AO工艺处理生活污水反硝化除磷及短程硝化反硝化的研究

摘要

本课题采用传统A2O工艺及其改进型A-A2O工艺处理低C/N比(平均C/N为2.5)实际生活污水,研究其脱氮除磷性能。为减少外投碳源、提高脱氮除磷效果,重点研究了其反硝化除磷特性和实现短程硝化反硝化的控制措施,以及短程硝化引起的亚硝态氮积累对系统生物除磷的影响。
　　 研究结果表明:处理低C/N比实际生活污水时,在不设置预缺氧区、无外加碳源的情况下,全程硝化反硝化型A2O工艺的脱氮除磷能力受到严重影响,TN平均去除率仅为47.1％;此时A2O工艺几乎无除磷能力,缺氧段有释磷现象的发生。而设置预缺氧区的A-A2O工艺的脱氮除磷能力较传统A2O工艺有明显的提高,TN平均去除率可达60.7％,PO43-P平均去除率为55.9％;此时系统存在反硝化除磷现象,缺氧段除磷率为31.4％～46.9％。由于实际生活污水C/N比较低,设置预缺氧区的A-A2O工艺的反硝化能力仍会受限,造成系统内硝态氮或亚硝态氮积累;从而导致仍有部分硝态氮或亚硝态氮进入厌氧区,使聚磷菌不能充分释磷合成充足的PHA,这是导致低C/N比A-A2O系统除磷效果差的主要原因之一。
　　 通过控制好氧区DO浓度为0.3～0.5mg/L,同时增大系统内回流比以降低系统好氧实际水力停留时间(actual hydraulic retention time,AHRT),成功启动并维持了短程硝化反硝化,亚硝态氮积累率稳定维持在90％左右,氨氮去除率维持在95％以上。通过对不同硝化类型以及不同DO水平下A-A2O工艺脱氮效率的比较研究发现,无外加碳源的低DO短程硝化反硝化阶段与外加碳源的高DO全程硝化反硝化阶段的TN去除率相当;短程硝化反硝化型A-A2O工艺仅需投加全程硝化反硝化型A-A2O工艺外投碳源量的1/3即可取得较之更好的脱氮除磷效果。在高DO全程硝化反硝化型A-A2O工艺外投碳源会导致严重的污泥膨胀,而向低DO短程硝化反硝化型A-A2O工艺外投碳源并不会引起污泥膨胀。A-A2O工艺在低DO(0.3～0.5mg/L)条件下长期运行,并不会导致A-A2O工艺发生污泥膨胀,反而有助于改善其污泥沉降性能。
　　 此外,与全程硝化反硝化型A-A2O工艺不同的是,短程硝化反硝化型A-A2O工艺中由于亚硝态氮的积累,致使在好氧区内形成较高浓度的FNA。而较高浓度的FNA对好氧吸磷的抑制是导致短程硝化反硝化型A-A2O工艺除磷效果恶化的另一个主要原因。通过外投碳源可提高系统的反硝化能力,降低硝态氮和亚硝态氮积累对系统除磷效果的影响,提高系统的除磷能力。
　　 通过提取富集氨氧化菌(ammonia oxidizing bacteria,AOB)的基因组DNA,经两次常规PCR扩增和琼脂糖凝胶电泳,以纯化回收的DNA扩增片段作为实时荧光定量PCR检测AOB数量的DNA标准品,建立了检测AOB数量的实时荧光定量PCR标准曲线。并利用实时荧光定量PCR技术比较了A-A2O系统在不同运行条件及亚硝态氮积累率下的AOB菌群数量。结果表明,随着系统亚硝态氮积累率的上升,系统内AOB菌群数量也大幅上升。全程硝化反硝化和短程硝化反硝化时,系统内的AOB菌群数量分别为5.28×109 cells/(g·ML VSS)和3.95×1010 cells/(g·ML VSS)。此外研究表明,亚硝态氮积累率的下降相对于AOB菌群数量的下降有一定的滞后性。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 课题意义和目的

1.1.2 课题来源

1.2 生物除磷

1.2.1 传统生物除磷理论

1.2.2 反硝化除磷理论

1.3 短程硝化反硝化工艺

1.3.1 短程硝化反硝化的原理

1.3.3 实现短程硝化反硝化的途径

1.4 PCR技术在污水处理系统内硝化菌群研究中的应用

1.4.1 amoA基因与16S rRNA基因

1.4.2 PCR-DGGE-cloning-sequencing

1.4.3 PCR-T-RFLP

1.4.4 Real-time fluorescent quantitative PCR

1.4.5 RT-PCR

1.5 课题研究内容

第2章 试验材料和方法

2.1 反应装置

2.2 试验水质

2.3 分析项目和检测方法

2.3.1 常规水质指标检测方法

2.3.2 DNPAO相对于全部聚磷菌(PAOs)代谢活性的测定

2.3.3 PHA的测定

2.3.4 糖原的测定

2.3.5 水样中有机物的三维荧光光谱测定

第3章 A2O工艺处理生活污水反硝化除磷研究

3.1 概述

3.2 材料与方法

3.2.1 试验装置与运行

3.2.2 试验用水及水质

3.3 试验结果与分析

3.3.1 A2O工艺对COD的去除

3.3.2 A2O工艺脱氮除磷性能及其反硝化除磷特性

3.3.3 外投碳源对A2O工艺的影响

3.4 本章小结

第4章 A-A2O工艺处理实际生活污水短程硝化反硝化的研究

4.1 概述

4.2 材料与方法

4.2.1 试验装置

4.2.2 试验用水及污泥

4.2.3 试验方案

4.3 结果与讨论

4.3.1 A-A2O工艺短程硝化反硝化的实现与维持

4.3.2 A-A2O工艺中亚硝态氮积累的影响因素

4.3.3 全程硝化和短程硝化对A-A2O系统总氮去除率的影响

4.3.4 亚硝态氮积累对PO43-P去除的影响

4.3.5 短程硝化型A-A2O工艺除磷效果影响因素分析

4.3.6 低氧对SVI的影响

4.3.7 外投碳源对A-A2O工艺处理出水及其组分的影响

4.4 本章小结

第5章 实时荧光定量PCR对A-A2O短程硝化系统内氨氧化菌的定量分析

5.1 概述

5.2 材料和方法

5.2.1 主要试剂

5.2.2 引物和探针

5.2.3 试验仪器

5.2.4 活性污泥样品

5.2.5 富集培养AOB

5.2.6 DNA提取

5.2.7 AOB实时荧光定量标准曲线的建立方法

5.2.8 污泥样品内AOB的定量分析方法

5.3 结果与分析

5.3.1 反应器运行情况

5.3.2 AOB实时荧光定量标准曲线的建立

5.3.3 对污泥样品的检测

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢