高效反硝化除磷反应器的运行及其机制研究

摘要

随着污水处理技术的不断发展，反硝化脱氮除磷技术及污泥膨胀现象愈发受到广泛关注，如何提升反硝化除磷效率及控制活性污泥膨胀成为污水处理领域研究的重中之重。因此本研究以SBR反应器为基础构建反硝化除磷反应系统，研究运行模式的变化对脱氮除磷以及污泥特性的影响，获得创新性研究结果如下:　　(1)构建了两套实验室规模反硝化除磷反应器，分别采用好氧-缺氧(OA)与厌氧-好氧-缺氧(AOA)的两种运行模式，研究两反应器在低负荷、中等负荷、高负荷条件下的处理效率。结果表明，在不同负荷下，AOA和OA的NH4+-N去除率均无明显差别，分别达到97.4和98.5％;但在高负荷条件下，AOA反应器的P和总氮的去除率明显高于OA反应器，在进水N为80mg/L、P为40mg/L的条件下，其总氮和总磷的去除率分别达到82.5％和92.3％，是同样条件下OA反应器总氮和总磷去除率的1.2倍和1.4倍。　　(2)研究了高负荷长时间运行条件下，AOA和OA反应器对污泥特性的影响。值得注意的是，经过高负荷条件下的长期运行，OA反应器出现了严重的污泥膨胀现象，而AOA反应器内污泥仍保持较高的沉降效率。高负荷连续运行110天后，AOA反应器中污泥沉降比SV30平均值和SVI平均值分别为22.95％和38.9，而OA反应器SV30均值和SVI均值分别达到79.2％和273.2，此结果表明OA反应器中的污泥出现了严重的膨胀现象。对反应器内污泥颗粒进行显微镜和电镜观察，结果表明，AOA反应器内污泥形状规则，颗粒大，数量多，结构致密，而OA反应器内污泥颗粒形状不规则，呈弥散状，颗粒小，数量少，结构疏松;而在膨胀期两反应器对氨氮的去除不受影响，氨氮去除率均值都达到98.6％，但总磷、COD和总氮的去除受到了明显影响，此阶段AOA和OA反应器对总磷的去除效率分别达到90.1％和70.4％，对COD的去除率分别达到92.5％和83.32％，对总氮的去除率均值分别为83.84％和69.90％。　　(3)研究了运行模式的变化对反硝化除磷功能微生物类群的影响。为了进一步了解不同负荷下各种功能微生物群落与反应器运行模式之间的关系，利用高通量测序技术对各负荷条件下污泥细菌群落结构进行了分析。结果表明，在属的水平上Rhodocyclaceae种的相对丰度在中负荷条件下AOA和OA反应器中分别比种污泥（原始污泥）高出40.45％和47.89％，而在低负荷和高负荷条件下与原始污泥相似(约为25％)。在属的水平上，不同负荷条件下污泥中的优势微生物类群都是Thauera、Zoogloea、Dechloromonas、Pseudomonas、Candidatus Accumulibacter等。其中典型的反硝化聚磷菌Candidatus Accumulibacter属的相对丰度在不同负荷的AOA和OA反应器中分别为0.70％，4.89％，2.16％和0.40％，1.47％，1.65％，远高于原始污泥。聚磷相关功能微生物（Candidatus Accumulibacter，Dechloromonas，Acinetobacter）的相对丰度总和分别为8.37％，11.26％，10.72％和6.44％，5.18％和8.39％，此结果表明反应器富集反硝化聚磷微生物的效果明显。　　此外我们还对长期高负荷运行条件下，OA反应器污泥膨胀阶段，两反应器中的微生物群落结构进行了分析。结果表明，在此阶段，属的水平上，AOA反应器中典型反硝化聚磷菌Candidatus Accumulibacter属占据优势，相对丰度达到15.0％。而在OA反应器中占据主要优势的是Thauera属，相对丰度高达43.4％。聚糖菌(GAO)Candidatus Contendobacter与Candidatus Competibacter在AOA中的相对丰度分别达到5.37％和3.63％;在种的水平上，AOA反应器中聚糖菌(GAO)Candidatus Contendobacter odensis丰度最高，为5.37％;Dechloromonas denitrificans在AOA中的相对丰度为1.41％;具有反硝化聚磷功能的聚磷菌(PAO)Candidatus Accumulibacter sp.BA-92和Candidatus Accumulibacter sp.BA-93的相对丰度分别为3.74％和2.71％，远高于其在原始污泥中的0.10％和0.098％以及其在OA中的0.048％和0.028。能够引起污泥膨胀的典型菌Thauera phenylacetica在OA中占据了8.84％的相对丰度，远高于AOA反应器中的0.61％以及原始污泥中的0.44％。　　(4)研究了运行模式的变化对反硝化聚磷功能基因(NirK、NirS、NarG、Acc-ⅡC、Acc-ⅡD、Acc-ⅡF)的影响。结果表明，在AOA中，与聚合磷酸盐激酶基因(ppkl)相关的Acc-ⅡC，Acc-ⅡD和Acc-16S rRNA的基因丰度相对与原始污泥的富集倍数大多在1以上，并且均高于其在OA中的富集倍数。尤其是中等负荷条件下，AOA中的Acc-ⅡC的富集倍数高达80。因此AOA反应器的运行条件能够更加有效的去除水体中的污染物，并富集反硝化聚磷相关的功能微生物基因。　　在长期高负荷运行，污泥膨胀阶段，AOA反应器中反硝化基因NirS、NarG和NirK的拷贝数分别为3.43×108copies/g干污泥、1.9×107copies/g干污泥和5.1×107copies/g干污泥。污泥膨胀阶段，AOA反应器中细菌16S rRNA基因拷贝数为5.02×108copies/g干污泥，比种污泥和OA反应器高一个数量级;并且典型聚磷菌"Candidatus Accumulibacter"，的总16S rRNA基因拷贝数为1.2×108copies/g干污泥，也比OA反应器中该菌的基因拷贝数高一个数量级。　　相比种污泥，AOA反应器中聚磷相关的基因Acc-ⅡC、Acc-16S rRNA与Acc-ⅡD的富集倍数分别为133.90倍、12.32倍和7.29倍，反硝化基因NirS及NirK的富集倍数分别为1.88倍与1.91倍，而NarG基因的富集倍数仅为种污泥的0.75倍;OA反应器中反硝化和聚磷相关的基因丰度都有所降低，NirK、NirS和NarG基因的富集倍数分别为0.23、0.26和0.11倍，Acc-ⅡD、Acc-ⅡF及Acc-16S rRNA基因的富集倍数分别为0.077、0.019及0.433倍。　　(5)反硝化聚磷菌的分离与鉴定。从实验室构建的反硝化除磷反应器中共分离到反硝化菌株56株，其中同时具有除磷能力的菌株有15株。除磷效率在40％以上的菌株有3株，分别为Kluyveracry ocrescens除磷效率最高为49.6％，Comamonas testosteroni除磷效率为41.6％，Pantoea agglomerans除磷效率为41.2％。

目录

摘要

第一章 引言

1．1 污水处理工艺概述

1．2 生物脱氮技术

1．3 生物除磷技术

1．4 反硝化除磷现象

1．5 反硝化除磷菌及检测方法

1．5．1 反硝化除磷菌概述

1．5．2 基于平板培养的反硝化聚磷菌的分离

1．5．3 基于PCR技术的反硝化聚磷菌的检测

1．5．4 基于宏基因测序的反硝化聚磷的相关研究

1．6 反硝化除磷工艺

1．7 本研究的目的及意义

第二章 反硝化除磷反应器的构建及运行

2．1 前言

2．2 实验材料

2．2．1 主要仪器

2．2．2 主要试剂

2．3 实验方法

2．3．1 污泥的驯化及反应器的运行

2．3．2 反应器对污染物去除效率的测定

2．3．3 污泥性状的测定

2．4 结果与分析

2．4．1 低、中、高三种负荷下反硝化聚磷反应器的处理效率

2．4．2 长期高负荷运行条件下膨胀时期两反应器处理效率的比较

2．4．3 长期高负荷运行条件下膨胀时期两反应器污泥性状的测定

2．5 讨论

2．6 本章小结

第三章 反硝化除磷反应器内微生物群落结构的分析

3．1 前言

3．2 实验材料

3．2．1 主要仪器

3．2．2 主要试剂

3．3 实验方法

3．3．1 污泥样的处理及DNA的提取

3．3．2 反硝化聚磷反应器中微生物的群落结构分析

3．4 结果与分析

3．4．1 低、中、高负荷下两反应器中微生物群落组成

3．4．2 长期高负荷条件下膨胀时期AOA与OA反应器中微生物群落的组成

3．5 讨论

3．6 本章小结

第四章 反硝化除磷反应器内功能基因及微生物丰度的检测

4．1 前言

4．2 实验材料

4．2．1 主要仪器

4．2．2 主要试剂

4．3．2 定量PCR分析污泥中目的基因丰度

4．4 结果与分析

4．4．1 低、中、高负荷下两反应器中功能基因的丰度

4．4．2 长期高负荷条件下膨胀时期两应器中功能基因的定量

4．5 讨论

4．6 本章小结

第五章 反硝化除磷反应器内聚磷功能微生物的分离与鉴定

5．1 前言

5．2 实验材料

5．2．1 主要仪器

5．2．2 主要试剂

5．3 实验方法

5．3．1 菌株的分离筛选

5．3．2 反硝化聚磷菌除磷效率的研究

5．3．3 菌株的鉴定及聚磷基因的检测

5．4 结果与分析

5．4．1 反硝化聚磷菌株的筛选

5．4．2 聚磷基因的检验

5．5 讨论

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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