连续流硫自养反硝化颗粒污泥的培养及同步脱氮除硫性能研究

摘要

当前地下水污染问题严重，含硫含氮废水的过度排放对水体环境和人体都将产生危害。目前用于处理水中的硝酸盐和硫化物的脱氮除硫工艺一般分开进行，不仅处理系统复杂，也增加了处理成本。自养反硝化脱氮技术因其高效、低耗且无二次污染，已成为目前水处理界关注的重要课题。当以硫化物作为电子供体时，可进行硫自养反硝化以实现同步脱氮除硫。但自养反应器内微生物生长缓慢、产率低导致生物量增长较慢将严重影响脱氮性能，污泥颗粒化作为有效的生物质保留技术能有效解决这一问题。　　本研究旨在利用试验室规模的连续流反应器进行硫自养反硝化颗粒污泥的培养和驯化，从污泥形貌、理化特性、胞外聚合物分泌以及微生物群落等方面考察硫自养反硝化颗粒污泥的形成过程和颗粒化机理。采用成熟的硫自养反硝化颗粒污泥作为接种污泥，研究了不同水力停留时间和无机碳源投量对反应器稳定运行的影响，重点分析了不同工况下颗粒污泥反应器中同步脱氮除硫效果及反应器内微生物群落结构的变化，为硫自养反硝化颗粒污泥反应器的长期稳定运行及高效能同步脱氮除硫提供参考。主要得出了以下结论：　　在连续流模式运行的反应器内接种普通活性污泥，通过调节水力停留时间和内循环比，观察到第15周开始出现颗粒，第30周颗粒化完成。颗粒化过程中污泥中钙等元素得到明显的富集，可能参与并促进了污泥颗粒化。颗粒化过程中PN/PS值增大，提高了细胞的相对疏水性，是促进污泥团聚和颗粒化的重要驱动力。硫自养反硝化颗粒污泥在启动过程中能保持良好的同步脱氮除硫效率。高通量测序结果表明，启动过程降低了微生物的多样性，但有利于硫自养反硝化相关功能菌属的富集，在成熟颗粒污泥内Sulfurovum(19.71%)和Thiobacillus(14.47%)作为最主要的功能菌参与同步脱氮除硫过程。硫自养反硝化颗粒污泥的形成是一个复杂的过程，不断降低的水力停留时间和升高的内循环比提供了重要的水力剪切力，钙离子等形成的无机物作为微生物内核，EPS的分泌和细胞疏水性的增强促进了污泥的团聚，此外颗粒化选择了特定种类和功能的微生物，多种因素的共同作用导致最终形状规则，结构稳定的硫自养反硝化颗粒污泥。　　当进水硝酸盐和硫化物浓度分别为36.38±3.2和112.46±12.84mg/L，水力停留时间(HRT)从12h降至2h时，系统具有高效稳定的同步脱氮(＞95%)除硫(~100%)效果，表明硫自养颗粒污泥可以较好的抵御容积负荷的冲击。颗粒污泥中PN，PS及EPS总量都先增大后减小，表明过高或过低的HRT都不利于EPS的分泌，同时三维荧光光谱分析显示EPS中主要的荧光物质均为溶解性有机物和蛋白质类物质，但是含量发生了变化，它们为颗粒污泥结构稳定做出了贡献。HRT对微生物群落结构有选择作用，颗粒污泥内微生物多样性随HRT的减小而降低，除了Sulfurovum和Thiobacillus着两种主要功能菌，Anaerolineaceae和Hyphomicrobiaceae菌科内未分类的部分菌属也为系统的同步脱氮除硫过程做出重要贡献。　　当进水硝酸盐和硫化物浓度分别为37.05±3.12和95.28±19.78mg/L时，随着无机碳源投量的增大，反应器对硝酸盐的去除率都能维持在98%以上，但对硫化物的去除率却先降低后增大，表明反应器对硝酸盐的去除存在其他途径。低无机碳源投量下观察到颗粒污泥表面产生丝状菌，随着无机碳源投量的增加，丝状细菌逐渐消失。EPS中荧光物质主要为溶解性有机物和蛋白质类物质，几乎检测不到腐殖酸类和富里酸类物质。无机碳源的投量会影响反应器内自养菌、异养菌和兼性菌的生长和竞争关系，主要表现为：Sulfurovum和Sulfurimonas等作为主要的硫自养反硝化细菌，与norank_Rhodocyclaceae，Thauera和norank_Rhodobacteraceae等具有反硝化功能的自养/异养菌共同作用构成了颗粒污泥系统同步脱氮除硫的生物基础。

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