【摘要】：水體富營養(yǎng)化日益嚴(yán)重,對污水進(jìn)行脫氮處理已成為社會發(fā)展的必然要求。然而,常規(guī)生物脫氮污水處理行業(yè)具有資本、能源密集型缺點。因此,開發(fā)新型經(jīng)濟高效無污染的生物脫氮工藝技術(shù)是當(dāng)今污水處理領(lǐng)域的研究熱點。厭氧氨氧化作為一種新型的微生物氮轉(zhuǎn)化途徑,被國內(nèi)外專家評價為節(jié)能無污染的新型可持續(xù)發(fā)展污水生物處理技術(shù)。國內(nèi)外對厭氧氨氧化的研究和工藝應(yīng)用仍局限于高氨氮(500 mg N/L)污水脫氮處理領(lǐng)域,在排放量巨大、處置費用高的低氨氮城市污水(100 mg N/L)中的研究報道都還比較少。本研究圍繞低氨氮濃度厭氧氨氧化展開,以工藝強化及相應(yīng)的顆粒污泥菌群特性為主要研究內(nèi)容,探索厭氧氨氧化過程在常規(guī)工藝普通城市污水處理系統(tǒng)的脫氮功能及自然規(guī)律特征,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究厭氧氨氧化在低氨氮城市污水處理系統(tǒng)中菌種富集、功能強化和工藝運行。同時,利用Mi Seq高通量測序技術(shù)分析關(guān)鍵顆�；A段菌群結(jié)構(gòu)演替規(guī)律并比較不同工藝研究中微生物特征差異。本研究結(jié)果將為推動低氨氮城市污水低耗高效脫氮新技術(shù)的發(fā)展,提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。通過對常規(guī)工藝城市污水系統(tǒng)的季節(jié)性取樣研究表明,厭氧氨氧化菌廣泛分布于城市污水處理系統(tǒng)的各級構(gòu)筑物(但以活性污泥池為主)中,厭氧氨氧化菌豐度為105-107 copies/g VSS,速率為0.08-1.20μmol N/(g VSS·h),對氨氧化的貢獻(xiàn)率為0.11-16.3%,對系統(tǒng)年平均脫氮貢獻(xiàn)率為2.1-6.6%(1-194.3 t N/yr),且夏季豐度和速率表現(xiàn)均高于冬季。在污水處理系統(tǒng)中的厭氧氨氧化菌生物多樣性很低,Brocadia是主導(dǎo)菌屬,在與硝化微生物的耦合作用中,AOB較AOA有能力提供更多的底物NO2-,而NOB菌種Nitrospira可能是底物NO2-更強大的競爭者;另外,厭氧氨氧化表現(xiàn)主要受微生物群落結(jié)構(gòu)、溫度、SRT、COD等環(huán)境因素的綜合影響,但非關(guān)鍵制約因子,其中,厭氧氨氧化菌hzs B功能基因豐度、速率與脫氮功能兩兩之間呈極正相關(guān)關(guān)系。表明厭氧氨氧化菌具有強魯棒性,使其有能力廣泛分布并作用于污水生物脫氮處理過程。為了有效提高厭氧氨氧化脫氮功能,本論文將常規(guī)污水處理工藝的剩余污泥以顆粒污泥的形式進(jìn)行培育。結(jié)果表明,經(jīng)200d成功培育以0.5-0.9mm粒徑為主的顆粒污泥(顆粒化程度93.7%)。粒徑階段0.5mm后,實現(xiàn)了厭氧氨氧化菌的快速提高,0.5-0.9mm粒徑出現(xiàn)厭氧氨氧化豐度、活性和多樣性的最優(yōu)表現(xiàn),豐度達(dá)1011 copies/g VSS,是種泥的104-5倍,活性也達(dá)自然系統(tǒng)的最高水平;但顆�；咕憾鄻有宰兊�,但均以Brocadia為主。說明合理控制顆�；潭�,保證最佳傳質(zhì)效能,才能有效維持厭氧氨氧化的高效表現(xiàn)。另外,豐富的EPS為厭氧氨氧化顆粒污泥形成的關(guān)鍵因素之一,蛋白質(zhì)為所有EPS分層的主要成分,主要為鉻氨酸和色氨酸,占EPS總量的58.9%;絕大部分EPS為TB-EPS,占EPS總量的77.1%。接種已培育成熟厭氧氨氧化顆粒污泥,成功啟動處理模擬污水的Amx-UASB連續(xù)流反應(yīng)器和處理實際污水的Amx-SBR間歇式反應(yīng)裝置。Amx-UASB反應(yīng)器接種污泥發(fā)生解體和發(fā)育,粒徑范圍變?yōu)?-2.5mm,可抗187.2 L/d流量負(fù)荷和144 L/d波動振幅的沖擊;Amx-SBR接種污泥顆粒多數(shù)發(fā)生解體,但經(jīng)顆粒重塑后以0.2-0.9mm粒徑為主;采用實時控制策略20d快速實現(xiàn)短程硝化,NO2-積累率高于90%,但PN-SBR的不穩(wěn)定期導(dǎo)致Amx-SBR中反硝化菌群競爭作用增強,穩(wěn)定的短程硝化及適宜的基質(zhì)比進(jìn)水是厭氧氨氧化工藝啟動及穩(wěn)定運行的核心問題。另外,Amx-SBR具有最高的生物多樣性表現(xiàn),該裝置和Amx-UASB中的功能菌均為Brocadia,Nitrosomonas和Nitrospira為主要硝化菌群,與厭氧氨氧化菌構(gòu)成基于空間和底物的共生或競爭關(guān)系;PN-SBR雖然處理實際污水,但其菌群多樣性最低,功能菌為Nitrosomonas,占全部菌群的17.2%,Nitrospira僅占0.01%。厭氧氨氧化顆粒污泥復(fù)雜又穩(wěn)定的微生態(tài)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了其對低氨氮生活污水低耗高效的脫氮功能。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X703
【圖文】：

NOB的代謝模型[29]見圖1-1。圖 1-1 硝化細(xì)菌進(jìn)行硝化反應(yīng)的能量流動和電子傳遞模型[29]Fig. 1-1 Flow of energy and reductants in nitrification through pertinent catabolic modules1.2.2 生物反硝化作用與生物硝化過程不同，反硝化過程才是污水中氮污染物根本脫除的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。反硝化作用可分為兩種代謝途徑，第一通過同化反硝化合成菌體組成成分（公式（1-7）），第二通過異化反硝化作用將NOx-最終還原為N2釋放到大氣中（公式（1-8））[37]。自第一株反硝化微生物分離于1886年，距今的130年里，反硝化一直被認(rèn)為是生物脫氮的唯一途徑，因此，受到國內(nèi)外學(xué)者對其代謝過程和內(nèi)在分子機制的不斷研究。2NO3-+ 10H++ 10e-→ N2+ 2OH-+ 4H2O （1-7）

具體代謝途徑[40]見圖1-2。圖 1-2 反硝化細(xì)菌代謝途徑[40]Fig. 1-2 The pathway of denitrification metabolism pathway反硝化過程一般在缺氧條件下進(jìn)行，有機碳源來源主要分：原污水有機物、微生物內(nèi)源代謝和人工外碳源投加。但有研究證實在好氧條件下也能進(jìn)行反硝化反應(yīng)——好氧反硝化[41]，可同時利用O2和NO3-作為電子受體并在不受O2抑制的周質(zhì)硝酸鹽還原酶（Nap）催化作用下進(jìn)行產(chǎn)能代謝。因此，在污水處理工藝的研究過程中，有學(xué)者認(rèn)為同步硝化反硝化可能優(yōu)于順序式硝化反硝化的代謝過程。能夠執(zhí)行缺氧反硝化作用的菌群種類繁多，而只有某些好氧或兼性好氧異養(yǎng)微生物可執(zhí)行好氧反硝化作用[42]。一般認(rèn)為反硝化菌群均為異養(yǎng)菌，但研究表明，某些自養(yǎng)菌也可執(zhí)行反硝化過程，如自養(yǎng)型厭氧氨氧化菌能以丙酸鹽為碳源代謝NO3-[43]。異養(yǎng)反硝化反應(yīng)的化學(xué)計量學(xué)公式（以甲醇計）[44]

和細(xì)胞結(jié)構(gòu)[58]，如圖1-3所示。圖 1-3 厭氧氨氧化菌代謝模型[57]（A）和細(xì)胞結(jié)構(gòu)[58]（B）Fig. 1-3 Schematic diagram of metabolism pathway (A) and cell structure (B) of anammoxbacteria厭氧氨氧化菌均包含一種具有致密性且低滲透膜的細(xì)胞器結(jié)構(gòu)——厭氧氨氧化體（anammoxosome）[59,60]，anammoxosome占據(jù)厭氧氨氧化菌細(xì)胞的大部分空間，是厭氧氨氧化代謝反應(yīng)的核心部位，另外，anammoxosome還可在菌體進(jìn)行低代謝反應(yīng)時維持膜內(nèi)外適宜的基質(zhì)濃度梯度[59]。前人還在厭氧氨氧化菌內(nèi)發(fā)現(xiàn)了獨特的階梯烷膜脂結(jié)構(gòu)（ladderane）[61]，已作為標(biāo)志性物質(zhì)應(yīng)用于厭氧氨氧化菌的檢測。由于厭氧氨氧化菌的獨特結(jié)構(gòu)，使其有能力生存于多種環(huán)境、甚至是低基質(zhì)環(huán)境。厭氧氨氧化工藝成功啟動和穩(wěn)定運行的關(guān)鍵要素，就是實現(xiàn)厭氧氨氧化菌在反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)的富集和有效持留，才能保證厭氧氨氧化功能的有效發(fā)揮[62]。影響厭氧氨氧化菌生長代謝的因素有：（1）基質(zhì)濃度 厭氧氨氧化菌代謝需要基質(zhì) NO2-和 NH4+的共存。Strous 等[13]NO2-濃度達(dá)到 100 mg/L 對厭氧氨氧化菌即產(chǎn)生可逆性抑制作用。但另有研究表明，NO2-、NH4+基質(zhì)濃度<500 mg/L 對厭氧氨氧化菌無抑制作用[63]。NO2-對厭氧氨氧化反應(yīng)的抑制

本文編號：2773371