【摘要】： 我國氮素污染所引起的水體富營養(yǎng)化問題日益突出,導(dǎo)致湖泊“水華”和近�！俺喑薄鳖l繁發(fā)生,嚴(yán)重危害了水體生態(tài)系統(tǒng)和人類健康,因此國家制定了越來越嚴(yán)格的氮素排放標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)在氮素污染控制方面發(fā)揮了重要作用,但對(duì)高氮低碳廢水而言,傳統(tǒng)技術(shù)總氮去除率低、能耗高。針對(duì)此類廢水探索高效、低能耗的脫氮技術(shù)成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。近年來提出的短程硝化反硝化工藝縮短了生物脫氮的途徑,對(duì)高氮低碳廢水的處理表現(xiàn)出很大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性,可降低能耗、節(jié)省碳源、減少污泥產(chǎn)量和縮小反應(yīng)器容積等。 本研究針對(duì)短程硝化反硝化捷徑生物脫氮難以穩(wěn)定運(yùn)行的問題,引入生物強(qiáng)化技術(shù),通過將短程硝化功能菌和亞硝酸型反硝化功能菌接種至膜生物反應(yīng)器(MBR)和填料床生物膜反應(yīng)器(PBBR)中,構(gòu)建了新型的MBR-PBBR捷徑生物脫氮工藝。在工藝成功啟動(dòng)后,探討工藝參數(shù)和不同生態(tài)因子對(duì)該工藝捷徑生物脫氮性能和穩(wěn)定性的影響,并進(jìn)一步研究其微生物作用機(jī)理,為該工藝的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。 首先,采用系列稀釋法篩選馴化得到高效短程硝化功能菌和亞硝酸型反硝化功能菌。結(jié)果表明短程硝化功能菌細(xì)胞呈球狀,主要是由Nitrosomonas屬的氨氧化菌組成,其最佳氨氧化條件是:NH_4~+-N 400 mg/L,pH 8.5,溫度35℃,Alk/N 8.33;亞硝酸型反硝化功能菌細(xì)胞呈桿狀,為兼氧菌,其最適生長(zhǎng)和降解條件是:檸檬酸三鈉為碳源,TOC/N=4,溫度30℃,pH 9.0。 其次,通過將短程硝化功能菌和亞硝酸型反硝化功能菌接種至MBR和PBBR中,構(gòu)建了兩級(jí)MBR-PBBR新型捷徑生物脫氮工藝,并實(shí)現(xiàn)了該工藝的快速啟動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn),啟動(dòng)期氮的脫除全部通過捷徑途徑完成。隨后,MBR-PBBR工藝在曝氣速率為0.4L/min和操作溫度為30℃時(shí),實(shí)現(xiàn)了105天穩(wěn)定的捷徑生物脫氮。但隨水力停留時(shí)間的降低,MBR中氨氧化活性降低,氨氧化率由95%下降至60%,導(dǎo)致工藝總氮去除率降低。FISH雜交和MPN計(jì)數(shù)結(jié)果表明,MBR中氨氧化菌為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌,第105 d氨氧化菌數(shù)量為3×10~8MPN/mL,存在極少量的亞硝酸氧化菌(4.5×10~3MPN/mL)。 再次,分別探討了溶解氧、運(yùn)行溫度和外加有機(jī)碳源對(duì)MBR-PBBR捷徑生物脫氮工藝穩(wěn)定性的影響。研究表明,低溶解氧(0.8～1.2 mg/L)下,該工藝氮的脫除全部以捷徑途徑完成,但低溶解氧影響了氨氧化效率導(dǎo)致工藝總氮去除率降低至80%;高溶解氧(5～6 mg/L)刺激了MBR中少量亞硝酸氧化菌生長(zhǎng)(從4.5×10~3MPN/mL增加到2×10~5MPN/mL),導(dǎo)致亞氮積累不穩(wěn)定,工藝中只有70%的氮以捷徑途徑去除。升高溫度可顯著提高M(jìn)BR-PBBR工藝捷徑生物脫氮效率和穩(wěn)定性,當(dāng)溫度從20℃升高到35℃,MBR的氨氧化率從45%升高至90%,亞氮積累率由55%～80%的波動(dòng)逐漸穩(wěn)定在85%。少量的外加有機(jī)碳源(TOC/N＜0.2)可促進(jìn)氨氧化反應(yīng),MBR中氨氧化率從無有機(jī)碳源時(shí)的60%升高至75%;當(dāng)進(jìn)水TOC/N≥0.2時(shí),氨氧化反應(yīng)受到抑制,氨氧化率迅速下降至25%,原因是有機(jī)碳源刺激了MBR中異養(yǎng)菌的大量繁殖(11.5×10~8CFU/mL),使氨氧化菌對(duì)溶解氧和氨氮的競(jìng)爭(zhēng)處于弱勢(shì)地位:有機(jī)碳源的加入使該工藝96%以上氮的脫除以捷徑途徑完成,主要是由于亞硝酸氧化菌很難競(jìng)爭(zhēng)到溶解氧來氧化NO_2~--N,其數(shù)量在TOC/N=0.3時(shí)降低到1.0×10~3MPN/mL。 最后,采用現(xiàn)代分子生態(tài)學(xué)技術(shù)中的變性梯度凝膠電泳(DOGE)和熒光原位雜交(FISH),跟蹤監(jiān)測(cè)MBR在不同時(shí)期微生物結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn),生物強(qiáng)化的MBR-PBBR工藝能實(shí)現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定和高效的捷徑生物脫氮,主要?dú)w功于MBR中的功能微生物Nitrosomonas eutropha在運(yùn)行過程中始終保持優(yōu)勢(shì)地位,占全菌數(shù)的比例大于54%;然而,當(dāng)外加有機(jī)碳源較高(TOC/N≥0.2)時(shí),可動(dòng)搖氨氧化菌的優(yōu)勢(shì)地位,N.europha占全菌數(shù)的比例在TOC/N=0.3時(shí)下降至31%。生物強(qiáng)化的MBR隨時(shí)間的運(yùn)行,微生物群落多樣性總體呈升高趨勢(shì),最終形成以N.europha為主的β-Proteobacteria、CFB種群和α-、γ-Proteobacteria三大功能微生物菌群間相互協(xié)調(diào)的物質(zhì)代謝和能量傳遞有序的“生物鏈”。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：X703
【圖文】：

圖1.2厭氧氨氧化的生化反應(yīng)模型[2習(xí)Fig.1.2BiochemieaireactionmodelofAna“unox厭氧氨氧化的微生物稱為厭氧氨氧化菌。厭氧氨氧化菌是厭度非常慢(倍增時(shí)間為10~30d)能在以C仇或碳酸鹽為唯生長(zhǎng)。通過超聲波溫和破碎和密度梯度離心，可以從富集培養(yǎng)。純化細(xì)胞的16srRNA系統(tǒng)發(fā)育分析顯示厭氧氨氧化菌存在es(浮霉?fàn)罹?譜系中。迄今為止，己經(jīng)發(fā)現(xiàn)的厭氧氨氧化菌alnnloxidans，，、‘丫恤刀成由扭‘KuenenstUttg時(shí)iensis，，、kinii”、“〔云爪爪勿了琳scalindusbmdae，’和“C勸瓜拉勿才毋s闊indeutropha的厭氧氨氧化化菌的生理學(xué)特性并沒有被完全了解。一般認(rèn)為在氨氧化接參與氨的氧化。但最近研究發(fā)現(xiàn)，氨的直接氧化劑并不形成輕胺并釋放出No，氧參與了No和NoZ的轉(zhuǎn)化1281。進(jìn)，氨氧化菌不但能進(jìn)行氨氧化作用，而且能進(jìn)行厭氧氨氧化

2.2.2短程硝化功能菌最適氨氧化條件(l)底物濃度由圖2.3可以看出，馴化得到的短程硝化功能菌可以耐受高達(dá)l000m叭的氨氮濃度。當(dāng)氨氮濃度低于400m叭時(shí)，氨氧化活性隨著氨氮濃度的增大而升高;當(dāng)氨氮濃度在400一 600mg/L時(shí)，氨氧化活性較高，大約為 116一 13om酬H4+入g”vssd一，;當(dāng)氨氮濃度高于600m叭時(shí)(FA濃度為56.lm叭)，氨氧化活性隨著氨氮濃度的增大而迅速降低。因此，氨氮濃度具有雙重的作用I6]，既能作為基質(zhì)加快氨氧化反應(yīng)，也能作為抑制劑抑制氨氧化菌的活性。書七55>一二不+牙蕊日

本文編號(hào)：2784685