分散式生活污水多级生物膜处理工艺及菌群特性研究

【摘要】： 集中式城镇污水处理系统在改善水环境质量方面一直起着主导性作用,但集中式城镇污水处理系统存在投资及运行成本高昂等缺欠。近些年,中国在大规模进行集中式城镇污水系统建设,但中国水环境并没有因此而得到明显改善,水环境污染及水问题层出不穷,可见,中国的水环境问题并不是仅靠集中式城镇污水系统所能解决的。 在今天的中国,分散式生活污水处理及小规模生活污水处理技术逐渐受到人们关注,目前适于小规模生活污水处理的高效低耗污水处理工艺及技术亟待开发,本研究正是基于此背景,开发了基于“反粒度生物膜过滤”理念为基础,以轻质悬浮填料为主要生物载体的多级生物膜过滤反应器(Multi-stage Bio-film Reactors,下简称MSBFR),提出了“预氧生物粗滤”概念及技术路线,并开发了高效低耗的生活污水处理多级生物膜处理工艺。在此基础上,采用MSBFR进行了处理实际生活污水的连续流试验,开展了系统试验研究。研究内容涉及MSBFR工艺流态特性,运行稳定性、处理效能及影响因子,工艺运行模式及工艺调整对强化处理效能的影响,并利用现代分子生物学技术PCR-DGGE与FISH联用技术从分子生物学层面对多级生物膜工艺菌群结构进行了微观解析,系统探讨了MSBFR运行效能与菌群结构演替之间的关联特性。 首先研究了MSBFR的水力学混合特性,研究表明,MSBFR沿程各级反应器流态总体呈推流式反应器特性。在此基础上,进行了MSBFR处理生活污水运行特性研究,研究显示,在进水水质波动较大的情况下,预氧生物粗滤技术可以有效削减进水SS及COD,组合工艺对COD、BOD5、NH_4~+-N、SS具有高效而又稳定的去除能力,MSBFR具有较强的抗冲击特性。 系统研究了工艺条件及环境因子的变化对MSBFR处理效能的影响规律:研究了水温、进水浓度、容积负荷、水力负荷、气水比等因子对COD、SS、NH_4~+-N去除性能的影响。研究表明,水温、水力负荷、进水NH_4~+-N浓度及其容积负荷、COD容积负荷对MSBFR硝化性能具有显著性影响,当滤速低于1.0 m/h时,出水NH_4~+-N接近于完全硝化;当系统进水负荷低于0.85kg NH_4~+-N/(m~3·d),系统总出水氨氮能稳定低于2mg/L。当COD负荷低于3.0 kgCOD/(m~3·d)时,MSBFR出水NH_4~+-N去除率能保持在95%以上;另外,气水比也是硝化性能的关键影响因子。 分别研究了DO及C/N比对同步硝化反硝化(SND)影响,研究表明DO对SND具有显著影响,最高的SND效能发生在DO=1.5 mg/L时,此时TN去除率最高可达67.5%;C/N比也是影响SND的关键因子,当C/N比为4时,系统通过SND作用实现TN去除率达到最高。分别研究了DO及FA(自由氨)对MSBFR短程硝化反硝化影响,研究表明DO是短程硝化的关键影响因子;FA对MSBFR系统短程硝化过程有明显影响,但通过FA控制生物膜工艺短程硝化,不如DO控制稳定。 MSBFR工艺采用前置反硝化模式运行可以改善其运行性能。回流比R在100%~300%范围内,出水水质都能持续稳定低于50 mg/L;回流比R对TN去除率影响较大,当回流比R=200%时,系统对TN的去除效率达到最高,出水TN能持续稳定低于15 mg/L。前置反硝化模式下COD/TN比对反硝化性能影响很大,COD/TN比在4.0~7.0之间时,系统对TN去除率处于较高的水平;DO浓度高低对TN去除效率具有一定影响。 在系统内嫁接腐殖土反应器用于土壤微生物的富集培养,可以明显提高系统除臭效果。FISH检测表明,嫁接腐殖土工艺后,污泥种群结构发生了变化,主要是β-Proteobacteria数量明显高于对比系统,PCR-DGGE分析也表明引入腐殖土复合基质致使菌群结构发生了定向演替。 利用现代分子生物学PCR-DGGE与FISH联用技术,系统研究了MSBFR系统处理效能与菌群结构演替的关联特性。对不同时期好氧反应器生物膜进行了PCR-DGGE分析,表明运行稳定期微生物菌群具有丰富的多样性。FISH分析表明,在好氧反应器沿水流方向不同高度上,EUB338占DAPI总菌的比例约由平均58.4%逐渐降低到31.5%;随着污水中有机物浓度的逐步降低,沿流程氨氧化菌(AOB)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)的数量呈快速上升趋势,在高峰处AOB占DAPI总菌的比例约7.9%,NOB约占DAPI总菌的比例约4.5%。另外,还研究了进水水质条件对生物膜反应器菌群结构的影响规律,FISH检测表明,进水COD/NH_4~+-N对菌群结构及空间分布有显著影响。