【摘要】：污水生物處理過程中,微生物攝磷需要消耗大量有機碳源,而反硝化也需要一定濃度有機物作為電子供體。我國南方地區(qū)污水處理廠進水有機物濃度較低,普遍存在碳源不足的問題,需要投加碳源以滿足微生物攝磷及反硝化的碳源需求,因而處理成本較高。這不僅嚴重阻礙了污水處理廠的運營與發(fā)展,也深深制約著生物脫氮除磷的推廣與應(yīng)用。因此,研發(fā)一種經(jīng)濟高效且穩(wěn)定可靠的生物脫氮除磷方法對解決日趨嚴重的水體富營養(yǎng)化問題至關(guān)重要。近年來,有研究表明活性污泥系統(tǒng)外碳源豐富-貧乏的運行模式可誘導微生物產(chǎn)生體內(nèi)儲能聚合物迅速積累/緩慢分解的代謝響應(yīng)。本課題擬將微生物這一代謝行為與污水中氮磷的去除進行偶聯(lián),使污水中的有機物主要通過細胞內(nèi)聚合物的過量積累來去除,并將積累的內(nèi)聚物作為微生物攝磷的內(nèi)碳源及后續(xù)反硝化過程的電子供體,實現(xiàn)內(nèi)聚物驅(qū)動生物脫氮除磷。這不僅能解決反硝化需投加碳源的難題,同時可減少有機物去除時的能量消耗,降低脫氮成本,極具應(yīng)用潛力。本文通過外碳源豐富-外碳源貧乏-內(nèi)碳源貧乏運行模式建立內(nèi)聚物驅(qū)動生物脫氮除磷系統(tǒng),考察不同基質(zhì)條件下內(nèi)聚物的儲能情況,進而對內(nèi)聚物驅(qū)動生物脫氮除磷過程的控制參數(shù)進行優(yōu)化,并分析不同基質(zhì)條件下微生物群落結(jié)構(gòu)特征的變化。隨后通過比較內(nèi)聚物驅(qū)動生物脫氮除磷系統(tǒng)與傳統(tǒng)脫氮除磷工藝及單級好氧反應(yīng)器的脫氮除磷效果,考察系統(tǒng)的脫氮除磷性能,并通過分析典型周期內(nèi)氮磷元素及微生物體內(nèi)儲能物質(zhì)的變化,探討了內(nèi)聚物驅(qū)動生物脫氮除磷系統(tǒng)的作用機制。最后,以生活污水為研究對象,檢驗了系統(tǒng)在實際廢水處理應(yīng)用中的脫氮除磷效果。研究結(jié)果表明,通過在好氧/缺氧/閑置交替運行,反應(yīng)器中取得良好的脫氮除磷效果,系統(tǒng)氨氮和磷的去除率分別高達98%和99%,總氮去除率達80%以上。乙酸鈉、丙酸鈉、葡萄糖、甲醇以及乙醇等不同基質(zhì)作為碳源時,內(nèi)聚物種類及含量變化較大,系統(tǒng)脫氮除磷效果隨之變化。揮發(fā)性脂肪酸(VFA)作為碳源時有利于聚β羥基烷酸鹽(PHA)的合成,系統(tǒng)脫氮除磷效果較好。而以非VFA基質(zhì)作為碳源時,PHA合成較少,系統(tǒng)吸磷和硝化作用不完全,脫氮除磷效率較低。VFA基質(zhì)中,乙酸鈉和丙酸鈉系統(tǒng)除磷效率相當,但乙酸鈉合成聚β-羥基丁酸酯(PHB)較多,系統(tǒng)反硝化速率更快,因而脫氮效率更高。碳源濃度、曝氣強度、p H值以及閑置時間等過程控制參數(shù)對內(nèi)聚物合成具有較大影響。碳源濃度較大程度上決定了微生物體內(nèi)PHA合成量,碳源濃度過低時反應(yīng)器中PHA積累較少,無法滿足反硝化的碳源需求,因而系統(tǒng)反硝化速率較低。而碳源濃度過高時,過剩的碳源被反硝化菌等異養(yǎng)菌吸收利用,導致其大量繁殖,使聚磷菌活性下降,因而系統(tǒng)除磷效率較低。碳源濃度為300mg·l-1時,微生物除磷能力較強,系統(tǒng)除磷效率高達98%。同時反應(yīng)器中pha積累較多,可滿足反硝化作用的碳源需求,因而系統(tǒng)反硝化速率較高,總氮去除率達89%。當曝氣強度過低,反應(yīng)器中供氧不足,因而pha積累量較少。而曝氣強度過高,過剩的曝氣將消耗合成的pha。曝氣速率為2l·min-1時,反應(yīng)器中pha積累較多,系統(tǒng)脫氮除磷性能較好。微生物對ph較敏感,ph過低硝化作用不完全,系統(tǒng)除磷效率也較低。ph過高反硝化過程受到抑制,除磷系統(tǒng)被惡化。ph為7.5時,微生物除磷能力較強,硝化與反硝化作用較充分,系統(tǒng)對氮磷的去除效率分別高達84%和98%。閑置期可誘導好氧段內(nèi)聚物合成,對實現(xiàn)內(nèi)聚物驅(qū)動生物脫氮除磷至關(guān)重要,同時閑置段有利于強化微生物對聚磷的依賴,從而提升系統(tǒng)除磷能力。閑置時間為2和4h時系統(tǒng)脫氮除磷效果良好,閑置段延長至8h脫氮效率將受到影響。而不設(shè)置閑置段,吸磷和反硝化作用不徹底,系統(tǒng)脫氮除磷性能較低。微生物群落結(jié)構(gòu)分析表明,內(nèi)聚物驅(qū)動生物脫氮除磷系統(tǒng)擁有豐富的微生物群落結(jié)構(gòu),系統(tǒng)中占主導地位的微生物為菌膠團類細菌。乙酸鈉和丙酸鈉為碳源時變形菌門為優(yōu)勢菌,變形菌可吸收有機物合成pha,有利于提升脫氮除磷效率。甲醇和乙醇反應(yīng)器中雖然變形菌仍較多,但β-變形菌綱數(shù)量減少,因而脫氮除磷效率降低。葡萄糖為碳源時,系統(tǒng)中絲狀菌數(shù)量較多,因而脫氮除磷效率較低。通過dgge圖譜與系統(tǒng)內(nèi)聚物儲能情況的耦合關(guān)系,菌膠團類細菌可能是本系統(tǒng)中的主要儲能微生物。通過偶聯(lián)典型周期內(nèi)氮磷元素的變化及內(nèi)聚物的積累轉(zhuǎn)化,推測內(nèi)聚物驅(qū)動生物脫氮除磷過程的作用機制:典型周期內(nèi)氮磷元素的去除過程可分為三個階段,即內(nèi)碳源積累期、內(nèi)碳源消耗期和聚磷水解期。好氧段外碳源充足,微生物迅速吸收污水中有機物合成內(nèi)碳源并儲存于體內(nèi);缺氧段外碳源缺乏,微生物將分解利用內(nèi)碳源,為自身生長及反硝化脫氮除磷供能;閑置期,外碳源與內(nèi)碳源消耗殆盡,微生物處于饑餓狀態(tài),主要依靠聚磷水解釋放能量,維持自身生長與代謝,從而強化聚磷在微生物代謝中的地位。外碳源豐富-外碳源貧乏-內(nèi)碳源貧乏交替運行模式,既能誘導菌膠團類細菌吸收有機質(zhì)合成內(nèi)聚物,還可誘導聚磷菌產(chǎn)生聚磷合成/水解的代謝響應(yīng),因而實現(xiàn)了微生物聚磷代謝與內(nèi)聚物驅(qū)動反硝化作用之間的耦合。內(nèi)聚物驅(qū)動生物脫氮除磷系統(tǒng)對氮磷的去除效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)脫氮除磷工藝與單級好氧反應(yīng)器。該系統(tǒng)為聚磷菌生長與代謝提供有利條件,因而取得良好的除磷效果。同時,有機碳源的吸收和內(nèi)聚物的合成均發(fā)生在好氧段,使得缺氧段內(nèi)聚物積累量較高,可滿足反硝化過程的碳源需求,因而系統(tǒng)反硝化作用完全。內(nèi)聚物驅(qū)動生物脫氮除磷系統(tǒng)處理生活污水時可取得較高的脫氮除磷效率,具有良好的可行性、穩(wěn)定性與經(jīng)濟性。當反應(yīng)器氮磷負荷分別為21.2~47.1 mg·L-1和3.2~13.5 mg·L-1,有機負荷為121~370 mg·L-1時,系統(tǒng)平均出水氮磷濃度分別低至6.5和0.29 mg·L-1,平均氮磷去除率高達80%和97%,且長期運行過程中的平均COD去除率達81%。本課題通過耦合微生物聚磷代謝與內(nèi)聚物驅(qū)動反硝化過程,并優(yōu)化過程控制參數(shù),初步揭示了內(nèi)聚物驅(qū)動生物脫氮除磷的作用機制,豐富了現(xiàn)有的生物脫氮除磷理論,為解決污水生物脫氮除磷過程中碳源不足的問題提供了思路和方法,并為該技術(shù)日后的工程應(yīng)用提供科學的依據(jù)與參考。
【圖文】：

階段活性污泥聚磷染色結(jié)果如圖 3.3 所示。圖 a、b、c、d 和 e 分別表示污泥樣品來自以乙酸鈉、丙酸鈉、葡萄糖、甲醇以及乙醇為碳源的反應(yīng)器。圖3.3 各反應(yīng)器穩(wěn)定運行時好氧末活性污泥的DAPI染色圖Fig. 3.3 DAPI staining image of the activated sludge obtained after aeration during steadyoperation根據(jù)文獻報道，普通細胞核與 DAPI 染色劑結(jié)合后在熒光顯微鏡下呈暗色，而聚磷顆粒與染色劑結(jié)合則會呈亮色[89]。圖 a 和 b 中大量簇擁成團的亮點表明，，以乙酸鈉和丙酸鈉作為碳源時活性污泥中含有大量的聚磷顆粒。相比圖 a 和 b，圖 c 中亮點較少，說明以葡萄糖為碳源時活性污泥中聚磷顆粒較少，這與反應(yīng)器

內(nèi)聚物驅(qū)動生物脫氮除磷機理及優(yōu)化控制研究60圖5.1 各反應(yīng)器中污泥樣品的DGGE凝膠圖譜Fig. 5.1 DGGE profiles of 16S rDNA fragments obtained from the SBRs5.3.2 細菌系統(tǒng)發(fā)育分析圖 5.1 中觀察到的 28 條主要條帶經(jīng)切膠回收、PCR 重擴增、質(zhì)粒克隆和 DGGE鑒定后進行測序，使用 GenBank 中的 Sequin win32 將測序序列提交給 GenBank，
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：X703

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本文編號：2697824