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异养型同步硝化反硝化脱氮技术及微生物特性研究

苏俊峰  
【摘要】: 随着水体富营养化的日益严重,去除水中氮素污染已经成为当今水污染防治领域的一个热点问题。传统生物脱氮由于作用于各脱氮步骤中的不同菌群对于营养及溶解氧的要求各异,造成了生物脱氮工艺复杂,极大地限制了生物脱氮在实际工程中的应用。近年来,一些新型的脱氮菌的发现和新工艺的开发,为生物脱氮提供了新的思路。本文对异养型同步硝化反硝化进行了基础研究。 将传统分离方法与现代分子生物学手段相结合,建立了一种新的异养硝化细菌的分离筛选方法,使分离出的菌株具有更广的适应性。生物陶粒反应器运行过程中逐阶段减少进水中的有机碳源浓度,第15~21d的氨氮的平均去除率为64.38%。DGGE测序结果表明,在反应器运行第21d的优势种群除了自养细菌,还有异养菌的存在。采用从生物陶粒反应器中分离出的自养硝化细菌和异养硝化细菌建立SBR反应器进行了氨氮去除的试验研究,第22~31天的氨氮的平均去除率为59.8%。PCR-DGGE图谱分析表明,种群演替进程缓慢结构组成逐渐趋于稳定。菌株能利用亚硝酸盐进行生长繁殖的菌株SHY5成为整个反应器的优势菌群。 从生物陶粒反应器和活性污泥中筛选出6株异养硝化细菌,采用乙酸钠-氯化铵培养基培养细菌进行硝化特性研究,经过12d好氧培养,6株异养硝化细菌对COD的去除率在45%以上,总氮和氨氮最终去除率在60%以上,并且具有产生NO2-N的硝化性能。经过生理生化鉴定和16SDNA测序,可基本确定分离的菌株wgy5、wgy55和wgy68为Pseudomonas.sp。菌株wgy21、wgy33和wgy36为Acinetobacter.sp。同时对影响菌株硝化效率的生态因子进行了探讨,3株菌wgy5、wgy21和wgy33在温度为30℃时异养硝化细菌的氨氮去除率最高,其硝化最适宜的pH值为偏碱(pH 8左右)。在C/N小于12的情况下,氨氮去除率随着C/N比的增加而快速增长。将6株异养硝化细菌扩大培养后建立SBR反应器进行了氨氮去除的试验研究。在SBR反应器进入稳定运行阶段时,可以观察到系统对于氨氮的去除率稳定在82.96%左右。对温度、pH值和C/N比等影响SBR反应器异养硝化效能的生态因子进行了分析。结果表明,异养硝化SBR反应器在温度为29℃时,反应器对氨氮和总氮的去除能力最大为82.28%和47.27%。在pH值为8.0时的氨氮去除率最高达到80.15%,当C/N4.5时,随着C/N比的增加,在C/N为9时总氮的去除率最高达到52.84%。PCR-DGGE图谱分析表明,3株筛选的异养硝化细菌wgy5、wgy21和wgy68成为SBR反应器的优势菌群。 采用污泥驯化→细菌分离纯化→初筛(测TN)→复筛(氮元素轨迹跟踪测定法)的方法获得5株高效好氧反硝化菌。5株菌在完全好氧的条件下可高效地将NO3-N反硝化为N2,并只产生少量的NO2-N累积,反硝化过程或氮气生成过程都发生在对数生长期,其培养特征为ORP降低和反硝化产碱。证实了在5株菌中有周质硝酸盐还原酶的存在。经16SrDNA测序及同源性比较,并结合菌株的形态学和生理学特性,可基本确定分离的菌株f1、f3、f4和f5属于Pseudomonas sp.,f2属于Paracoccus sp.。在丁二酸钠中5株菌的反硝化效果都较好,其对硝酸盐去除率分别为100%、99.98%、99.98%、99.98%和94.91%。当C/N大于4.5时,基本能够进行完全的反硝化。采用筛选的5株好氧反硝化细菌建立连续流反应器。在反应器进入稳定运行阶段时,可以观察到系统对于硝酸盐的去除率稳定在98.16%左右。表现出较好的硝酸盐去除效果,PCR-DGGE图谱表明测序结果显示,2株筛选的反硝化细菌f3和f5成为反应器的优势菌群。 在国内外首次提出异养型同步硝化反硝化工艺,利用异养硝化细菌、好氧反硝化细菌和高效降解生活污水COD的细菌建立SBR反应器,采用先硝化再反硝化的方式运行,两段式异养型活性污泥法同步脱氮反应器在稳定运行阶段,氨氮的平均去除率为92.12%。总氮的平均去除率为74.15%,COD的平均去除率为86.27%。表现出较好的同步脱氮除碳作用。两段式异养型生物膜法同步脱氮反应器在稳定运行阶段,氨氮的平均去除率为91.14%,总氮的平均去除率为79.03%,COD的平均去除率为87.18%。由于生物膜细菌组成复杂,其同步硝化及反硝化效果要好于活性污泥法。通过试验表明异养硝化细菌和好氧反硝化细菌能够在生物同步脱氮中起重要的作用,为微生物学理论解释同步硝化反硝化现象提供了一定的理论依据,对微生物学理论进行了拓展,提出了环境因素微生物假说。


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