厌氧氨氧化混培物包埋固定化特性的研究

【摘要】： 厌氧氨氧化微生物只在高细胞浓度下才具有活性,生长缓慢且较难培养。如何获得足够的生物量并使之保持在反应器中不流失,便成为ANAMMOX应用的技术瓶颈之所在。微生物包埋固定后,可以防止微生物流失,增加其局部浓度,进而实现反应器快速启动并提高活性和耐冲击性。目前,国内外对固定化条件下的厌氧氨氧化缺乏系统的研究报道,鉴于固定化技术对于解决厌氧氨氧化生物量维持的可行性,有必要对固定化厌氧氨氧化工艺进行深入的研究。 为此,本研究在富集厌氧氨氧化污泥的基础上,筛选了最佳固定化载体,优化了最佳固定化条件,并且探明了固定化小球的理化性质,明确了环境条件对固定化厌氧氨氧化的影响及其生物学特性。同时采用ASBR反应器,实现了厌氧氨氧化反应器的快速启动,探讨了固定化厌氧氨氧化工艺的耐冲击性能和有机环境下的运行特性。 首先采用ASBR作为反应器,以好氧硝化污泥为种泥,成功启动厌氧氨氧化反应器,达到了富集厌氧氨氧化混培物的目的。反应器运行到60d时,反应器内总氮负荷已经达到0.47 kg/m~3.d,此时氨氮和亚硝酸氮的去除率都已达到80%,反应器已经表现出良好的厌氧氨氧化性能,经过126d的培养,反应器稳定运行在厌氧氨氧化状态时,反应器的总氮容积负荷(以N计)最高可达到0.53 kg/m~3.d,总氮去除率平均为83%。利用扫描电镜和透射电镜观察显示有典型厌氧氨氧化菌形态的细菌存在。 研究采用包埋法固定化微生物的方法,选择四种材料(海藻酸钠SA、聚乙烯醇PVA、羧甲基纤维素钠CMC、聚乙烯醇与海藻酸钠混合液PVA-SA)作为固定化载体,通过对不同载体的固定化操作、固定化小球的厌氧氨氧化活性、理化性质,包埋材料成本等因素的分析比较,选择出PVA-SA作为固定化包埋材料,制作出了PVA-SA固定化厌氧氨氧化小球,并优化了固定化条件。 对PVA-SA固定化厌氧氨氧化小球的理化性质的分析测定表明,PVA-SA固定化厌氧氨氧化小球有良好的机械强度与表面特性,有较好的扩散性能。通过扫描电镜、透射电镜观察,直观描述了小球的构造和表面特性。HRT影响实验得出,固定化厌氧氨氧化反应受到HRT的影响明显大,应不短于24h才能维持反应器内部厌氧氨氧化性能。温度在25~40℃范围内,进水pH6~8之间时,固定化厌氧氨氧化反应器基本能保持高效稳定的运行,固定化之后,厌氧氨氧化微生物对温度和pH的耐受范围有所扩大。 采用特异性引物成功从固定化小球内微生物总DNA中扩增出厌氧氨氧化特异性16SrDNA,证明了厌氧氨氧化微生物在固定化小球内部事实存在,测序结果固定化小球内部厌氧氨氧化微生物(EU661861)属于Planctomycetales属,其16SrDNA序列与其它的已发现的厌氧氨氧化菌差异较大,基本可以断定实验中起厌氧氨氧化作用的优势种群是一种尚未报道的的新型厌氧氨氧化菌。实验证明厌氧氨氧化的反应速率与生物量的增长呈直线关系。利用细菌的比生长速率(μ)与比基质利用速率( U)之间的关系,可以求得固定化厌氧氨氧化生物产率系数(Y)=0.0645mgVS (mgNH_4~+)~(-1);细胞衰减常数(b)=0. 0452mgVS(gVS·d)~(-1) ,其数学表达式为μ= 0.0645U - 0.0452(r2=0.9641)。 采用ASBR反应器和固定化厌氧氨氧化小球,实现了厌氧氨氧化反应器的快速启动,总氮容积负荷从0.355 kgN/m~(-3)d~(-1)提高到0.63 kgN/m~(-3)d~(-1),氨氮与亚硝氮去除率始终维持在90%左右,具有高稳定性。基质浓度对厌氧氨氧化反应的影响主要体现在亚硝氮浓度,反应器在受到2倍和3倍进水基质负荷的冲击后,能够在5-8天恢复性能。进水pH冲击实验证明固定化厌氧氨氧化反应器具备更高的抗碱性冲击性能,而酸性冲击对其影响甚大。在以有机物进水运行期间,有机物严重的影响了厌氧氨氧化反应的性能,但反应器可以较快的恢复性能。研究结果充分证明的固定化厌氧氨氧化工艺的可行性和有效性,具有良好的应用前景。研究丰富了厌氧氨氧化研究内容,为基于固定化技术的厌氧氨氧化工艺开发奠定了理论基础。