降解苯胺和氯苯胺好氧污泥顆?；捌湮⑸锓肿由鷳B(tài)特性研究.pdf

1、好氧生物處理工藝在國(guó)內(nèi)外最廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水和工業(yè)廢水處理，系統(tǒng)運(yùn)行性能和穩(wěn)定性很大程度上取決于工藝反應(yīng)器的傳質(zhì)傳遞、流體動(dòng)力學(xué)以及降解菌生物量、活性與污泥微生物種群多樣性。為實(shí)現(xiàn)生物反應(yīng)器高活性生物量持留、多樣化微生物菌群富集，強(qiáng)化生物處理工藝系統(tǒng)運(yùn)行高效性和穩(wěn)定性，本論文以序批式好氧生物反應(yīng)器(SBR)和序批式氣提生物反應(yīng)器(SABR)為平臺(tái)，以苯胺和氯苯胺類為模式有機(jī)物，開展了降解苯胺(AN)和氯苯胺(CIAs)好氧污泥顆粒化及其

2、微生物分子生態(tài)機(jī)理研究，取得如下研究結(jié)果： 1、通過梯度增強(qiáng)SABR反應(yīng)器水力選擇壓(增大表面氣速)與生物選擇壓(逐步增加目標(biāo)污染物負(fù)荷、縮短污泥沉降時(shí)間)，在以AN為唯一碳能源、負(fù)荷1.2kg.m-3.d-1條件下好氧污泥發(fā)生顆?；F(xiàn)象，成熟顆粒污泥平均粒徑為1.2 mm、比AN降解速率達(dá)0.84 g.gVSS-1.d-1。 不同結(jié)構(gòu)序批式反應(yīng)器處理對(duì)氯苯胺(4-ClA)廢水過程污泥顆?；芯拷Y(jié)果表明，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及其水

3、力學(xué)特征影響污泥顆?；M(jìn)程與顆粒污泥活性，高徑比(H/D)較大的SBR、SABR反應(yīng)器易發(fā)生好氧污泥顆?；?，成熟顆粒污泥粒徑分別為1.68mm和1.25 mm，比4-ClA降解速率達(dá)0.2l～0.27g.g-1.d-1，該兩組反應(yīng)器具有較高的污染物降解能力與運(yùn)行穩(wěn)定性。結(jié)果揭示反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及其水力學(xué)特征影響污泥顆粒化進(jìn)程與顆粒污泥活性。 處理含多種C1As和AN有機(jī)廢水SABR反應(yīng)器同樣可實(shí)現(xiàn)好氧污泥顆?；?，獲得的成熟顆粒污泥粒徑

4、在0.9～2.0 mm，污泥最小沉降速率達(dá)60m.h-1以上，苯胺和氯苯胺類比降解速率為0.18 g.gVSS-1.d-1；顆粒內(nèi)外分布有豐富的類球菌、類短桿菌，與胞外多聚物交織共存；相對(duì)而言，進(jìn)水含AN和C1As的SABR反應(yīng)器具有較高目標(biāo)污染物去除性能、耐沖擊能力和運(yùn)行穩(wěn)定性。 2、反應(yīng)器在進(jìn)水C1As負(fù)荷0.6～0.8 kg.m-3.d-1、表面氣速2.4～3.6 cm.s-1、污泥沉降時(shí)間5～10 min、HRT 11.

5、4～17.2 h、曝氣前兼氧1 h、新生污泥或全混污泥適時(shí)排放等條件下運(yùn)行，可獲得結(jié)構(gòu)致密、沉降性能優(yōu)異的好氧顆粒污泥。短期營(yíng)養(yǎng)元素缺失對(duì)顆粒污泥特性影響結(jié)果表明，碳源缺失時(shí)污泥顆粒強(qiáng)度和表面疏水性有所增強(qiáng)，C，K元素缺失時(shí)污泥EPS含量減少，C、N、P元素缺失時(shí)污泥SOUR明顯下降，而C、Fe元素缺失時(shí)微生物生長(zhǎng)受限。結(jié)果可為好氧顆粒污泥工藝設(shè)計(jì)與運(yùn)行調(diào)控提供理論依據(jù)。 氯苯胺負(fù)荷沖擊下不同結(jié)構(gòu)顆?；磻?yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)，

6、H/D較大的R2、R3反應(yīng)器抗基質(zhì)負(fù)荷沖擊能力較強(qiáng)。反應(yīng)器剪切率試驗(yàn)結(jié)果表明，R3、R2反應(yīng)器總剪切率較高，分別為(1.14～2.31)×105 s-1和(0.56～2.23)×105 -1，而H/D較小的R1反應(yīng)器剪切率僅為(0.34～1.27)×105S-1。結(jié)果證實(shí)可提供較強(qiáng)水力剪切條件的反應(yīng)器具有較高的耐沖擊能力和運(yùn)行穩(wěn)定性。 灰色多因素?cái)?shù)學(xué)法分析好氧顆粒污泥特性與顆粒化影響因素的關(guān)聯(lián)度發(fā)現(xiàn)，污泥沉降速率(SV)與總生物

7、密度(dtm)關(guān)聯(lián)度為0.828，污泥沉降速率(SV)與污泥體積指數(shù)(SVI)、顆粒污泥粒徑(D)與總生物密度(dtm)關(guān)聯(lián)度依次為0.804、0.779，而污泥體積指數(shù)(SVI)與總生物密度(dtm)關(guān)聯(lián)度僅0.664。根據(jù)對(duì)好氧顆粒污泥特征指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度分析，確定有機(jī)負(fù)荷率(OLR)，水力剪切力(HFS)、污泥沉降時(shí)間(SST)為好氧污泥顆?；骺匾蜃印Ｑ芯拷Y(jié)果有望為好氧顆粒污泥工藝長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支撐。 顆粒化過程污泥胞

8、外多聚物(EPS)中蛋白(PN)含量和蛋白/多糖比值(PN/PS)明顯增大，并與疏水性、表面電荷等污泥表面特性指標(biāo)呈正相關(guān)；表面氣速提高至2.4 cm.s-1時(shí)污泥EPS中PN含量與PN/PS比值明顯增加，縮短污泥沉降時(shí)間(小于10 min)有利于顆粒污泥EPS中PN含量增加．研究結(jié)果揭示EPS及其PN組分在顆粒污泥形成過程中扮演重要角色。 結(jié)合已有研究結(jié)果，綜合考慮本實(shí)驗(yàn)確立的污泥顆粒化過程主控因子，提出如下好氧顆粒污泥形成機(jī)

9、理：在一定的水力與生物選擇壓下，微生物代謝過程分泌過量EPS，通過對(duì)微生物表面特性影響促使菌體間相互吸引、粘連成菌膠團(tuán)，進(jìn)而在EPS吸附、包裹與絲狀菌、高價(jià)陽離子架橋作用下形成污泥聚集體與顆粒亞核；多樣化菌群在顆粒亞核上按功能區(qū)系規(guī)則分布、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終形成結(jié)構(gòu)致密的顆?；勰啵粋髻|(zhì)限制或環(huán)境條件變化時(shí)大粒徑污泥發(fā)生解體，形成的碎片可作為“二次核”實(shí)現(xiàn)污泥快速顆粒化。 3、好氧顆粒降解AN和ClAs符合Haldane動(dòng)力學(xué)，最大

10、比基質(zhì)降解速率(Vmax)大小順序依次為：AN>4-ClA>2-ClA>3-ClA>3,4-DClA，抑制常數(shù)(Ki)順序依次為：AN>3-ClA>4-ClA>2-ClA>3,4-DClA，苯胺和氯苯胺類化合物的空間參數(shù)、熱力學(xué)參數(shù)與其生物降解性相關(guān)性較好。不同粒徑好氧顆粒的污染物降解動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，粒徑為1.25～2.0 mm的好氧顆粒污泥具有較大的Vmax和Ki值，粒徑增至2.0 mm以上時(shí)顆粒污泥Ki值繼續(xù)增大，但Vmax呈下降趨

11、勢(shì)。結(jié)果揭示污泥顆粒形成有利于改善反應(yīng)器處理有毒有機(jī)物性能，但控制顆粒污泥大小對(duì)工藝高效運(yùn)行十分重要。 成熟好氧顆粒污泥具有較高的誘導(dǎo)型C23O酶活；4-CIA降解過程依次形成4-氯鄰苯二酚、5-氯-4-草酰巴豆酸、2-羥基-5-氯-粘糠酸半醛、5-氯-4-羥基-2-酮戊酸等典型間位途徑中間代謝產(chǎn)物，證實(shí)4-CIA通過間位代謝途徑開環(huán)裂解，并提出顆粒污泥降解4-CIA代謝途徑。 好氧顆粒污泥生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果表明，顆粒污

12、泥工藝具有較高的衰減系數(shù)(Kd)和較低的產(chǎn)率系數(shù)(Y)，顆粒污泥EPS和PHB可在好氧饑餓期作為“二次基質(zhì)”被微生物所利用，應(yīng)用Luedeking-Piret模型可較好擬合比EPS生成速率(qEPS)、比PHB生成速率(qPHB)與微生物生長(zhǎng)速率(μ)之間的關(guān)系。 4、降解苯胺和氯苯胺污泥顆?；^程微生物種群結(jié)構(gòu)演替顯著，隨著污泥顆?；霈F(xiàn)特異性條帶。降解4-CIA污泥顆粒化過程，污泥小顆?？焖傩纬傻腞2、R3反應(yīng)器污泥DGG

13、E圖譜條帶較為豐富，污泥菌群結(jié)構(gòu)相似性較高，主要菌群分屬β-Proteobacteria、γ-Proteobacteria、Planctomycetales、Flavobacteriales、Clostridiales、Acidobacteria等類群，特異性條帶大部分與Thauera sp．菌屬具有較高的相似性，推測(cè)該菌屬可能是好氧顆粒污泥所持留的4-CIA降解菌。降解AN顆粒污泥主要菌群分屬Proteobacteria、Flavob

14、acteriales、Cytophagales、Bacteroidete等，特異性條帶大部分與Thauera Sp.、Pseudomonas putida sp.、Acinetobacter sp.菌屬有較高相似性。降解CIAs，AN的兩組SABR反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥共有的優(yōu)勢(shì)功能降解菌為Pseudomonas sp.、Flavobacterium sp.；相比較而言，降解CIAs和AN顆粒污泥特異性條帶所屬類群較為復(fù)雜，其顆粒污泥微生物種

15、群結(jié)構(gòu)更為豐富。 RTQ-PCR定量分析結(jié)果表明，降解4-CIA污泥顆?；^程Thauera sp.、AOB、β-Proteobacteria菌群數(shù)量均呈現(xiàn)不同程度的增加，其在成熟顆粒污泥內(nèi)分別占細(xì)菌總數(shù)的21.55％、10.79％和61.28％；降解AN好氧污泥顆?；^程Thauera sp.、AOB、β-Proteobacteria含量同樣明顯增加，其占細(xì)菌總數(shù)的比例最終穩(wěn)定在28.83％、15.6％和50.64％。結(jié)果揭示