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长波紫外辐照实现城市污水短程硝化的研究

苏一魁  
【摘要】:短程硝化作为一种新型污水生物脱氮技术,其相较于传统的全程硝化具有节省25%的曝气能耗、减少40%的反硝化碳源、降低污泥产量等优点,进一步还可以与厌氧氨氧化工艺(Anammox)耦连,实现全过程自养脱氮,是目前最经济有效的污水脱氮工艺,应用前景广阔。但实现短程硝化的控制条件极为苛刻,特别在城市生活污水中几乎很难达到短程硝化所需要的条件。因此找到一种能快速启动短程硝化并稳定运行的方法尤为重要。本研究首次提出利用长波紫外线(UVA)照射污泥选择性抑制硝化细菌(NOB)生长,实现城市污水短程硝化的控制策略。并以模拟城市污水为处理对象,采用序批式反应器(SBR),探究了UVA辅助实现城市污水短程硝化的可行性。最后采用分子生物学手段对微生物群落结构及功能菌群进行了分析,探讨了UVA抑制实现短程硝化的机理。主要研究结果如下:(1)在不同强度的UVA照射下均能成功启动短程硝化,随着辐照强度增大,启动时间逐渐缩短。辐照强度I=0.87μE/L·s时启动时间为30 d,I=1.67μE/L·s时仅需4 d就完成了短程硝化的启动。但过高的辐照强度会导致AOB活性受到抑制,降低脱氮效果影响短程硝化系统的长期稳定运行。综合考虑各方面因素,最终选择I=0.87μE/L·s作为最佳的UVA强度。(2)UVA短程硝化反应器具有较强的抵抗DO波动的能力,在DO=0.3~2 mg/L时均能维持良好的短程硝化效果。在曝气阶段前加入厌氧搅拌阶段,通过反硝化作用去除上个周期残留下的NO_2~--N,能进一步提升亚硝氮积累率。(3)UVA短程硝化反应器在15~25℃时均能能保持良好的短程硝化效果,亚硝氮积累率在90%以上。但当温度降低至15℃时短程硝化效果变差,此时可采取降低DO至0.3~0.5 mg/L的方法使短程硝化效果逐渐恢复。(4)高通量测序和荧光定量PCR分析结果显示,反应器内参与亚硝化作用的功能菌(AOB)属于变形菌门的亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas),参与硝化作用的功能菌(NOB)属于硝化螺旋菌门的硝化螺旋菌属(Nitrospira)。UVA短程硝化反应器中的NOB得到有效抑制,数量极低,是反应器保持较高亚硝氮积累率的主要原因。(5)UVA抑制实现短程硝化的机理为:UVA辐照会提高细胞内ROS浓度产生氧化应激效应破坏细胞成分,导致细胞死亡。而AOB可能具有独特的应对氧化应激的防御机制,使其在UVA胁迫下能够降低胞内ROS浓度,防止细胞结构受损,而NOB则没有这种能力。这导致在反应器长期运行中NOB被不断的淘汰,仅留下AOB最终实现短程硝化。综上所述,UVA-短程硝化技术拥有启动耗时短,运行效果稳定且不引入其他杂质等优点,为短程硝化技术在污水处理中的应用提供了一种崭新的思路。


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