【摘要】：氮、磷污染是目前水污染防治領(lǐng)域所關(guān)注的焦點(diǎn)。為適應(yīng)當(dāng)前污水的資源化以及提高污水處理深度的要求,為解決傳統(tǒng)生物除磷脫氮工藝固有的矛盾,加深反硝化除磷機(jī)理的認(rèn)識,本課題以AOA (anaerobic/aerobic/anoxic,厭氧／好氧／缺氧)型SBR (sequencing batch reactor)為背景工藝,系統(tǒng)的研究了采用生活污水對SBR反應(yīng)器同步反硝化除磷的啟動(dòng)運(yùn)行情況。并從微生物學(xué)角度,研究了反硝化聚磷菌DPAOs (denitrifying polyphosphate-accumulating organisms)的篩選、鑒定、生理生態(tài)特性及其脫氮除磷效能。以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的生物強(qiáng)化SBR反應(yīng)器快速啟動(dòng)的研究。 考察了SBR反應(yīng)器的啟動(dòng)性能并成功富集了DPAOs。結(jié)果表明,盡管進(jìn)水強(qiáng)度持續(xù)降低且波動(dòng)較大,但系統(tǒng)對低碳磷比水質(zhì)的容忍性很強(qiáng),反應(yīng)器對COD、氮和磷等指標(biāo)的去除基本達(dá)到要求,反應(yīng)器的啟動(dòng)完成。在啟動(dòng)過程中出現(xiàn)了短程硝化現(xiàn)象,并在缺氧段發(fā)生了典型的同步反硝化脫氮除磷過程,主要以NO2--N為電子受體,過量攝取環(huán)境中的PO43--P。同時(shí),在反應(yīng)器42天的啟動(dòng)期間,以NO2--N為電子受體的DPAOs得到了富集,由第1天的15.67%(DPAOs/PAOs)增加到第42天的41.5%(DPAOs/PAOs)。 基于16S rRNA的DGGE分析表明,在反應(yīng)器啟動(dòng)期間,微生物的群落結(jié)構(gòu)和種群數(shù)量存在著明顯的演替過程。反應(yīng)器內(nèi)微生物主要包括α-、β-和γ-變形菌(Proteobacteria),放線菌(A ctinobacteria,高G+C革蘭氏陽性菌)和浮霉?fàn)罹?Planctomeces)。其中,與放線菌相關(guān)的聚磷菌(Actinobacteria-related PAOs)、不動(dòng)桿菌(A cinetobacteria)和聚糖菌GAOs (glycogen-accumulating organisms)得到了明顯的富集,演替過程較明顯。對反硝化功能基因nirS和nirK的DGGE分析表明,基于亞硝酸還原酶Nir的反硝化菌的數(shù)量很豐富,但群落結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定,沒有明顯的演替過程,與16S rRNA的DGGE圖譜所觀察到的現(xiàn)象不一致。 采用富磷和反硝化專性培養(yǎng)基,定向分離聚磷菌和反硝化菌,共得到14株菌。通過硝酸鹽還原產(chǎn)氣試驗(yàn),好氧吸磷試驗(yàn)并輔助PHB(poly-β-hydroxybutyrate)顆粒和異染顆粒染色試驗(yàn)進(jìn)行篩選,試驗(yàn)結(jié)果表明分離得到的14株菌均具有反硝化能力,能在好氧條件下吸磷,且體內(nèi)有PHB顆粒或者異染顆粒。經(jīng)形態(tài)特征觀察、生理生化鑒定、脂肪酸鑒定并結(jié)合16S rRNA全序列系統(tǒng)發(fā)育分析的結(jié)果表明,菌株ZQP2、ZQP3、ZQN1、ZQN2、ZQN3、ZQN4、ZQN5、ZQN6和ZQN7為芽胞桿菌(Bacillus sp.)。菌株ZQP1、ZQP4、ZQP5、ZQP6和ZQP7為假單胞菌(Pseudomonas sp.)。對亞硝酸鹽還原酶Nir的研究表明,菌株ZQP2、ZQP3、ZQP4、ZQP7、ZQN2、ZQN3、ZQN4、ZQN5和ZQN7為nirS+和nirK-型(其余5株菌的nirS和nirK基因的PCR試驗(yàn)擴(kuò)增結(jié)果都呈陰性)。 通過對關(guān)鍵生長因子的考察表明碳源和pH值對菌株的生長和吸磷影響最大,以乙酸鈉或檸檬酸鈉為碳源,pH值為6～9,溫度25～35℃的條件下可以獲得最佳的生長,硝酸鹽濃度≥40mg/L會對反硝化吸磷產(chǎn)生抑制作用。DPAOs的復(fù)配效果不理想,相對于單株菌的吸磷率都并未表現(xiàn)出優(yōu)勢。菌株ZQN4的胞外聚合物EPS (extracellular polymeric substances)中蛋白質(zhì)的含量最高,占總量的80%左右,其次為DNA和多糖。EPS的提取效率很大程度上取決于提取方法的選擇。本試驗(yàn)中,超聲波法提取的EPS比較完全,是一種較好的提取DPAOs菌株EPS的方法。在好氧條件下,菌株ZQN4對磷的去除率為89.4%左右,其中有88%左右聚集在菌體內(nèi),另外12%左右的磷聚集在EPS中,并且大部分以磷酸鹽P043--P的形式存在。同時(shí),建立了DPAO的生長動(dòng)力學(xué)方程,較好的擬合了培養(yǎng)過程中菌體的生長與時(shí)間的關(guān)系,能較好的描述DPAO的生長過程。 采用投加DPAO的生物強(qiáng)化技術(shù),成功的進(jìn)行了AOA模式SBR反應(yīng)器的快速啟動(dòng),經(jīng)生物強(qiáng)化后的反應(yīng)器出水各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于未經(jīng)生物強(qiáng)化的對照系統(tǒng),尤其是對磷的去除和反硝化功能方面。在系統(tǒng)啟動(dòng)后的13～16d,生物強(qiáng)化反應(yīng)器出水達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級A的標(biāo)準(zhǔn)。 強(qiáng)化系統(tǒng)16S rRNA的DGGE分析表明,微生物群落的多樣性較為豐富,強(qiáng)化系統(tǒng)中的菌群處于一定的動(dòng)態(tài)變化過程中。系統(tǒng)中微生物主要包括了α-和γ-變形菌(Proteobacteria),黃桿菌(Flavobacteria),假單胞菌(Pseudomonas)和芽胞桿菌(Bacillus)。與放線菌相關(guān)的聚磷菌(Actinobacteria-related PAOs)的菌種在系統(tǒng)中處于非常明顯的優(yōu)勢地位。所投加的菌株Bacillus cereus strain ZQN4代表的條帶在強(qiáng)化啟動(dòng)期間始終存在,并在系統(tǒng)微生物群落內(nèi)部的結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中形成了穩(wěn)定的生態(tài)位。 強(qiáng)化系統(tǒng)基于反硝化功能基因nirS和nirK的DGGE分析表明,與nirK基因的DGGE結(jié)果相比而言,標(biāo)記nirS基因的群落結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定,微生物種群數(shù)量也較為豐富。標(biāo)記nirS基因的反硝化菌主要包括β-變形桿菌屬(β-Proteobacteria)、假單胞菌屬(Pseudomonas sp.)和紅環(huán)細(xì)菌屬(Rhodocyclus sp.)。標(biāo)記nirK基因的反硝化菌包括假單胞菌屬(Pseudomonas sp.)和α-變形桿菌(a-Proteobacteria)中的根瘤菌屬(Rhizobium sp.)。 通過上述研究可以確定,投加強(qiáng)化菌可以縮短SBR系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間,在一定程度上改善了活性污泥的性能,同時(shí)也提高了系統(tǒng)的處理效果。為反硝化聚磷功能菌生物強(qiáng)化技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了一定的指導(dǎo)和借鑒,也為完善城鎮(zhèn)污水生物脫氮除磷工藝及其高效穩(wěn)定的處理提供了有效的新途徑。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：X703

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2657174