厭氧氨氧化(ANaerobic AMMonium Oxidation，ANAMMOX)是一種新型的高效生物脫氮工藝，其脫氮效率優(yōu)于傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)，具有較好的工業(yè)化應(yīng)用前景。但是厭氧氨氧化菌倍增時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行條件較為敏感，從而一定程度上限制了ANAMMOX工藝的穩(wěn)定性和實(shí)際應(yīng)用潛力。因此進(jìn)一步了解ANAMMOX工藝的運(yùn)行特性及其對(duì)環(huán)境條件變化的響應(yīng)，有助于推動(dòng)ANAMMOX的理論發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用。有鑒于此，本論文以閑置兩年的厭氧氨氧化污泥為研究對(duì)象，采用UASB反應(yīng)器研究ANAMMOX工藝的啟動(dòng)過(guò)程和運(yùn)行特性。在此基礎(chǔ)上，從微生物群落結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵中間代謝產(chǎn)物、胞外多聚物(EPS)等多維水平解析ANAMMOX系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)器控制條件變化的響應(yīng)及其受抑機(jī)理。 主要研究結(jié)果如下： (1)將常溫下閑置兩年的厭氧氨氧化污泥接種至UASB反應(yīng)器，以人工配水為原水，通過(guò)逐步提高水力壓力，在運(yùn)行68天后成功地實(shí)現(xiàn)了ANAMMOX工藝的啟動(dòng)。反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定，在水力停留時(shí)間(HRT)為4h，進(jìn)水總氮負(fù)荷為1.2kg N·m-3·d-1的條件下，氨氮、亞硝酸鹽氮和總氮的去除負(fù)荷分別達(dá)到了0.52kg N·m-3·d-1、0.59kg N·m-3·d-1和1.01kg N·m-3·d-1。穩(wěn)定運(yùn)行的ANAMMOX反應(yīng)器內(nèi)的氨氮、亞硝酸鹽氮消耗量與硝酸鹽氮生成量之比約為1：1.08：0.26。污泥表觀特性可以直觀地描述厭氧氨氧化菌群的快速富集過(guò)程。隨著水力壓力的增加，顆粒污泥顏色逐漸由黑色變?yōu)榧t棕色。反應(yīng)器啟動(dòng)成功后的厭氧氨氧化污泥平均粒徑為3-4mm，沉降速度在20-78m·h-1之間，具備較好的污泥沉降性能。酶學(xué)分析結(jié)果表明，厭氧氨氧化比活性、聯(lián)氨氧化酶比活性與氨氮去除負(fù)荷之間呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，兩者能夠較好地表征ANAMMOX的啟動(dòng)過(guò)程。在HRT為4h時(shí)厭氧氨氧化比活性和聯(lián)氨氧化酶比活性分別達(dá)到了125.38±3.01mg N·gVSS-1·d-1和339.42±6.83μmol·g VSS-1·min-1。高通量測(cè)序結(jié)果顯示，隨著ANAMMOX的逐漸恢復(fù)，種群豐富度和多樣性下降，微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯演替。啟動(dòng)成功的ANAMMOX反應(yīng)器中，優(yōu)勢(shì)菌群主要隸屬于變形菌門(mén)(Proteobacteria)、綠菌門(mén)(Chlorobi)，未分類(lèi)細(xì)菌(Unclassified Bacteria)和放線菌門(mén)(Actinobacteria)。 (2)在不同進(jìn)水氮濃度下，研究了水力壓力對(duì)ANAMMOX工藝運(yùn)行效能的影響。在進(jìn)水總氮濃度較低的情況下(200mg·L-1)，水力壓力對(duì)反應(yīng)器氮去除能力影響不大，總氮去除率都在90%以上。當(dāng)進(jìn)水總氮濃度為400mg·L-1，HRT為6h時(shí)，反應(yīng)器達(dá)到最佳的處理能力。此時(shí)總氮、氨氮和亞硝酸鹽氮的去除負(fù)荷分別為1.32kg N·m-3·d-1、0.76kg N·m-3·d-1和0.75kg N·m-3·d-1，氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率分別達(dá)到95%和94%；進(jìn)一步將HRT縮短至4h，雖然總氮去除負(fù)荷可以達(dá)到最大值1.39kg N·m-3·d-1，但是氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率卻分別下降至58%和71%。在進(jìn)水總氮濃度較高的情況下(600mg·L-1)，當(dāng)HRT為6h時(shí)，氨氮和亞硝酸氮的去除率分別為58%和40%；而HRT降低至4h時(shí)，氨氮和亞硝酸氮去除率僅為34%和18%，處理效能明顯降低。以上結(jié)果表明，相較于水力壓力的變化，進(jìn)水氮濃度變化對(duì)ANAMMOX效能的影響更為顯著�；诰酆厦告湻磻�(yīng)-變形梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)指紋圖譜的聚類(lèi)分析結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)水總氮濃度為200mg·L-1和400mg·L-1時(shí)，隨著HRT不斷縮短，微生物群落結(jié)構(gòu)的差異度較小，菌群穩(wěn)定性較好；多樣性指數(shù)計(jì)算表明，微生物種群Shannon多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)與優(yōu)勢(shì)度指數(shù)均升高，而豐富度指數(shù)則有所下降。當(dāng)進(jìn)水總氮濃度為600mg·L-1時(shí)，隨著HRT的變化，微生物群落結(jié)構(gòu)差異明顯，菌群穩(wěn)定性減弱；同時(shí)微生物種群Shannon多樣性指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)，均勻度指數(shù)均有所下降。以上結(jié)果表明，在一定的進(jìn)水氮濃度下，通過(guò)控制反應(yīng)器水力壓力和氮負(fù)荷，可以實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化菌群的富集；但是過(guò)高的氮濃度會(huì)影響群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和作用效能。隨著進(jìn)水負(fù)荷的提高，反應(yīng)器中優(yōu)勢(shì)微生物菌群主要隸屬于藍(lán)藻門(mén)(Cyanobacteria)、浮霉菌門(mén)(Planctomycetes)和變形菌門(mén)。 (3)在不同進(jìn)水氮負(fù)荷下，研究了COD對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行效能的影響。結(jié)果表明，在合適的COD濃度下，厭氧氨氧化菌的活性和豐度沒(méi)有受到顯著影響，反應(yīng)器的脫氮效能均優(yōu)于對(duì)應(yīng)的空白對(duì)照試驗(yàn)(無(wú)COD添加)，且ANAMMOX對(duì)氮去除的貢獻(xiàn)率在80%以上。此時(shí)的優(yōu)勢(shì)菌群主要隸屬于綠菌門(mén)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)、浮霉菌門(mén)、放線菌門(mén)和厚壁菌門(mén)。但是當(dāng)進(jìn)水COD濃度過(guò)高時(shí)，厭氧氨氧化菌的活性和豐度受到明顯抑制，反硝化作用貢獻(xiàn)率顯著上升。此時(shí)反應(yīng)器運(yùn)行主要表現(xiàn)為氨氮去除率急劇下降，而亞硝酸鹽和硝酸鹽氮幾近完全去除。系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)微生物菌群主要隸屬于綠菌門(mén)、變形菌門(mén)，厚壁菌門(mén)(Firmicutes)和放線菌門(mén)。基于PCR-DGGE指紋圖譜的聚類(lèi)分析研究表明，在一定的進(jìn)水氮負(fù)荷下，隨著COD濃度的逐漸增加，微生物群落結(jié)構(gòu)差異越發(fā)顯著。而在COD濃度一定的情況下，逐漸提高進(jìn)水氨氮和亞硝酸鹽氮濃度，微生物種群結(jié)構(gòu)則更趨于穩(wěn)定。以上結(jié)果表明，進(jìn)水COD濃度變化會(huì)顯著影響微生物群落結(jié)構(gòu)和脫氮效能。此外一定的進(jìn)水COD濃度可以在維持較高的ANAMMOX貢獻(xiàn)率的同時(shí)，進(jìn)一步強(qiáng)化反應(yīng)器的脫氮能力。 (4)將反應(yīng)器HRT固定為6h，通過(guò)逐漸提高進(jìn)水氨氮和亞硝酸鹽氮濃度，考察基質(zhì)濃度變化對(duì)ANAMMOX脫氮效能的影響。結(jié)果表明，隨著進(jìn)水總氮濃度的逐漸升高，總氮去除負(fù)荷逐漸增加。當(dāng)進(jìn)水總氮濃度達(dá)到400mg·L-1時(shí)，氮去除負(fù)荷達(dá)到1.43kgN·m-3·d-1，總氮去除率達(dá)到90%左右。當(dāng)總氮濃度繼續(xù)增加時(shí)，氮去除負(fù)荷沒(méi)有明顯變化，但是總氮去除率則顯著降低。當(dāng)進(jìn)水總氮濃度為800mg·L-1時(shí)，氨氮和亞硝態(tài)氮的去除率僅為51%和34%。以上結(jié)果表明，本研究中反應(yīng)器的最大處理負(fù)荷在1.43kgN·m-3·d-1左右，而過(guò)高的進(jìn)水氮濃度反而會(huì)對(duì)ANAMMOX系統(tǒng)產(chǎn)生一定的抑制作用。關(guān)鍵中間代謝產(chǎn)物的分析表明，無(wú)論進(jìn)水總氮濃度的高低，羥氨濃度都會(huì)維持在較低的水平。但是較高的總氮濃度會(huì)造成一定程度的聯(lián)氨積累。通過(guò)研究中間代謝產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化過(guò)程，證實(shí)了本研究中ANAMMOX菌群的代謝多樣性，其存在著羥氨歧化反應(yīng)、聯(lián)氨歧化反應(yīng)以及氨氮和羥氨的歸中反應(yīng)。研究關(guān)鍵代謝產(chǎn)物濃度對(duì)ANAMMOX菌群代謝的影響，結(jié)果表明高濃度的羥氨不會(huì)導(dǎo)致聯(lián)氨的累積，但是會(huì)產(chǎn)生一定量的氨氮；而隨著聯(lián)氨添加濃度的升高，聯(lián)氨轉(zhuǎn)化率逐漸降低，且氨氮累積更加明顯。由此可見(jiàn)，聯(lián)氨積累的主要途徑是氨氮和羥氨的歸中反應(yīng)而不是羥氨的歧化反應(yīng)；而當(dāng)聯(lián)氨合成量增加時(shí)，聯(lián)氨還原酶催化的還原反應(yīng)并不能及時(shí)將聯(lián)氨轉(zhuǎn)化成N2，成為主要的限速步驟。聯(lián)氨積累則可能是抑制ANAMMOX效能的主要因素之一。論文進(jìn)一步研究了COD干擾下中間代謝產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化過(guò)程。結(jié)果表明，添加一定濃度COD沒(méi)有對(duì)ANAMMOX代謝途徑產(chǎn)生顯著影響，因此可以認(rèn)為COD對(duì)ANAMMOX菌群的影響機(jī)制主要發(fā)生在微生物群落結(jié)構(gòu)水平而并非厭氧氨氧化菌的代謝水平�？疾霢NAMMOX菌群在不同受抑情況后的恢復(fù)過(guò)程，結(jié)果表明高基質(zhì)濃度引起的ANAMMOX活性抑制可通過(guò)降低進(jìn)水氮濃度來(lái)快速恢復(fù)，而高濃度COD(900mg·L-1)引起的ANAMMOX活性抑制現(xiàn)象則很難通過(guò)降低進(jìn)水COD濃度來(lái)有效恢復(fù)。 (5)論文研究了COD濃度對(duì)ANAMMOX污泥顆粒化的影響。污泥特性研究表明，在無(wú)COD添加的反應(yīng)器中，顆粒污泥粒徑以0.4-0.6mm為主，當(dāng)COD濃度為100mg·L-1和200mg·L-1時(shí)，顆粒污泥粒徑范圍主要在1.39-1.65mm。通過(guò)研究污泥EPS的分布和組成揭示COD對(duì)ANAMMOX污泥顆�；挠绊憴C(jī)制。結(jié)果表明，添加COD可以增加EPS合成以促進(jìn)顆�；渲械鞍踪|(zhì)的增加更明顯；此外COD還可以增加緊密型EPS的比例，結(jié)合熒光共聚焦顯微鏡的觀察，可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)顆粒污泥結(jié)構(gòu)更為緊密。而緊密的污泥結(jié)構(gòu)可以強(qiáng)化ANAMMOX菌的固定，從而有利于維持其在反應(yīng)器整體脫氮過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)地位和貢獻(xiàn)率。研究還發(fā)現(xiàn)合適的COD濃度在促進(jìn)顆粒化的同時(shí)，并不影響ANAMMOX的效能。但是過(guò)高的COD濃度會(huì)破壞菌群的生物相結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)化異養(yǎng)反硝化菌作用的同時(shí)，顯著降低和弱化了ANAMMOX菌的豐度和貢獻(xiàn)，因此反應(yīng)器中氨氮和總氮去除率明顯下降。由此可見(jiàn)，合適的COD濃度不僅能夠促進(jìn)ANAMMOX污泥的顆�；�，而且更有利于總氮的去除。
【學(xué)位單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類(lèi)】：X703
【部分圖文】：

第一章 緒論捷徑。硝酸鹽還原成亞硝酸鹽后，不是繼續(xù)還原成氣體物質(zhì)，而原成氨，這個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)稱(chēng)為 DNRA(Dissimilatory Nitrate Reduction此過(guò)程還伴有亞硝酸鹽氮的短暫積累和 N2O 排放。在 90 年代初下同樣可以進(jìn)行反硝化，稱(chēng)之為好氧反硝化。在微生物研究方面化菌的嚴(yán)格界限。此外，厭氧氨氧化菌亦存在于各種淡水河海洋唯一起固氮作用的菌群[11]。.1.1 中公式 1.1 和 1.2 可知，1 摩爾氨氮完全氧化成硝酸鹽氮需要氨氧化與亞硝化耦合，需要在前處理階段將一半氨氮氧化為亞硝，需氧量減少，所需能耗減少 60%，運(yùn)行成本降低[12]。與反硝化要外加碳源[13]，節(jié)省了操作成本和 CO2的產(chǎn)量。Jetten[11]指出，將會(huì)使運(yùn)行成本降低 90%。Van Dongen[14]的研究表明，厭氧氨氧濟(jì)的工藝。因而，對(duì)于常規(guī)污水處理廠的氮去除率說(shuō)，厭氧氨氧、節(jié)能、對(duì)環(huán)境友好的脫氮技術(shù)。

ANAMMOX菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖

11圖 1-3 基于 16 rRNA 隸屬于浮霉菌門(mén)的五種厭氧氨氧化菌系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)圖[54]gure 1-3 Phylogenetic tree of the phylum Planctomycetes based on the 16S rRNA gene of the anammox families within the anaerobic ammonium oxidizing bacteria genera于 16 S rRNA 系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)分析，厭氧氨氧化細(xì)菌位于單系群，序列相似性在 之間�；趨捬醢毖趸�(xì)菌的生態(tài)環(huán)境和棲息地，可將其分為 5 類(lèi)，即 Broca，Scalindua，Kuenenia，Anammoxoglobus，實(shí)驗(yàn)室條件下不可純培養(yǎng)[56]。截 1 月，尚未成功分離出厭氧氨氧化菌[57]。ANAMMOX 存在于各種氧不充足利用硝態(tài)氮[59]的人工或自然系統(tǒng)中，如廢水處理系統(tǒng)[36, 40, 60, 61]，海洋生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)[63, 64]，陸地生態(tài)系統(tǒng)[65]，甚至海冰地區(qū)[59]。Scalindua 主要出現(xiàn)在中[63]。 Brocadia 和 Kuenenia 主要出現(xiàn)在廢水處理及大規(guī)模的 ANAMMOX 反。有趣的是，在分批培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)了隨著丙酸鹽濃度增加的 Candidatusoxoglobus propionicus[50]。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 何巖;趙由才;周恭明;;高濃度氨氮廢水脫氮技術(shù)研究進(jìn)展[J];工業(yè)水處理;2008年01期

2 操衛(wèi)平,馮玉軍,李正山,李自樹(shù);高氮低碳廢水生物脫氮研究進(jìn)展[J];化工環(huán)保;2004年04期

3 ;Effect of inorganic carbon on anaerobic ammonium oxidation enriched in sequencing batch reactor[J];Journal of Environmental Sciences;2008年08期

4 張學(xué)松;;環(huán)境教育:為了孩子的未來(lái)[J];環(huán)境;2007年02期

5 劉海春,沈東升,龍焰;城市生活垃圾填埋場(chǎng)滲濾液生物脫氮新技術(shù)研究進(jìn)展[J];中國(guó)沼氣;2004年04期

6 唐崇儉;鄭平;MAHMOOD Q;陳建偉;;Effect of substrate concentration on stability of anammox biofilm reactors[J];Journal of Central South University of Technology;2010年01期

本文編號(hào)：2866052