厭氧氨氧化工藝運行性能及微生物特性研究.pdf

1、隨著經濟的快速發(fā)展，廢水排放量不斷增加，其中，許多工業(yè)廢水、農業(yè)廢水和生活污水中均有含氮污染物。氮素污染已嚴重威脅到人類的生存環(huán)境和身心健康，氮素污染的治理迫在眉睫。在眾多廢水脫氮工藝中，厭氧氨氧化(anaerobicammonium oxidation，ANAMMOX)工藝以其經濟高效受到了環(huán)境工程界的廣泛關注，但厭氧氨氧化菌（anaerobic ammonium oxidizing bacteria, AAOB）生長緩慢，嚴重制約了

2、ANAMMOX工藝的工程應用。本課題以不同濃度的廢水作為處理對象，考察了ANAMMOX-EGSB(expanded granular sludge bed)反應器的運行性能;從ANAMMOX富集培養(yǎng)物（以下簡稱“富集培養(yǎng)物”）的菌群組成和生長代謝切入，揭示了AAOB及其伴生菌的工作機制。主要研究結果如下:
　　 (1)考察了高、低基質濃度下ANAMMOX-EGSB反應器的運行性能。
　　 ①考察了高基質濃度下ANAMMO

3、X-EGSB反應器的運行性能。ANAMMOX-EGSB反應器適合處理高濃度含氨廢水。當進水總氮濃度為1429.1mgN/L時，反應器容積負荷可達22.87 kgN/(m3·d)，容積去除負荷可達18.65kgN/(m3·d)，且容積去除負荷仍呈上升趨勢，反應器運行性能良好。反應器內富集培養(yǎng)物具有很高的比轉化速率，對氨氮、亞硝氮、總氮的理論轉化速率分別為381.2、304.7、731.7 mgN/(gVSS·d);富集培養(yǎng)物具有很高的基質

4、親和力和很強的基質耐受性，對氨氮、亞硝氮、總氮的半飽和常數(shù)分別為36.75、0.657、29.26mgN/L，抑制常數(shù)分別為887.1、13942.1、1779.6 mgN/L。
　　 ②考察了低基質濃度下ANAMMOX-EGSB反應器的運行性能。ANAMMOX-EGSB反應器具有優(yōu)良的達標性能。在出水達標(15 mg/L)的情況下，反應器容積負荷為27.31 kgN/(m3·d)，容積去除負荷為25.86 kgN/(m3·d)

5、，總氮轉化率為94.68％。富集培養(yǎng)物具有很高的比轉化速率，對氨氮、亞硝氮、總氮的最大比轉化速率分別為907.13、841.76、1810.10 mgN/(gVSS·d);富集培養(yǎng)物具有很高的基質親和力，對氨氮、亞硝氮、總氮的半飽和常數(shù)分別為2.69、0.44、3.11 mgN/L，基質親和力顯著高于同類研究報道值。
　　 (2)揭示了ANAMMOX富集培養(yǎng)物的微生物特性。
　　 ①探明了不同容積負荷下ANAMMOX富集

6、培養(yǎng)物的生長-代謝性能。研究發(fā)現(xiàn)，在富集培養(yǎng)物連續(xù)培養(yǎng)過程中，隨著容積負荷的提高，富集培養(yǎng)物依次呈現(xiàn)饑餓、適宜和中毒狀態(tài)。在饑餓、適宜和中毒期，生物量[以VSS(volatilesuspended solid，揮發(fā)性懸浮固體)表征]的變化速率分別為-6.1×10-3gVSS/(gVSS·d)、1.45×10-2 gVSS/(gVSS·d)和-5.78×10-2 gVSS/(gVSS·d);用于提供維持能的基質消耗速率為0.05 kgNH

7、4+-N/(kgVSS·d)、0.07 kgNO2--N/(kgVSS·d)、0.12 kgN/(kgVSS·d);用于支持最大生長速率的基質消耗速率為0.21kgNH4+-N/(kgVSS·d)、0.24 kgNO2--N/(kgVSS·d)、0.45 kgN/(kgVSS·d)。在不同時期富集培養(yǎng)物的比氨氮轉化活性、比亞硝氮轉化活性、比氮轉化活性分別為:饑餓期—0.03、0.04、0.07 kgN/(kgVSS·d);適宜期—0.2

8、2、0.23、0.45 kgN/(kgVSS· d);中毒期—0.08、0.10、0.18 kgN/(kgVSS·d)。研究發(fā)現(xiàn)，在適宜期，富集培養(yǎng)物的VSS增長速率與氨氮、亞硝氮、總氮消耗速率以及硝氮生成速率都呈線性相關，相關系數(shù)分別為0.94、0.92、0.93、0.90。富集培養(yǎng)物得率為0.14 gVSS/(gNH4+-N)，O.12 gVSS/(gNO2--N)，0.70 gVSS/(gNO3--N)。胞外多聚物(extrace

9、llular polymericsubstances,EPS)得率為0.11 gEPS/(gNH4+-N);0.09 gEPS/(gNO2--N);0.55 gEPS/(gNO3--N)。
　　 ②揭示了高基質濃度對ANAMMOX富集培養(yǎng)物顆?；挠绊憽０钡?、亞硝氮均為AAOB的基質，但超過一定濃度，氨氮、亞硝氮也會對AAOB產生抑制作用。高基質濃度（超過抑制濃度）會引起富集培養(yǎng)物（顆粒污泥）解體，其中以高濃度亞硝氮的抑制作用更

10、大，對AAOB的抑制濃度閾為100 mgN/L。顆粒污泥解體導致沉降性能變差，沉降速度由73.73 m/h降低至16.49 m/h，污泥被洗出反應器，最終引起反應器性能下降，反應器容積去除率由21.81 kgN/(m3·d)降低至16.97 kgN/(m3·d)。通過洗出反應器中剩余基質并重新從低濃度開始運行反應器，富集培養(yǎng)物可重新形成顆粒污泥，沉降速度重新升高至60.59 m/h，反應器容積總氮去除率也恢復至22.51 kgN/(m3

11、·d)，反應器性能得到恢復。
　　 ③研究了高濃度低流量及高流量低濃度兩種不同運行模式下兩種富集培養(yǎng)物的菌群組成。研究發(fā)現(xiàn)，高濃度低流量(R1)及高流量低濃度(R2)兩種不同運行模式下富集培養(yǎng)物的菌群組成各不相同。R1中富集培養(yǎng)物顏色偏白略帶紅色，內部菌體形態(tài)多樣，微生物以球菌、絲狀菌和桿菌為主，菌體細胞內含物形狀多樣且不規(guī)則;R2中富集培養(yǎng)物顏色鮮紅，內部菌體形態(tài)相對統(tǒng)一，以球菌和桿菌為主，甚少觀察到絲狀菌，菌體細胞內含物形態(tài)

12、相對一致但也不規(guī)則;運用PCR-DGGE手段分析表明，兩種富集培養(yǎng)物的特征性條帶差異顯著，R2中富集培養(yǎng)物的條帶明顯多于R1中富集培養(yǎng)物的條帶，即R2富集培養(yǎng)物中的微生物種群更豐富。兩種富集培養(yǎng)物中的微生物數(shù)量差異顯著。采用定量PCR對富集培養(yǎng)物中的細菌及AAOB進行定量分析，結果表明富集培養(yǎng)物（R2）中的細菌基因拷貝數(shù)與AAOB hzs基因拷貝數(shù)均大于富集培養(yǎng)物(R1)中的細菌基因拷貝數(shù)與AAOB hzs基因拷貝數(shù)，但是富集培養(yǎng)物(R

13、1)中AAOB所占總細菌的比例（61.10±6.5％）高于富集培養(yǎng)物（R2）中AAOB所占的比例（34.27±3.7％）。從FISH結果可知，在兩種富集培養(yǎng)物的所有AAOB中，Candidatus Kueneniastuttgartiensis，Candidatus Brocadia anammoxidans為優(yōu)勢種。
　　 ④分離研究了ANAMMOX富集培養(yǎng)物中的伴生菌。從富集培養(yǎng)物中分離獲得了菌株ZU-H、ZU-I，經形態(tài)觀

14、察、生理生化試驗、(G+C)％(mol/mol)含量測定和16S rRNA系統(tǒng)發(fā)育分析，兩者均歸入Proteobacteria門、Burkholderiales目、Alcaligenaceae科，Castellaniella屬，ZU-H與Castellaniella defragrans進化距離最近，ZU-I與Castellaniella denitrificans進化距離最近。試驗證明，ZU-I具有顯著的反硝化活性，無ANAMMOX活

15、性。在反硝化培養(yǎng)基中，菌株ZU-I的反硝化速率為3.94×10-2 mgC/(mg protein·h)和1.08×10-2 mgN/(mg protein·h)，反硝化消耗的COD/N為5.47∶1。作為伴生菌，菌株ZU-I能形成莢膜，有助于ANAMMOX團聚體（如:顆粒污泥、生物膜）的形成。菌株ZU-I革蘭氏陰性，異養(yǎng)菌，兼性厭氧，具有豐富的基質多樣性。以分子生物學技術檢測發(fā)現(xiàn)分離源中包含Burkholderiales目細菌，即菌株