高效短程硝化/厌氧氨氧化富集培养物的研究

【摘要】：随着工农业生产的发展和人们生活水平的提高,排放至水体的氮素污染物持续增加,给人类健康与生态安全造成了严重危害。为了治理氮素污染,急需研发经济高效的废水脱氮工艺。短程硝化-厌氧氨氧化工艺是近十多年中成功研发的新型生物脱氮工艺。与传统废水脱氮工艺相比,该工艺具有容积负荷高、能源消耗少、处理成本低等优点,已成为当前废水生物脱氮领域的研究热点。由于氨氧化菌和厌氧氨氧化菌都是化能自养菌,生长缓慢,对环境条件敏感,严重制约了短程硝化-厌氧氨氧化工艺的工程应用。菌种是整个废水生物脱氮工艺的核心,本文研究了几个重要因素对短程硝化富集培养物和厌氧氨氧化富集培养物性能的影响,以期为该工艺的技术突破提供理论依据。主要研究结果如下： 1)研究了缺氧胁迫对短程硝化富集培养物的影响及其作用机理。试验发现：①缺氧胁迫可降低污泥硝化活性；缺氧胁迫时间越长,硝化活性降幅越大；缺氧胁迫对氨氧化的影响大于亚硝酸氧化。缺氧胁迫0h、12h和24h后,氨氧化活性分别为0.894、0.453、0.387 mgN(?)(g MLSS)-1(?)j-1,亚硝酸氧化速率分别为0.761、0.485、0.459 mgN·(g MLSS)-1·h-1。②缺氧胁迫降低污泥抗氧化酶活性,缺氧胁迫时间越长,抗氧化酶活性越低。缺氧胁迫0h、12h和24h后,CAT (Catalase,过氧化氢酶)活性分别为100%、83%和79%, POD (Peroxidase,过氧化物酶)活性分别为100%、90%和76%。③缺氧胁迫削弱硝化细菌的氧毒防御能力,引起硝化活性降低。缺氧胁迫0h、12h和24h后,添加等量过氧化氢,比氨氧化活性分别为0.257、0.227和0.136 mg N(?)(g MLSS)-1(?)h-1。 2)研究了有机物长期存在对短程硝化污泥活性和菌群的影响。试验发现：①短程硝化系统中长期存在有机物,可降低短程硝化污泥的比氨氧化速率,但可提高基质亲和力。②短程硝化系统中长期存在有机物,可降低甚至消除短程硝化污泥的亚硝酸氧化活性。接种硝化污泥(S1)、自养型短程硝化污泥(S2)和混养型短程硝化污泥(S3)之间的亚硝酸氧化速率关系为：S2S1S3。接种硝化污泥S1和自养型硝化污泥S2具有高基质亲和力,可将亚硝酸降至检测限以下；接种硝化污泥S1的耐亚硝氮能力不如自养型硝化污泥S2,亚硝氮浓度高于200 mg·L-1时,接种硝化污泥S1的亚硝酸氧化活性受到抑制,但自养型硝化污泥S2的亚硝酸氧化活性不被抑制；长期采用含氨无机废水运行,增强了自养型硝化污泥S2对亚硝酸的耐受能力。③短程硝化系统中长期存在有机物,可降低短程硝化污泥对亚硝氮的耐受能力。长期采用含氨无机废水运行,即使亚硝酸浓度高达800·mg·L-1,自养型硝化污泥S2的氨氧化速率也不受影响,可满足高氨氮废水短程硝化的要求；长期采用含氨有机废水运行,在亚硝氮浓度为200 mg·L-1和800mg·L-1的条件下,混养型硝化污泥S3的氨氧化速率分别被抑制37.5%和82.6%。④短程硝化系统中长期存在有机物,仍能使短程硝化污泥获得稳定、较高的亚硝酸积累率。在接种硝化污泥S1培养体系中,最大亚硝氮积累率随初始氨氮浓度增加而提高；而在自养型硝化污泥S2和混养型硝化污泥S3培养体系中,最大亚硝氮积累率不随初始氨氮浓度增加而变化,最大亚硝氮积累率稳定在一定范围,平均值分别为63.58％±4.19%和92.17％±2.67%。⑤短程硝化系统中长期存在有机物,可引发短程硝化污泥中优势氨氧化菌种类的分化。在接种硝化污泥S1中,同时含有两种氨氧化菌,而在自养型硝化污泥S2和混养型硝化污泥S3中,则分别只含其中一种氨氧化菌。经鉴定,三种硝化污泥中的优势氨氧化菌都归属于Nitrosomonas。 3)研究了有机物短期存在对厌氧氨氧化富集培养物活性和生长的影响。试验发现：①添加低浓度有机物,可提高氨氮和亚硝酸转化速率,其中柠檬酸和琥珀酸对厌氧氨氧化活性的促进作用最强。与对照相比,受试有机物可使氨氮转化速率提高33.2%-98.8%、可使亚硝酸转化速率提高17.6%-56.8%；其中柠檬酸和琥珀酸可使氨氧化速率提高98.8%和60.5%,可使亚硝酸还原速率提高55.0%和40.6%。②添加琥珀酸、柠檬酸和葡萄糖可优化反应器运行性能、缩短厌氧氨氧化菌倍增时间。在进水中添加琥珀酸、柠檬酸和葡萄糖,厌氧氨氧化反应器所能耐受的最大氨氮浓度、亚硝酸浓度以及总氮去除率均显著高于对照反应器；厌氧氨氧化反应器中厌氧氨氧化菌的倍增时间分别为25.67d、27.39d和32.23d,显著短于对照反应器中厌氧氨氧化菌的倍增时间36.28d。③添加琥珀酸、柠檬酸和葡萄糖,显著改变了厌氧氨氧化反应器中富集培养物的菌群结构。添加有机物后,与Planctomycetes sp.相似性较高的菌群得到富集。 4)研究了羟胺对厌氧氨氧化富集培养物活性和生长的影响。试验发现：①厌氧条件下,厌氧氨氧化富集培养物能够将羟胺转化为联氨,平均转化速率为0.207mmol(?)gVSS-1(?)-1;也能够将联氨转化为氨,平均转化速率为0.031mmol(?)gVSS-1(?)h-1。②厌氧条件下,厌氧氨氧化富集培养物能够将羟胺和亚硝酸同步转化为气体产物,其最大转化速率分别为0.535 mmol(?)gVSS-1(?)h-1和0.145mmol(?)gVSS-1(?)h-1,羟胺转化速率高于厌氧氨氧化速率；在羟胺厌氧转化中可检测到中间产物氨。羟胺与亚硝酸浓度之比从1：1提升至2：1,两种基质转化速率分别提高26.7%和120.7%。以van de Graaf模型为基础提出了新的氮素转化途径,该途径可解释本研究中发生的氮素转化现象。③以氨和亚硝酸为基质时,反应器的容积总氮去除率随基质浓度提高而上升至14.224 kgN·m-3·d-1,两个月内容积总氮去除率增加90%；反应器的污泥产量也随基质浓度提高而上升,当进水中氨浓度为23 mmol(?)L-1时,反应器的每日污泥增长浓度为595 mgVSS(?)L-1.。④羟胺对厌氧氨氧化菌具有慢性毒性。在持续供给羟胺6d后,氨和亚硝酸转化能力下降；持续供给羟胺11d后,羟胺转化能力下降；恢复以低浓度氨和亚硝酸作为基质后,无法恢复反应器的转化功能；持续供给羟胺导致颗粒污泥变成暗红色、胞外多聚物减少、细胞结构破坏。⑤间歇供给羟胺,添加量较少时可使污泥产量提高5.6至1.2倍；羟胺添加量较大时,污泥产量下降。透射电镜观察表明,添加羟胺可显著提高厌氧氨氧化体内的含铁颗粒数量。

【关键词】：生物脱氮 短程硝化 厌氧氨氧化 富集培养物 缺氧胁迫 有机物 羟胺
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：X703
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