?d)，高于固体碳源反硝化滤池的0.52 gN/(L?d)。表明液体碳源所能承担的氮负荷大于固体碳源，液体碳源反硝化滤池的反硝化能力也高于固体碳源反硝化滤池。　　②以探究停留时间对脱氮效果的影响为目标时，发现停留时间越短，反硝化滤池出水硝酸盐浓度越高，反硝化效果越差。在停留时间较短时，固体碳源反硝化滤池脱氮能力小于液体碳源，当停留时间较长时，固体碳源反硝化效果可以与液体碳源相同，出水硝酸盐浓度低至0-1 mg/L。混合反硝化滤池，即减少固体碳源PCL的投加量，在停留时间较长时，可以达到与投加量相对应的处理效果，甚至超过。液体碳源反硝化滤池的反硝化能力整体高于固体碳源和混合反硝化滤池。当停留时间增加时，液体碳源反硝化滤池的反硝化能力逐渐降低，固体碳源和混合反硝化滤池反硝化能力逐渐增加。　　③以探究微生物特性为目标，高通量测序结果表明测序深度足够，接种污泥S1中的微生物多样性最高，液体碳源反硝化滤池样品S2最低；在微生物群落组成方面，门水平下 5 个样本中含量最高的是变形菌门 Proteobacteria, 拟杆菌门Bacteroidetes, 厚壁菌门Firmicutes, 放线菌门Actinobacteria和绿弯菌门Chioroflex等五种细菌；在反硝化滤池微生物群落比较中，每个样品的三个平行样之间的相似性最高。固体碳源反硝化滤池S3和混合反硝化滤池的固体碳源部分S4的物种关系最近， S4到混合反硝化滤池的陶粒部分S5的细菌种类具有一定的传递性。固体碳源S3-S5和液体碳源S2两个反硝化系统中的物种分布有明显差异，由碳源类型的差别所造成。接种污泥 S1 随着微生物的驯化，微生物群落发生明显变化。反硝化菌在 S2-S5 的反硝化系统中相对 S1 有不同程度的富集，其中 S2 以Flavobacterium, Thauera , norank_p_Gracilibacteria和Azospira为主；S3-S5内部丰度较高的细菌种类保持一致性的比例较高，其中 Acidovorax 在 S3 中最多， Dechloromonas和Simplicispira在S4中最多，Malikia在S5中最多。　　④反硝化滤池实际单位碳耗为4.35gCOD/gN，4.29gCOD/gN和3.83gCOD/gN，用于生物同化的碳耗分别占整体碳耗的 28%，28%和 18%。在去除等量氮的情况下,使用固体碳源略有优势，减少PCL填料的使用量，可以降低单位碳耗。反硝化滤池的单位污泥产率分别为0.41 gMLVSS/gN，0.41 gMLVSS/gN和0.49 gMLVSS/gN。在反硝化过程中生长的生物量可能与碳源的种类无关，减少PCL填料的使用量，会增加微生物产生量，污泥产率增加。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2.1 原理

1.2.2 种类

1.2.3 影响因素

1.2.4微生物特性

1.3.1 原理

1.3.2 种类

1.3.3 影响因素

1.3.4微生物特性

1.4.1 课题的提出

1.4.2 研究目的及研究内容

1.4.3 难点及关键点

1.4.4 技术路线

2 试验装置及研究方法

2.1.1 构建原理

2.1.2 装置制作

2.1.3 运行方式

2.2 主要研究内容及研究方法

2.2.1 固液体碳源反硝化滤池的脱氮特性

2.2.2 固液体碳源反硝化滤池的微生物特性及碳耗分析

2.3.1 常规指标检测

2.3.2 其他项目检测

2.4 微生物高通量测序与分析

2.5 试验材料

2.6 试验仪器与设备

3 固液体碳源反硝化滤池的脱氮特性

3.1 启动

3.1.1 启动方法

3.1.2 启动阶段硝酸盐氮变化规律

3.1.3 启动阶段COD变化规律

3.2 完全反硝化研究

3.2.1 氮浓度下完全反硝化

3.2.2 进出水均值及去除率对比

3.2.3 进水氮浓度、停留时间与氮负荷

3.2.4 氮负荷与反硝化能力

3.3 停留时间对脱氮效果的影响

3.3.1 出水硝酸盐氮

3.3.2 氮负荷与反硝化能力

3.3.3 出水COD

3.4 本章小结

4 固液体碳源反硝化滤池的微生物特性及碳耗分析

4.1 进出水沿程三维荧光光谱表征

4.2微生物群落分析

4.2.1 微生物多样性分析

4.2.2 微生物群落组成分析

4.2.3 微生物群落比较分析

4.3.1 生物生成量

4.3.2 碳耗及污泥产率

4.4本章小结

5 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议与展望

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B 学位论文数据集

致谢