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《大连理工大学》 2007年
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膜曝气生物膜反应器单级自养脱氮研究

宫正  
【摘要】: 由于氮素化合物能够造成水体的富营养化,污水脱氮成为目前水处理领域的重要问题。然而传统生物脱氮工艺普遍存在工艺流程长,占地面积大,运行成本高等缺点。最近,一种极具应用前景的新型单级自养脱氮技术被开发出来。该工艺在单一反应器内组合短程硝化和厌氧氨氧化反应,与传统生物脱氮工艺相比大大降低了运行成本。 本实验实验以包裹无纺布的多微孔炭管作为生物膜载体和供氧装置的膜曝气生物膜反应器运行基于短程硝化-厌氧氨氧化的单级自养脱氮工艺。启动反应器采用先培养驯化好氧氨氧化污泥,随后再次接种成熟厌氧氨氧化污泥的方式。首先接种普通硝化污泥启动反应器,通过对膜内腔压力的适当控制逐步降低反应器溶解氧浓度,实现亚硝酸盐的积累。然后再次接种取自升流式无纺布固定床反应器富集培养的厌氧氨氧化污泥,使无纺布上形成好氧氨氧化菌与厌氧氨氧化菌稳定共存的膜曝气生物膜,从而实现单级自养生物脱氮。研究取得的主要结果如下: (1)采用升流式无纺布固定床生物膜反应器可以对ANAMMOX菌接种物进行有效的富集培养。经过101 d的连续富集培养,反应器内污泥浓度由起始的470 mg L~(-1)培养至3118.4 mg L~(-1)。在稳定运行阶段,反应器平均进水TN负荷分别为818.3 mg L~(-1),在进水NH_4~+-N浓度为200-250 mg L~(-1)时,TN去除率达到最大值63.8%。对培养的厌氧氨氧化污泥进行扫描电镜观察显示,污泥中大部分为球状细菌,并且聚集成类似花椰菜状的聚集体。 (2)利用PCR、克隆、荧光原位杂交和实时荧光PCR等微生物分子生态学实验技术对实验室富集培养的ANAMMOX污泥中主要的功能性菌群进行研究。克隆结果显示,富集培养的ANAMMOX污泥中含有两类细菌,其中一种的16S rDNA基因序列与已经报道的ANAMMOX细菌KSU-1(Genbank ID:AB057453.1)的基因序列十分相似,相似性>98%;另一种的16S rDNA序列与已经报道的ANAMMOX细菌Uncultured Planctomycetes bacterium gene for 16S rRNA(Genbank ID:AB176696.1)的基因序列最相近,相似性达到100%。用特异性探针PLA46对ANAMMOX污泥进行荧光原位杂交分析,结果显示,Planctomycetes类ANAMMOX细菌是实验室培养的ANAMMOX污泥中的主要功能性细菌。实时荧光定量PCR结果表明,1μl样品DNA模板中含有6.32×104~个真细菌的基因拷贝,含有1.58×10~4个Planctomycetes细菌的基因拷贝,Planctomycetes细菌占全部细菌的45%-60%。 (3)实验中,采用包裹无纺布的多微孔炭管为膜组件的MABR成功的运行了基于短程硝化-厌氧氨氧化的单级自养脱氮工艺。在TN容积负荷为960 mg L~(-1)d~(-1),HRT为6 h,曝气膜内腔压力为0.015 Mpa,反应器温度35℃,pH值为7.8的条件下,容积总氮去除率可以达到0.766 kg N m~(-3) d~(-1)。 (4)膜曝气生物膜的批式实验结果显示,好氧氨氧化反应主要发生在靠近曝气膜壁侧的生物膜内,厌氧氨氧化反应主要发生在靠近水体侧的生物膜内。 (5)用特异性探针EUB338 plus,NSO190,AMX820和PLA46对膜曝气生物膜进行荧光原位杂交,结果显示,膜曝气生物膜内存在明显的分层现象,生物膜内结合探针NSO190的好氧氨氧化菌主要分布在生物膜内靠近曝气膜/生物膜交界面的好氧区域,而结合探针AMX820和PLA46的ANAMMOX菌则主要分布在生物膜内靠近水体侧的缺氧或厌氧区域。这种以好氧氨氧化菌为主体的好氧层和以ANAMMOX菌为主体的厌氧层共同存在的生物膜分层结构,使两个微生物群落间在合作共生、代谢平衡,从而实现单级自养生物脱氮。 (6)利用特异性引物的巢式PCR(Nested-PCR)和DGGE对不同运行阶段的膜曝气生物膜上的氨氧化菌群结构进行研究。结果表明,氨氧化菌群的DGGE条带在不同时期形状不同,揭示氨氧化菌群结构随着反应器溶解氧浓度的逐渐降低而发生变化。在稳定运行单级自养脱氮工艺的MABR系统中,膜曝气生物膜内氨氧化菌群的种类不是很丰富,第101 d的生物膜样品的DGGE共含有三个明显的条带。切胶后测序显示,三个条带所代表的细菌和已报道的Nitrosomonas菌属的基因序列具有极高的相似性(>99%);另一方面,巢式PCR(Nested-PCR)和DGGE对不同运行阶段的膜曝气生物膜上的ANAMMOX菌群结构进行研究显示,氨氧化菌群的DGGE条带在不同时期形状相似,揭示ANAMMOX菌群结构随反应器运行变化不大。在第101 d的生物膜样品的DGGE共含有两个明显的条带,它们所代表的细菌和已报道的Planctomycetes状菌的基因序列具有极高的相似性(>97%1。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:X703

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