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SBR工艺好氧颗粒活性污泥的分子生态学研究

张铭川  
【摘要】: 好氧颗粒污泥是人们广泛关注的一个热点研究课题。但目前国内外研究大多着重于好氧颗粒污泥的培养和动力学研究,对好氧颗粒污泥形成的关键条件和污泥代谢活性还不甚明确,形成机理也有待进一步研究加以说明。本论文采用序批式生物反应器(SBR)系统,采用四阶段运行控制方式,探讨好氧颗粒污泥的关键培养技术及好氧颗粒污泥的脱氮能力,同时利用分子生物学手段FISH法分析好氧颗粒污泥的性能和形成机理。得到的主要研究结果如下: 试验经过120天的连续培养得到粒径在1mm左右的好氧颗粒污泥。其SVI在20—40ml/g之间,沉降速率为60m/h,絮凝聚集性能好,ZETA电位在-10—-12mV之间。颗粒污泥在进水COD为500—1500mg/L时,出水COD仅为20—50mg/L,对有机物的去除率可达95%。通过电镜观察及元素分析,好氧颗粒污泥所含的有机组分较高,约占总元素比例的98%以上,且表层活性要高于内层活性。试验培养成功的好氧颗粒污泥进过200天的后续试验运行,粒径增大到1—3mm,形态和结构依然保持稳定。 试验利用初运行阶段,运行负荷调控阶段,减负荷运行阶段和稳定阶段的四阶段运行控制方式可有效地培养好氧颗粒污泥。通过分析可以得到颗粒污泥的形成机理假说:经过启动初期和运行负荷调控阶段,反应器内沉降性能好的球、杆状细菌成为污泥的优势菌种。之后通过减负荷阶段,使得细菌表面的吉布斯能降低,这些沉降性能好的细菌聚集成小球,成为好氧颗粒污泥形成的内核。在稳定阶段,降低反应器系统的选择压力,促进细菌的稳定增长和颗粒的形成,使得细菌和丝状菌在内核表面大量繁殖,颗粒污泥不断长大,并最终形成了由细菌和丝状菌包裹的性能良好的好氧颗粒污泥。 采用投加无机碳源,降低溶解氧,控制pH值和改良的四阶段运行控制等方法,可以培养出强化脱氮的好氧颗粒污泥。在反应器内刚形成好氧颗粒污泥时,即采用减负荷运行可以更快的培养出脱氮效果良好的好氧颗粒污泥,但污泥的粒径相对较小。好氧颗粒污泥在进水氨氮浓度依次为40、60和100mg/L时,出水氨氮基本保持在4mg/L以下,总氮去除率分别为85%、90%和80%。随着进水氨氮负荷的提高,出水硝氮逐步减少,亚硝氮增加,并在进水氨氮浓度超过80mg/L时出现亚硝氮积累,出水达到15mg/L以上。 利用荧光原位杂交技术(FISH)分析好氧颗粒污泥的细菌和脱氮菌,结果表明,好氧颗粒污泥比普通活性污泥有更高的细菌密度,且分布更为均一。氨氧化菌(AOB)和硝化菌(NOB)则分别生长在颗粒污泥的表层和次表层。这是因为虽然NOB与AOB均为好氧菌,但NOB的生长不但需要溶解氧,同时还需要亚硝氮,因而受到了AOB生长的牵制,倾向于生长在颗粒污泥的内层。 由于硝化细菌主要生长在颗粒污泥的表层,所以在负荷冲击下,易受外界条件影响,从而导致出水水质和硝化菌群群落结构的变化。反硝化菌主要分布在好氧颗粒污泥内部的缺氧和厌氧区域。在较高进水负荷条件下反硝化菌可以生长到颗粒污泥的更外层,这使得颗粒污泥在好氧条件下进行反硝化成为可能。


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