【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,導致湖泊“水華”和近海“赤潮”頻繁發(fā)生,嚴重危害了水體生態(tài)系統(tǒng)和人類健康,因此國家制定了越來越嚴格的氮素排放標準。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。針對此類廢水探索高效、低能耗的脫氮技術(shù)成為當今研究的熱點和難點。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,對高氮低碳廢水的處理表現(xiàn)出很大的經(jīng)濟優(yōu)越性,可降低能耗、節(jié)省碳源、減少污泥產(chǎn)量和縮小反應器容積等。 本研究針對短程硝化反硝化捷徑生物脫氮難以穩(wěn)定運行的問題,引入生物強化技術(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器(MBR)和填料床生物膜反應器(PBBR)中,構(gòu)建了新型的MBR-PBBR捷徑生物脫氮工藝。在工藝成功啟動后,探討工藝參數(shù)和不同生態(tài)因子對該工藝捷徑生物脫氮性能和穩(wěn)定性的影響,并進一步研究其微生物作用機理,為該工藝的實際應用提供理論依據(jù)和技術(shù)指導。 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胞呈桿狀,為兼氧菌,其最適生長和降解條件是: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MBR-PBBR新型捷徑生物脫氮工藝,并實現(xiàn)了該工藝的快速啟動。研究發(fā)現(xiàn),啟動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,實現(xiàn)了105天穩(wěn)定的捷徑生物脫氮。但隨水力停留時間的降低,MBR中氨氧化活性降低,氨氧化率由95%下降至60%,導致工藝總氮去除率降低。FISH雜交和MPN計數(shù)結(jié)果表明,MBR中氨氧化菌為絕對優(yōu)勢菌,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、運行溫度和外加有機碳源對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(從4.5×10~3MPN/mL增加到2×10~5MPN/mL),導致亞氮積累不穩(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MBR-PBBR工藝捷徑生物脫氮效率和穩(wěn)定性,當溫度從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%的波動逐漸穩(wěn)定在85%。少量的外加有機碳源(TOC/N＜0.2)可促進氨氧化反應,MBR中氨氧化率從無有機碳源時的60%升高至75%;當進水TOC/N≥0.2時,氨氧化反應受到抑制,氨氧化率迅速下降至25%,原因是有機碳源刺激了MBR中異養(yǎng)菌的大量繁殖(11.5×10~8CFU/mL),使氨氧化菌對溶解氧和氨氮的競爭處于弱勢地位:有機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爭到溶解氧來氧化NO_2~--N,其數(shù)量在TOC/N=0.3時降低到1.0×10~3MPN/mL。 最后,采用現(xiàn)代分子生態(tài)學技術(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MBR在不同時期微生物結(jié)構(gòu)及動態(tài)變化規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn),生物強化的MBR-PBBR工藝能實現(xiàn)相對穩(wěn)定和高效的捷徑生物脫氮,主要歸功于MBR中的功能微生物Nitrosomonas eutropha在運行過程中始終保持優(yōu)勢地位,占全菌數(shù)的比例大于54%;然而,當外加有機碳源較高(TOC/N≥0.2)時,可動搖氨氧化菌的優(yōu)勢地位,N.europha占全菌數(shù)的比例在TOC/N=0.3時下降至31%。生物強化的MBR隨時間的運行,微生物群落多樣性總體呈升高趨勢,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”。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：X703
【圖文】：

圖1.2厭氧氨氧化的生化反應模型[2習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(倍增時間為10~30d)能在以C仇或碳酸鹽為唯生長。通過超聲波溫和破碎和密度梯度離心，可以從富集培養(yǎng)。純化細胞的16srRNA系統(tǒng)發(fā)育分析顯示厭氧氨氧化菌存在es(浮霉狀菌)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特性并沒有被完全了解。一般認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，氨氧化菌不但能進行氨氧化作用，而且能進行厭氧氨氧化

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l000m叭的氨氮濃度。當氨氮濃度低于400m叭時，氨氧化活性隨著氨氮濃度的增大而升高;當氨氮濃度在400一 600mg/L時，氨氧化活性較高，大約為 116一 13om酬H4+入g”vssd一，;當氨氮濃度高于600m叭時(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，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：2784685