高效短程硝化-厭氧氨氧化富集培養(yǎng)物的研究.pdf

1、隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人們生活水平的提高，排放至水體的氮素污染物持續(xù)增加，給人類(lèi)健康與生態(tài)安全造成了嚴(yán)重危害。為了治理氮素污染，急需研發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的廢水脫氮工藝。短程硝化-厭氧氨氧化工藝是近十多年中成功研發(fā)的新型生物脫氮工藝。與傳統(tǒng)廢水脫氮工藝相比，該工藝具有容積負(fù)荷高、能源消耗少、處理成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前廢水生物脫氮領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于氨氧化菌和厭氧氨氧化菌都是化能自養(yǎng)菌，生長(zhǎng)緩慢，對(duì)環(huán)境條件敏感，嚴(yán)重制約了短程硝化-厭氧氨氧化工藝

2、的工程應(yīng)用。菌種是整個(gè)廢水生物脫氮工藝的核心，本文研究了幾個(gè)重要因素對(duì)短程硝化富集培養(yǎng)物和厭氧氨氧化富集培養(yǎng)物性能的影響，以期為該工藝的技術(shù)突破提供理論依據(jù)。主要研究結(jié)果如下：
　　 ⑴研究了缺氧脅迫對(duì)短程硝化富集培養(yǎng)物的影響及其作用機(jī)理。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：①缺氧脅迫可降低污泥硝化活性；缺氧脅迫時(shí)間越長(zhǎng)，硝化活性降幅越大；缺氧脅迫對(duì)氨氧化的影響大于亞硝酸氧化。缺氧脅迫Oh、12h和24h后，氨氧化活性分別為0.894、0.453、0.3

3、87 mgN·(g MLSS)-1·h-1，亞硝酸氧化速率分別為0.761、0.485、0.459 mgN·(g MLSS)-1·h-1。②缺氧脅迫降低污泥抗氧化酶活性，缺氧脅迫時(shí)間越長(zhǎng)，抗氧化酶活性越低。缺氧脅迫Oh、12h和24h后，CAT(Catalase，過(guò)氧化氫酶)活性分別為100％、83％和79％，POD(Peroxidase，過(guò)氧化物酶)活性分別為100％、90％和76％。③缺氧脅迫削弱硝化細(xì)菌的氧毒防御能力，引起硝化活性

4、降低。缺氧脅迫Oh、12h和24h后，添加等量過(guò)氧化氫，比氨氧化活性分別為0.257、0.227和0.136 mg N·(g MLSS)-1·h-1。
　　 ⑵研究了有機(jī)物長(zhǎng)期存在對(duì)短程硝化污泥活性和菌群的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：①短程硝化系統(tǒng)中長(zhǎng)期存在有機(jī)物，可降低短程硝化污泥的比氨氧化速率，但可提高基質(zhì)親和力。②短程硝化系統(tǒng)中長(zhǎng)期存在有機(jī)物，可降低甚至消除短程硝化污泥的亞硝酸氧化活性。接種硝化污泥(S1)、自養(yǎng)型短程硝化污泥(S2)

5、和混養(yǎng)型短程硝化污泥(S3)之間的亞硝酸氧化速率關(guān)系為：S2>S1>S3。接種硝化污泥S1和自養(yǎng)型硝化污泥S2具有高基質(zhì)親和力，可將亞硝酸降至檢測(cè)限以下；接種硝化污泥S1的耐亞硝氮能力不如自養(yǎng)型硝化污泥S2，亞硝氮濃度高于200 mg·L-1時(shí)，接種硝化污泥S1的亞硝酸氧化活性受到抑制，但自養(yǎng)型硝化污泥S2的亞硝酸氧化活性不被抑制；長(zhǎng)期采用含氨無(wú)機(jī)廢水運(yùn)行，增強(qiáng)了自養(yǎng)型硝化污泥 S2對(duì)亞硝酸的耐受能力。③短程硝化系統(tǒng)中長(zhǎng)期存在有機(jī)物，可

6、降低短程硝化污泥對(duì)亞硝氮的耐受能力。長(zhǎng)期采用含氨無(wú)機(jī)廢水運(yùn)行，即使亞硝酸濃度高達(dá)800·mg·L-1，自養(yǎng)型硝化污泥 S2的氨氧化速率也不受影響，可滿(mǎn)足高氨氮廢水短程硝化的要求；長(zhǎng)期采用含氨有機(jī)廢水運(yùn)行，在亞硝氮濃度為200 mg·L-1和800mg-L-1的條件下，混養(yǎng)型硝化污泥S3的氨氧化速率分別被抑制37.5％和82.6％。④短程硝化系統(tǒng)中長(zhǎng)期存在有機(jī)物，仍能使短程硝化污泥獲得穩(wěn)定、較高的亞硝酸積累率。在接種硝化污泥S1培養(yǎng)體系中

7、，最大亞硝氮積累率隨初始氨氮濃度增加而提高；而在自養(yǎng)型硝化污泥S2和混養(yǎng)型硝化污泥S3培養(yǎng)體系中，最大亞硝氮積累率不隨初始氨氮濃度增加而變化，最大亞硝氮積累率穩(wěn)定在一定范圍，平均值分別為63.58％±4.19％和92.17％±2.67％。⑤短程硝化系統(tǒng)中長(zhǎng)期存在有機(jī)物，可引發(fā)短程硝化污泥中優(yōu)勢(shì)氨氧化菌種類(lèi)的分化。在接種硝化污泥S1中，同時(shí)含有兩種氨氧化菌，而在自養(yǎng)型硝化污泥S2和混養(yǎng)型硝化污泥S3中，則分別只含其中一種氨氧化菌。經(jīng)鑒定，

8、三種硝化污泥中的優(yōu)勢(shì)氨氧化菌都?xì)w屬于Nitrosomonas。
　　 ⑶研究了有機(jī)物短期存在對(duì)厭氧氨氧化富集培養(yǎng)物活性和生長(zhǎng)的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：①添加低濃度有機(jī)物，可提高氨氮和亞硝酸轉(zhuǎn)化速率，其中檸檬酸和琥珀酸對(duì)厭氧氨氧化活性的促進(jìn)作用最強(qiáng)。與對(duì)照相比，受試有機(jī)物可使氨氮轉(zhuǎn)化速率提高33.2％-98.8％、可使亞硝酸轉(zhuǎn)化速率提高17.6％-56.8％；其中檸檬酸和琥珀酸可使氨氧化速率提高98.8％和60.5％，可使亞硝酸還原速率提

9、高55.0％和40.6％。②添加琥珀酸、檸檬酸和葡萄糖可優(yōu)化反應(yīng)器運(yùn)行性能、縮短厭氧氨氧化菌倍增時(shí)間。在進(jìn)水中添加琥珀酸、檸檬酸和葡萄糖，厭氧氨氧化反應(yīng)器所能耐受的最大氨氮濃度、亞硝酸濃度以及總氮去除率均顯著高于對(duì)照反應(yīng)器；厭氧氨氧化反應(yīng)器中厭氧氨氧化菌的倍增時(shí)間分別為25.67d、27.39d和32.23d，顯著短于對(duì)照反應(yīng)器中厭氧氨氧化菌的倍增時(shí)間36.28d。③添加琥珀酸、檸檬酸和葡萄糖，顯著改變了厭氧氨氧化反應(yīng)器中富集培養(yǎng)物的菌

10、群結(jié)構(gòu)。添加有機(jī)物后，與Planctomycetes sp.相似性較高的菌群得到富集。
　　 ⑷研究了羥胺對(duì)厭氧氨氧化富集培養(yǎng)物活性和生長(zhǎng)的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：①厭氧條件下，厭氧氨氧化富集培養(yǎng)物能夠?qū)⒘u胺轉(zhuǎn)化為聯(lián)氨，平均轉(zhuǎn)化速率為0.207mmol·gVSS-1h-1；也能夠?qū)⒙?lián)氨轉(zhuǎn)化為氨，平均轉(zhuǎn)化速率為0.031mmol·gVSS-1·h-1。②厭氧條件下，厭氧氨氧化富集培養(yǎng)物能夠?qū)⒘u胺和亞硝酸同步轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)物，其最大轉(zhuǎn)化速率分

11、別為0.535 mmol·gVSS-1·h-1和0.145mmol·gVSS-1·h-1，羥胺轉(zhuǎn)化速率高于厭氧氨氧化速率；在羥胺厭氧轉(zhuǎn)化中可檢測(cè)到中間產(chǎn)物氨。羥胺與亞硝酸濃度之比從1:1提升至2:1，兩種基質(zhì)轉(zhuǎn)化速率分別提高26.7％和120.7％。以Van de Graaf模型為基礎(chǔ)提出了新的氮素轉(zhuǎn)化途徑，該途徑可解釋本研究中發(fā)生的氮素轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。③以氨和亞硝酸為基質(zhì)時(shí)，反應(yīng)器的容積總氮去除率隨基質(zhì)濃度提高而上升至14.224 kgN·

12、m-3·d-1，兩個(gè)月內(nèi)容積總氮去除率增加90％；反應(yīng)器的污泥產(chǎn)量也隨基質(zhì)濃度提高而上升，當(dāng)進(jìn)水中氨濃度為23 mmol·L-1時(shí)，反應(yīng)器的每日污泥增長(zhǎng)濃度為595 mgVSS·L-1。④羥胺對(duì)厭氧氨氧化菌具有慢性毒性。在持續(xù)供給羥胺6d后，氨和亞硝酸轉(zhuǎn)化能力下降；持續(xù)供給羥胺11d后，羥胺轉(zhuǎn)化能力下降；恢復(fù)以低濃度氨和亞硝酸作為基質(zhì)后，無(wú)法恢復(fù)反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化功能；持續(xù)供給羥胺導(dǎo)致顆粒污泥變成暗紅色、胞外多聚物減少、細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞。⑤間歇供