【摘要】：城市污水主流厭氧氨氧化技術(shù)作為一種新型的生物脫氮技術(shù)具有減少曝氣能耗、節(jié)約水處理費(fèi)用和降低溫室氣體排放等諸多優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是構(gòu)建未來新型污水處理廠最為合適的主流脫氮技術(shù)。目前,城市污水主流厭氧氨氧化的可行性雖然已經(jīng)得到驗(yàn)證,但低溫低氨氮的城市污水水質(zhì)特點(diǎn),以及競(jìng)爭(zhēng)性微生物如亞硝酸鹽氧化菌(NOB)和異養(yǎng)菌(HB)的過量增殖依舊制約了該技術(shù)在實(shí)際中的推廣應(yīng)用。如何在有效持留功能性微生物如氨氧化菌(AOB)和厭氧氨氧化(Anammox)菌的同時(shí),抑制并淘洗系統(tǒng)中競(jìng)爭(zhēng)性微生物(如NOB和HB)是亟需解決的關(guān)鍵問題。本論文首先對(duì)城市污水主流厭氧氨氧化工藝相關(guān)的功能細(xì)菌進(jìn)行了單獨(dú)富集培養(yǎng)和特性研究,探討了在連續(xù)流工藝中進(jìn)行AOB和Anammox菌的富集同時(shí)抑制NOB的相關(guān)運(yùn)行策略。然后考察了缺好氧交替運(yùn)行對(duì)于長期穩(wěn)定維持城市污水連續(xù)流短程硝化工藝的可行性。最后采用絮體污泥結(jié)合固定床生物膜(IFAS)的污泥形式和缺好氧交替的功能區(qū)布局提出了一套城市污水連續(xù)流主流厭氧氨氧化脫氮除磷新工藝,并詳細(xì)研究了該工藝的啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行,為我國城市污水主流厭氧氨氧化技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。針對(duì)NOB過量增殖的問題,提出了好氧饑餓(無外加底物、保持曝氣)結(jié)合實(shí)時(shí)控制快速啟動(dòng)城市污水SBR工藝短程硝化的新方法。饑餓恢復(fù)期間AOB快于NOB的活性恢復(fù)能力和功能基因表達(dá)水平確保了SBR系統(tǒng)短程硝化的快速出現(xiàn)和AOB的富集培養(yǎng)。然后,基于富集培養(yǎng)的短程硝化污泥在A~2O系統(tǒng)中研究了穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)城市污水連續(xù)流短程硝化的控制策略,包括低溶解氧(DO)濃度、好氧饑餓處理和生物強(qiáng)化,結(jié)果表明由于連續(xù)流系統(tǒng)中Nitrospira菌屬的大量增殖,低DO濃度和好氧饑餓處理策略均不適用于連續(xù)流A~2O工藝短程硝化的維持,但生物強(qiáng)化結(jié)合后置缺氧段的方式有助于實(shí)現(xiàn)和維持城市污水連續(xù)流短程硝化。以低DO/低進(jìn)水基質(zhì)濃度和高DO/高進(jìn)水基質(zhì)濃度為控制手段分別成功培養(yǎng)了Nitrospira占比為32.12±0.25%和Nitrobacter占比為59.46±4.71%的兩種NOB富集污泥。Nitrobacter在饑餓環(huán)境中的活性下降較快,功能基因nxrB的表達(dá)水平也下降明顯;而Nitrospira在饑餓環(huán)境中的活性下降較慢,功能基因nxrB還有過量表達(dá)的現(xiàn)象發(fā)生。該現(xiàn)象進(jìn)一步證實(shí)了適應(yīng)于低基質(zhì)/低DO濃度環(huán)境的Nitrospira具有更高的抵抗饑餓環(huán)境的能力,較高的功能基因表達(dá)水平確保了Nitrospira在饑餓環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)長期的活性和細(xì)胞維持,因此連續(xù)流系統(tǒng)無法通過好氧饑餓處理實(shí)現(xiàn)短程硝化。小試試驗(yàn)表明缺好氧交替導(dǎo)致的瞬時(shí)缺氧環(huán)境可有效抑制NOB的活性,但好氧段初期殘留的亞硝酸鹽促進(jìn)NOB活性恢復(fù)的同時(shí)抑制了AOB的活性,進(jìn)而無法僅僅依靠缺好氧交替來維持城市污水連續(xù)流的短程硝化。此外,建立了在缺好氧交替環(huán)境中NOB比生長速率(μ_(NOB))與好氧區(qū)初始亞硝酸鹽濃度相關(guān)的數(shù)學(xué)模型,該模型通過擬合揭示了在缺好氧交替環(huán)境下,缺氧環(huán)境能夠短暫抑制μ_(NOB),當(dāng)進(jìn)入好氧環(huán)境后,μ_(NOB)迅速恢復(fù),同時(shí)與好氧區(qū)初始亞硝酸鹽濃度呈正比例關(guān)系。因此,采用厭氧氨氧化作用或反硝化作用消耗缺氧區(qū)殘留的亞硝酸鹽可避免好氧段初期亞硝酸鹽對(duì)于NOB活性恢復(fù)的促進(jìn)作用,有利于連續(xù)流短程硝化系統(tǒng)的維持�；谏鲜鲅芯�,開發(fā)了城市污水連續(xù)流改良IFAS主流厭氧氨氧化脫氮除磷工藝,利用生物強(qiáng)化和羥胺抑制的手段實(shí)現(xiàn)了該工藝的啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行。在不外加碳源的情況下,該工藝處理城市污水的平均出水sCOD、PO_4~(3-)-P、NH_4~+-N和TN濃度分別為20.6±1.7 mg/L、0.4±0.2 mg P/L、2.3±1.7 mg N/L和7.7±1.8 mg N/L,符合國家污水處理廠出水一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。物料平衡分析表明該工藝的氮去除途徑主要包括缺氧區(qū)的反硝化作用(28.1~31.3%)和厭氧氨氧化作用(21.3~30.3%)、好氧區(qū)的同步硝化反硝化作用(9.6~15.4%)、出水(20.7%)以及微生物的同化作用(11.3%);系統(tǒng)的磷去除途徑主要包括好氧區(qū)聚磷菌的好氧吸磷作用(63.9~87.4%)和缺氧區(qū)反硝化聚磷菌的反硝化吸磷作用(11.8~33.2%)。經(jīng)濟(jì)性分析表明改良IFAS主流厭氧氨氧化工藝與傳統(tǒng)A~2O工藝相比,可節(jié)約89%的藥劑費(fèi)用,節(jié)省41%的曝氣能耗,具有脫氮除磷效率高、節(jié)能降耗、減少溫室氣體排放等優(yōu)點(diǎn)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：X703
【圖文】：

圖 1-1 厭氧氨氧化代謝機(jī)理模型[21~23]Figure 1-1 Model diagram of anaerobic ammonia oxidation metabolismKartal 等人[22]通過對(duì)“Kuenenia stuttgartiensis”厭氧氨氧化單菌進(jìn)行的分子機(jī)制研究也證實(shí)了 NO 在 Anammox 代謝過程中的中間代謝產(chǎn)物地位。除了“Kueneniastuttgartiensis”菌種，Vossenberg 等人[23]對(duì)海洋型“Candidatus Scalindua profunda”厭氧氨氧化菌種的基因組測(cè)序也驗(yàn)證了該厭氧氨氧化反應(yīng)的代謝機(jī)理。不過，厭氧氨氧化的底物來源并不單 ，代謝底物如 NO－2、NO－3、NH2OH 和 NO 等物質(zhì)之間的相互轉(zhuǎn)化，為厭氧氨氧化菌在不同環(huán)境下的生長提供了可能，也為厭氧氨氧化菌其他的代謝途徑提供了條件[23,25,26]。此外，不同的厭氧氨氧化菌種之間也可能存在不同的代謝機(jī)理，如 Oshiki 等人[27]采用“Candidatus Brocadia sinica”為研究對(duì)象進(jìn)行基因組測(cè)序時(shí)就得到了以 NH2OH 為中間代謝產(chǎn)物的不 樣的研究結(jié)果。因此，厭氧氨氧化反應(yīng)代謝機(jī)理的全面闡述還需要人們不斷的進(jìn)行探索和研究。1.2.2 厭氧氨氧化菌的生理特性與多樣性分布

細(xì)胞內(nèi)部含有種致密的、低滲透性的細(xì)胞內(nèi)膜結(jié)構(gòu)——厭氧氨氧化體（Anammoxosome）（由圖1-2b 可見）。它占據(jù)了細(xì)胞內(nèi)大部分的空間[28,29]，被認(rèn)為是發(fā)生厭氧氨氧化代謝活動(dòng)的主要場(chǎng)所[9,21,22]。Anammox 菌細(xì)胞壁不含肽聚糖[21,30]，主要由蛋白質(zhì)組成，體現(xiàn)出浮霉菌門的細(xì)胞特征。經(jīng)過 16S rRNA 系統(tǒng)發(fā)育樹分析（如圖 1-2a 所示），證實(shí) Anammox 菌屬于浮霉菌門（Planctomycetes），且分支較深[30]。Anammox 菌的

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 Cao Yeshi;Kwok Bee Hong;Yan Zhou;Yu Liu;He Jianzhong;Chua Seng Chye;Wah Yuen Long;Yahya Ghani;;新加坡最大回用水處理廠污水短程硝化厭氧氨氧化脫氮工藝[J];北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2015年10期

2 彭永臻;;“厭氧氨氧化在污水處理中的研究與應(yīng)用”專題序言[J];北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2015年10期

3 郭建華;彭永臻;黃惠s

本文編號(hào)：2718891