低氨氮濃度厭氧氨氧化工藝強(qiáng)化及顆粒污泥菌群特性研究.pdf

1、水體富營(yíng)養(yǎng)化日益嚴(yán)重，對(duì)污水進(jìn)行脫氮處理已成為社會(huì)發(fā)展的必然要求。然而，常規(guī)生物脫氮污水處理行業(yè)具有資本、能源密集型缺點(diǎn)。因此，開(kāi)發(fā)新型經(jīng)濟(jì)高效無(wú)污染的生物脫氮工藝技術(shù)是當(dāng)今污水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。厭氧氨氧化作為一種新型的微生物氮轉(zhuǎn)化途徑，被國(guó)內(nèi)外專家評(píng)價(jià)為節(jié)能無(wú)污染的新型可持續(xù)發(fā)展污水生物處理技術(shù)。國(guó)內(nèi)外對(duì)厭氧氨氧化的研究和工藝應(yīng)用仍局限于高氨氮（>500mg N/L）污水脫氮處理領(lǐng)域，在排放量巨大、處置費(fèi)用高的低氨氮城市污水（<10

2、0mg N/L）中的研究報(bào)道都還比較少。
　　本研究圍繞低氨氮濃度厭氧氨氧化展開(kāi)，以工藝強(qiáng)化及相應(yīng)的顆粒污泥菌群特性為主要研究?jī)?nèi)容，探索厭氧氨氧化過(guò)程在常規(guī)工藝普通城市污水處理系統(tǒng)的脫氮功能及自然規(guī)律特征，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究厭氧氨氧化在低氨氮城市污水處理系統(tǒng)中菌種富集、功能強(qiáng)化和工藝運(yùn)行。同時(shí)，利用MiSeq高通量測(cè)序技術(shù)分析關(guān)鍵顆粒化階段菌群結(jié)構(gòu)演替規(guī)律并比較不同工藝研究中微生物特征差異。本研究結(jié)果將為推動(dòng)低氨氮城市污水低耗

3、高效脫氮新技術(shù)的發(fā)展，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。
　　通過(guò)對(duì)常規(guī)工藝城市污水系統(tǒng)的季節(jié)性取樣研究表明，厭氧氨氧化菌廣泛分布于城市污水處理系統(tǒng)的各級(jí)構(gòu)筑物（但以活性污泥池為主）中，厭氧氨氧化菌豐度為105-107copies/gVSS，速率為0.08-1.20μmol N/(gVSS·h)，對(duì)氨氧化的貢獻(xiàn)率為0.11-16.3％，對(duì)系統(tǒng)年平均脫氮貢獻(xiàn)率為2.1-6.6%（1-194.3t N/yr），且夏季豐度和速率表現(xiàn)均高于冬季。在

4、污水處理系統(tǒng)中的厭氧氨氧化菌生物多樣性很低，Brocadia是主導(dǎo)菌屬，在與硝化微生物的耦合作用中，AOB較AOA有能力提供更多的底物NO2-，而NOB菌種Nitrospira可能是底物NO2-更強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)者；另外，厭氧氨氧化表現(xiàn)主要受微生物群落結(jié)構(gòu)、溫度、S RT、COD等環(huán)境因素的綜合影響，但非關(guān)鍵制約因子，其中，厭氧氨氧化菌hzsB功能基因豐度、速率與脫氮功能兩兩之間呈極正相關(guān)關(guān)系。表明厭氧氨氧化菌具有強(qiáng)魯棒性，使其有能力廣泛分布

5、并作用于污水生物脫氮處理過(guò)程。
　　為了有效提高厭氧氨氧化脫氮功能，本論文將常規(guī)污水處理工藝的剩余污泥以顆粒污泥的形式進(jìn)行培育。結(jié)果表明，經(jīng)200d成功培育以0.5-0.9mm粒徑為主的顆粒污泥（顆粒化程度93.7%）。粒徑階段>0.5mm后，實(shí)現(xiàn)了厭氧氨氧化菌的快速提高，0.5-0.9mm粒徑出現(xiàn)厭氧氨氧化豐度、活性和多樣性的最優(yōu)表現(xiàn)，豐度達(dá)1011copies/g VSS，是種泥的104-5倍，活性也達(dá)自然系統(tǒng)的最高水平；但顆

6、?；咕憾鄻有宰兊?，但均以Brocadia為主。說(shuō)明合理控制顆?；潭?，保證最佳傳質(zhì)效能，才能有效維持厭氧氨氧化的高效表現(xiàn)。另外，豐富的EPS為厭氧氨氧化顆粒污泥形成的關(guān)鍵因素之一，蛋白質(zhì)為所有EPS分層的主要成分，主要為鉻氨酸和色氨酸，占EPS總量的58.9%；絕大部分EPS為TB-EPS，占EPS總量的77.1%。
　　接種已培育成熟厭氧氨氧化顆粒污泥，成功啟動(dòng)處理模擬污水的Amx-UASB連續(xù)流反應(yīng)器和處理實(shí)際污水的Amx

7、-SBR間歇式反應(yīng)裝置。Amx-UASB反應(yīng)器接種污泥發(fā)生解體和發(fā)育，粒徑范圍變?yōu)?-2.5mm，可抗187.2L/d流量負(fù)荷和144L/d波動(dòng)振幅的沖擊；Amx-SBR接種污泥顆粒多數(shù)發(fā)生解體，但經(jīng)顆粒重塑后以0.2-0.9mm粒徑為主；采用實(shí)時(shí)控制策略20d快速實(shí)現(xiàn)短程硝化，NO2-積累率高于90%，但PN-SBR的不穩(wěn)定期導(dǎo)致Amx-SBR中反硝化菌群競(jìng)爭(zhēng)作用增強(qiáng)，穩(wěn)定的短程硝化及適宜的基質(zhì)比進(jìn)水是厭氧氨氧化工藝啟動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)行的核

8、心問(wèn)題。另外，Amx-SBR具有最高的生物多樣性表現(xiàn)，該裝置和Amx-UASB中的功能菌均為Brocadia，Nitrosomonas和Nitrospira為主要硝化菌群，與厭氧氨氧化菌構(gòu)成基于空間和底物的共生或競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系；PN-SBR雖然處理實(shí)際污水，但其菌群多樣性最低，功能菌為Nitrosomonas，占全部菌群的17.2%，Nitrospira僅占0.01%。厭氧氨氧化顆粒污泥復(fù)雜又穩(wěn)定的微生態(tài)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了其對(duì)低氨氮生活污水低耗高效的