【摘要】：石化、制藥和制革等領(lǐng)域在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量高濃度的氨氮廢水,其中有些廢水的氨氮濃度會(huì)超過1000 mg/L,在某些行業(yè)部分生產(chǎn)單元產(chǎn)生的廢水氨氮濃度甚至?xí)^10000 mg/L。高濃度氨氮廢水未經(jīng)處理直接排入水體會(huì)造成富營養(yǎng)化,給受納水體造成重大影響。生物硝化-反硝化脫氮工藝由于其高效性、穩(wěn)定性以及低運(yùn)行成本而得到廣泛推廣應(yīng)用,然而參與硝化過程的氨氧化細(xì)菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(NOB)均為自養(yǎng)型微生物,生長緩慢且對(duì)環(huán)境因子敏感,而高濃度氨氮廢水往往又含有大量的鹽(Cl-、Na+等)和一定濃度的COD,這些都會(huì)對(duì)硝化功能細(xì)菌產(chǎn)生不同程度的抑制,從而影響整個(gè)生物硝化過程,成為現(xiàn)階段國內(nèi)外高氨氮廢水處理技術(shù)領(lǐng)域亟需解決的一個(gè)問題。膜生物反應(yīng)器(MBR)是膜分離技術(shù)與生物法相結(jié)合的污水處理工藝,因具有污泥濃度高、出水水質(zhì)好、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn),一直是水處理領(lǐng)域中的熱點(diǎn)。本論文圍繞高氨氮廢水的處理,對(duì)MBR反應(yīng)器中的生物硝化過程開展了深入研究,并利用高通量測(cè)序和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)-分子克隆測(cè)序等分子生物學(xué)手段對(duì)反應(yīng)器內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)以及硝化功能微生物的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行解析。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：(1)本論文研究了不同NaCl濃度對(duì)低氨氮濃度(30 mg/L)進(jìn)水條件下MBR反應(yīng)器啟動(dòng)過程的影響。結(jié)果表明：10000 mg/L(1%)濃度的NaCl抑制了AOB的活性,使得污泥的氨氧化速率下降87%,從而影響了反應(yīng)器對(duì)氨氮的去除,氨氮去除率最低只有33.7%;NaCl的投加導(dǎo)致溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)的濃度增加,加快膜污染速率；聚類分析表明NaCl的投加顯著的改變了污泥微生物的群落組成。(2)本論文系統(tǒng)研究了氨氮負(fù)荷對(duì)MBR反應(yīng)器運(yùn)行的影響及微生物作用機(jī)制,結(jié)果表明：MBR反應(yīng)器可處理的進(jìn)水氨氮濃度最高達(dá)到3000 mg/L,對(duì)應(yīng)氨氮負(fù)荷為5.14kgNH4+-N/m3·d,反應(yīng)器對(duì)氨氮的平均去除率達(dá)到了93%;進(jìn)水氨氮濃度從500 mg/L提高到1000 mg/L時(shí)對(duì)MBR反應(yīng)器的硝化過程造成了長時(shí)間抑制,這是由于伴隨氨氮負(fù)荷提升而增加的進(jìn)水鹽濃度首先抑制了AOB的活性,造成反應(yīng)器內(nèi)高濃度氨氮的積累,使得游離氨(FA)濃度超過了AOB的起始抑制濃度,進(jìn)一步抑制了AOB的活性。聚類分析表明氨氮負(fù)荷達(dá)到1.71kgNH4+-N/m3-d時(shí)顯著的改變了污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)；隨著氨氮負(fù)荷的提升,功能微生物AOB得以富集,在進(jìn)水氨氮濃度為1500 mg/L時(shí),污泥中AOB的相對(duì)豐度最高可達(dá)14.82%,其相對(duì)豐度是最低樣品的54倍。(3)本論文系統(tǒng)研究了鹽濃度變化對(duì)高氨氮負(fù)荷MBR反應(yīng)器運(yùn)行的影響及其微生物作用機(jī)制。結(jié)果表明：進(jìn)水氨氮濃度為1000 mg/L,氨氮負(fù)荷為1.71kgNH4+-N/m3-d的高氨氮負(fù)荷MBR反應(yīng)器,最高可承受的進(jìn)水NaCl濃度為40000mg/L(4%),在此條件下,反應(yīng)器對(duì)氨氮去除率超過99.5%,進(jìn)一步提升進(jìn)水NaCl濃度至7%時(shí),反應(yīng)器快速崩潰,并且在4%NaCl條件下不能恢復(fù)；氨氮負(fù)荷和鹽濃度的提升均改變了污泥的群落結(jié)構(gòu)組成,其中氨氮負(fù)荷的提升降低了污泥微生物的多樣性,鹽濃度的提升使得污泥微生物的多樣性增加,在高鹽環(huán)境中Methyloversatilis和Maribacter的相對(duì)豐度明顯提升；AOB經(jīng)過高鹽環(huán)境馴化后,對(duì)鹽濃度變化具有良好的適應(yīng)性,AOB在MBR中不斷富集,反應(yīng)器運(yùn)行第222天污泥樣品中AOB的相對(duì)豐度達(dá)到了15.07%,較最低點(diǎn)提高了25.5倍,較接種污泥提高了8.2倍。(4)本論文研究了不同C/N比對(duì)高氨氮負(fù)荷MBR反應(yīng)器運(yùn)行的影響及其微生物作用機(jī)制。結(jié)果表明：隨著C/N比的提高,污泥的氨氧化速率下降,但憑借反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度的不斷增長,MBR對(duì)氨氮和COD的去除率維持在較高水平；進(jìn)水COD濃度的提升促進(jìn)了腐殖酸類SMP的產(chǎn)生,進(jìn)水C/N比達(dá)到1以后,膜污染速度加快,膜組件運(yùn)行時(shí)間下降；隨著進(jìn)水C/N比的不斷提升,硝化功能微生物AOB和NOB的相對(duì)豐度逐漸下降,進(jìn)水C/N比為2時(shí)AOB和NOB的相對(duì)豐度較進(jìn)水C/N為0時(shí)分別下降了86.54%和90.17%。(5)借助于PCR-分子克隆和高通量測(cè)序研究了環(huán)境因子對(duì)功能微生物(AOB)以及群落結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明:MBR反應(yīng)器中Nitrosomonas型AOB居于優(yōu)勢(shì)地位,環(huán)境因子的改變會(huì)影響Nitrosomonas屬中AOB的具體種類；在不同的運(yùn)行條件下MBR反應(yīng)器中氨氮的去除由Nitrosomonas屬中不同的AOB主導(dǎo)完成,其中低氨氮負(fù)荷條件下氨氮的去除由Nitrosomonas oligotropha占據(jù)主導(dǎo),而高氨氮環(huán)境中Nitrosomonas europaea居于主導(dǎo)地位,在高鹽、高氨氮負(fù)荷條件下起主導(dǎo)作用的則是Nitrosomonass marina;進(jìn)水COD濃度、鈉離子濃度和氨氮濃度顯著的影響了污泥的微生物群落結(jié)構(gòu),同時(shí)微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)出水COD和膜污染速率具有顯著性的影響；根據(jù)樣品微生物的組成情況,19個(gè)樣品分成5個(gè)不同的組,不同組的環(huán)境因子具有各自的特征,表明活性污泥在特定的環(huán)境中會(huì)形成獨(dú)特的微生物群落結(jié)構(gòu),而在相近的環(huán)境條件污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)具有較高的相似性。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X703;X172

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本文編號(hào)：2775424