基于厌氧氨氧化的废水深度脱氮除碳效能及微生物特性研究

论文摘要

随着对废水处理“节能减耗、提标改造”的不断要求,新型脱氮工艺在实际应用上的推进显得十分必要,其中,以厌氧氨氧化为主的一系列高效低耗组合脱氮工艺备受关注,但目前该技术尚未成熟,限制其发展的主要障碍是:一前置部分亚硝化反应难以在环境温度下长期维持一定的出水基质比,且调控手段缺乏灵活性和简易性;二厌氧氨氧化反应易受有机物胁迫且工艺组合难协调、总氮深度去除困难。因此,本研究从实时控制的角度实现联合工艺的运行,寻找整个工艺同步深度脱氮除碳的最佳工况,并对其微生物机理进行研究。从基于ABR的厌氧氨氧化反应出发,以其中反硝化菌与厌氧氨氧化菌异位归趋机制为基础,于SBR内设置部分亚硝化,使出水达到后续反应所需的最佳基质比,并结合ABR不同隔室差异化生物相的特点,构建“部分亚硝化+厌氧氨氧化+反硝化”的联合工艺,实现同步脱氮除碳目标。（1）采用SBR反应器,建立了一套通过调节单因素（特定pH终值）控制曝气停止点的策略,在环境温度下实现了匹配厌氧氨氧化的稳定部分亚硝化。整个运行过程分为4个阶段,阶段Ⅰ启动亚硝化,阶段Ⅱ在稳定亚硝化的同时探索pH终值的设定规律,阶段Ⅲ、Ⅳ采用pH终值设定规律实现稳定部分亚硝化,通过跨越夏、冬、夏季（35→7→30℃）共198d的运行,考察SBR系统内有机物、氮素的转化规律,并分析温度对部分亚硝化反应系统的影响。结果表明,在低DO(0.20.4 mg·L-1)和MLSS为4000 mg·L-1的条件下,控制pH终值为7.717.99,使出水FA在0.52.0 mg·L-1左右,可稳定实现部分亚硝化期间的出水NO2--N/NH4+-N值在11.4之间,且出水亚硝积累率（NAR）维持在80%以上,有机物去除率在60%以上,同时,实现部分亚硝化后,比氨氧化速率（SAOR）、比亚硝态氮氧化速率（SNOR）和比COD去除速率分别稳定在0.074、0.005mgN·（mgMLSS）·d-1和0.076 mgCOD·（mgMLSS·d）-1。前置稳定的部分亚硝化反应,为后续匹配厌氧氨氧化提供了良好保证。（2）为确定由SBR-ABR组合的“部分亚硝化-厌氧氨氧化反硝化”反应链实现深度脱氮除碳效果,设定三种不同的运行工况,工况Ⅰ将SBR出水（NO2--N/NH4+-N=11.32）直接接入单隔室ABR厌氧氨氧化系统,发现虽然实现了厌氧氨氧化反应的稳定运行,但联合工艺TN去除率低于80%,出水TN约20mg·L-1。为在ABR内增加反硝化功能,向反应器第三隔室添加反硝化污泥,于工况Ⅱ将SBR出水接入,发现耦合反应对TN去除率仍偏低,若实现深度脱氮需要在厌氧氨氧化后段补充碳源。故在工况Ⅲ调控SBR出水（NO2--N/NH4+-N=5）与回流总进水混合（NO2--N/NH4+-N=1.4;C/N=2.5）后接入单隔室ABR厌氧氨氧化反硝化系统,不仅实现了厌氧氨氧化段进水基质的良好配比,也为反硝化提供了良好的碳源,整个工艺出水COD为50 mg·L-1左右,TN达6 mg·L-1以下,TN去除率达95%。联合反应的稳定运行为SBR-ABR工艺深度脱氮除碳提供了基础。（3）采用高通量测序对SBR-ABR在不同环境及工况阶段下的微生物群落动态变化规律进行剖析。研究发现,SBR亚硝化系统内以变形菌门及拟杆菌门为优势,分别占21.4354.66%和5.1154.78%。值得一提的是,整个调控期间仅检测出1种氨氧化菌属（Nitrosomonas）,不同温度水平下的相对丰度为1.0541.08%,波动较大,表明温度对Nitrosomonas属的影响较大。当环境温度由1015℃降至7℃时,该菌属丰度骤降至4.46%,且温度回升后丰度依旧处在较低水平（3.676.36%）,说明温度对功能菌丰度产生了较大冲击,但SAOR平均保持在0.074 mgN·（mgMLSS·d）-1,NAR稳定在80%以上,表明该菌活性依旧很好。自亚硝化启动后,系统内未检测到硝化菌属,是长期实现稳定部分亚硝化的主要原因。ABR厌氧氨氧化反硝化耦合系统内以绿弯菌门、变形菌门及浮霉菌门为优势,所占比例分别为34.84%、12.67%和8.77%。其中,厌氧氨氧化菌所在的浮霉菌门以Candidatus Brocadia、Candidatus Kuenenia属（相对丰度为4.91%和2.64%）为主,与以Limnobateria属（相对丰度为4.78%）为主的反硝化菌共同完成系统脱氮,以Anaerolineaceae属（相对丰度为26.64%）为主的异养菌与反硝化菌共同完成系统除碳,相互协同。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 部分亚硝化反应的研究进展
•     1.2.1 部分亚硝化反应
•     1.2.2 部分亚硝化的实现过程
•     1.2.3 部分亚硝化系统中的微生物种群
•   1.3 厌氧氨氧化反硝化耦合工艺的研究进展
•     1.3.1 厌氧氨氧化-反硝化反应的耦合
•     1.3.2 厌氧氨氧化与反硝化耦合过程的影响因素
•     1.3.3 厌氧氨氧化与反硝化耦合过程中的微生物种群
•   1.4 基于亚硝化、厌氧氨氧化和反硝化的联合工艺的应用
•   1.5 研究内容与意义
•     1.5.1 研究内容
•     1.5.2 研究意义
•   1.6 研究技术路线
• 第二章 环境温度下SBR实现长期稳定部分亚硝化的调控研究
•   2.1 材料与方法
•     2.1.1 接种污泥及进水水质
•     2.1.2 试验装置及运行方式
•     2.1.3 分析方法
•   2.2 结果与分析
•     2.2.1 SBR反应体系长期运行效果
•     2.2.2 温度对反应系统的影响
•     2.2.3 环境温度下系统稳定出水的原因分析
•     2.2.4 不同温度区间的SBR典型周期分析
•   2.3 本章小结
• 第三章 部分亚硝化-厌氧氨氧化反硝化联合工艺的运行与调控研究
•   3.1 材料与方法
•     3.1.1 试验装置
•     3.1.2 接种污泥及运行条件
•     3.1.3 测试项目及方法
•     3.1.4 厌氧氨氧化反硝化反应去污分析
•   3.2 结果与讨论
•     3.2.1 厌氧氨氧化启动和水质适应性分析
•     3.2.2 双隔室厌氧氨氧化-反硝化
•     3.2.3 单隔室厌氧氨氧化-反硝化
•   3.3 本章小结
• 第四章 SBR-ABR工艺的微生物群落动态变化规律研究
•   4.1 材料与方法
•     4.1.1 Miseq高通量测序分析方法
•     4.1.2 测试项目
•   4.2 温度变化下SBR部分亚硝化的微生物群落结构动态变化分析
•     4.2.1 不同温度下微生物丰度和多样性的分析
•     4.2.2 不同温度下SBR反应器在各分类水平的微生物群落结构分析
•   4.3 ABR厌氧氨氧化微生物群落结构分析
•     4.3.1 ABR反应器微生物丰度和多样性分析
•     4.3.2 ABR反应器在各分类水平下微生物群落结构分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 结论与建议
•   5.1 结论
•   5.2 建议
• 参考文献
• 图表目录
• 致谢
• 作者简历
• 研究生期间科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张敏

导师: 沈耀良,陈重军

关键词: 部分亚硝化,厌氧氨氧化,温度影响,控制策略,高通量测序

来源: 苏州科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 苏州科技大学

分类号: X703;X172

总页数: 86

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