厭氧氨氧化工藝運(yùn)行性能及微生物特性研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)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(nóng)業(yè)廢水和生活污水中均有含氮污染物。氮素污染已嚴(yán)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(jīng)濟(jì)高效受到了環(huán)境工程界的廣泛關(guān)注，但厭氧氨氧化菌（anaerobic ammonium oxidizing bacteria, AAOB）生長緩慢，嚴(yán)重制約了

2、ANAMMOX工藝的工程應(yīng)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(yīng)器的運(yùn)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(jī)制。主要研究結(jié)果如下:
　　 (1)考察了高、低基質(zhì)濃度下ANAMMOX-EGSB反應(yīng)器的運(yùn)行性能。
　　 ①考察了高基質(zhì)濃度下ANAMMO

3、X-EGSB反應(yīng)器的運(yùn)行性能。ANAMMOX-EGSB反應(yīng)器適合處理高濃度含氨廢水。當(dāng)進(jìn)水總氮濃度為1429.1mgN/L時(shí)，反應(yīng)器容積負(fù)荷可達(dá)22.87 kgN/(m3·d)，容積去除負(fù)荷可達(dá)18.65kgN/(m3·d)，且容積去除負(fù)荷仍呈上升趨勢，反應(yīng)器運(yùn)行性能良好。反應(yīng)器內(nèi)富集培養(yǎng)物具有很高的比轉(zhuǎn)化速率，對氨氮、亞硝氮、總氮的理論轉(zhuǎn)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(zhì)

4、親和力和很強(qiáng)的基質(zhì)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(zhì)濃度下ANAMMOX-EGSB反應(yīng)器的運(yùn)行性能。ANAMMOX-EGSB反應(yīng)器具有優(yōu)良的達(dá)標(biāo)性能。在出水達(dá)標(biāo)(15 mg/L)的情況下，反應(yīng)器容積負(fù)荷為27.31 kgN/(m3·d)，容積去除負(fù)荷為25.86 kgN/(m3·d)

5、，總氮轉(zhuǎn)化率為94.68％。富集培養(yǎng)物具有很高的比轉(zhuǎn)化速率，對氨氮、亞硝氮、總氮的最大比轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhì)親和力顯著高于同類研究報(bào)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(fù)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(fù)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(zhì)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(zhì)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(shí)期富集培養(yǎng)物的比氨氮轉(zhuǎn)化活性、比亞硝氮轉(zhuǎn)化活性、比氮轉(zhuǎn)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(guān)，相關(guān)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(zhì)濃度對ANAMMOX富集培養(yǎng)物顆?；挠绊?。氨氮、亞硝氮均為AAOB的基質(zhì)，但超過一定濃度，氨氮、亞硝氮也會(huì)對AAOB產(chǎn)生抑制作用。高基質(zhì)濃度（超過抑制濃度）會(huì)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(dǎo)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(yīng)器，最終引起反應(yīng)器性能下降，反應(yīng)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(yīng)器中剩余基質(zhì)并重新從低濃度開始運(yùn)行反應(yīng)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(yīng)器容積總氮去除率也恢復(fù)至22.51 kgN/(m3

11、·d)，反應(yīng)器性能得到恢復(fù)。
　　 ③研究了高濃度低流量及高流量低濃度兩種不同運(yùn)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(yùn)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(nèi)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(xì)胞內(nèi)含物形狀多樣且不規(guī)則;R2中富集培養(yǎng)物顏色鮮紅，內(nèi)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(xì)胞內(nèi)含物形態(tài)

12、相對一致但也不規(guī)則;運(yùn)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(xì)菌及AAOB進(jìn)行定量分析，結(jié)果表明富集培養(yǎng)物（R2）中的細(xì)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(xì)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(xì)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(jié)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(jīng)形態(tài)觀

14、察、生理生化試驗(yàn)、(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(jìn)化距離最近，ZU-I與Castellaniella denitrificans進(jìn)化距離最近。試驗(yàn)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(tuán)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(zhì)多樣性。以分子生物學(xué)技術(shù)檢測發(fā)現(xiàn)分離源中包含Burkholderiales目細(xì)菌，即菌株