膜曝氣生物膜反應(yīng)器單級自養(yǎng)脫氮研究.pdf

1、由于氮素化合物能夠造成水體的富營養(yǎng)化，污水脫氮成為目前水處理領(lǐng)域的重要問題。然而傳統(tǒng)生物脫氮工藝普遍存在工藝流程長，占地面積大，運(yùn)行成本高等缺點。最近，一種極具應(yīng)用前景的新型單級自養(yǎng)脫氮技術(shù)被開發(fā)出來。該工藝在單一反應(yīng)器內(nèi)組合短程硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)，與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比大大降低了運(yùn)行成本。 本實驗實驗以包裹無紡布的多微孔炭管作為生物膜載體和供氧裝置的膜曝氣生物膜反應(yīng)器運(yùn)行基于短程硝化．厭氧氨氧化的單級自養(yǎng)脫氮工藝。啟動反應(yīng)

2、器采用先培養(yǎng)馴化好氧氨氧化污泥，隨后再次接種成熟厭氧氨氧化污泥的方式。首先接種普通硝化污泥啟動反應(yīng)器，通過對膜內(nèi)腔壓力的適當(dāng)控制逐步降低反應(yīng)器溶解氧濃度，實現(xiàn)亞硝酸鹽的積累。然后再次接種取自升流式無紡布固定床反應(yīng)器富集培養(yǎng)的厭氧氨氧化污泥，使無紡布上形成好氧氨氧化菌與厭氧氨氧化菌穩(wěn)定共存的膜曝氣生物膜，從而實現(xiàn)單級自養(yǎng)生物脫氮。研究取得的主要結(jié)果如下： (1) 采用升流式無紡布固定床生物膜反應(yīng)器可以對 ANAMMOX 菌接種物

3、進(jìn)行有效的富集培養(yǎng)。經(jīng)過101 d 的連續(xù)富集培養(yǎng)，反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度由起始的 470 mg L<'-1>培養(yǎng)至3118.4 mg L<'-1>。在穩(wěn)定運(yùn)行階段，反應(yīng)器平均進(jìn)水 TN 負(fù)荷分別為 818.3 mg L<'-1>，在進(jìn)水NH<,4><'+>-N 濃度為 200-250 mg L<'-1>時，TN 去除率達(dá)到最大值 63.8 ％。對培養(yǎng)的厭氧氨氧化污泥進(jìn)行掃描電鏡觀察顯示，污泥中大部分為球狀細(xì)菌，并且聚集成類似花椰菜狀的聚集體

4、。 (2) 利用PCR、克隆、熒光原位雜交和實時熒光 PCR 等微生物分子生態(tài)學(xué)實驗技術(shù)對實驗室富集培養(yǎng)的ANAMMOX污泥中主要的功能性菌群進(jìn)行研究?？寺〗Y(jié)果顯示，富集培養(yǎng)的ANAMMOX污泥中含有兩類細(xì)菌，其中一種的 16S rDNA 基因序列與已經(jīng)報道的ANAMMOX細(xì)菌KSU-1(Genbank ID：AB057453.1)的基因序列十分相似，相似性>98％；另一種的16s rDNA 序列與已經(jīng)報道的ANAMMOX細(xì)菌

5、 Uncultured Planctomycetes bacterium gene for 16S rRNA(Genbank ID：AB176696.1)的基因序列最相近，相似性達(dá)到 100％。用特異性探針 PLA46 對 ANAMMOX 污泥進(jìn)行熒光原位雜交分析，結(jié)果顯示，Planctomycetes類ANAMMOX細(xì)菌是實驗室培養(yǎng)的ANAMMOX污泥中的主要功能性細(xì)菌。實時熒光定量 PCR 結(jié)果表明，1 μl樣品DNA模板中含有 6

6、.32×10<'4>個真細(xì)菌的基因拷貝，含有 1.58×10<'4>個Planctomycetes 細(xì)菌的基因拷貝，Planctomycetes 細(xì)菌占全部細(xì)菌的 45％-60％。 (3) 實驗中，采用包裹無紡布的多微孔炭管為膜組件的MABR成功的運(yùn)行了基于短程硝化-厭氧氨氧化的單級自養(yǎng)脫氮工藝。在 TN 容積負(fù)荷為 960 mg L<'-1>d<'-1>，HRT 為6 h，曝氣膜內(nèi)腔壓力為 0．015 Mpa，反應(yīng)器溫度35

7、℃，pH值為7.8的條件下，容積總氮去除率可以達(dá)至 0.766 kg N m<'-3>d<'-1>。 (4) 膜曝氣生物膜的批式實驗結(jié)果顯示，好氧氨氧化反應(yīng)主要發(fā)生在靠近曝氣膜壁側(cè)的生物膜內(nèi)，厭氧氨氧化反應(yīng)主要發(fā)生在靠近水體側(cè)的生物膜內(nèi)。 (5) 用特異性探針 EUB338 plus，NSO190，AMX820 和 PLA46 對膜曝氣生物膜進(jìn)行熒光原位雜交，結(jié)果顯示，膜曝氣生物膜內(nèi)存在明顯的分層現(xiàn)象，生物膜內(nèi)結(jié)合探

8、針NSO190 的好氧氨氧化菌主要分布在生物膜內(nèi)靠近曝氣膜/生物膜交界面的好氧區(qū)域，而結(jié)合探針 AMX820 和 PLA46 的 ANAMMOX 菌則主要分布在生物膜內(nèi)靠近水體側(cè)的缺氧或厭氧區(qū)域。這種以好氧氨氧化菌為主體的好氧層和以 ANAMMOX 菌為主體的厭氧層共同存在的生物膜分層結(jié)構(gòu)，使兩個微生物群落間在合作共生、代謝平衡，從而實現(xiàn)單級自養(yǎng)生物脫氮。 (6) 利用特異性引物的巢式 PCR (Nested-PCR) 和 D

9、GGE 對不同運(yùn)行階段的膜曝氣生物膜上的氨氧化菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，氨氧化菌群的DGGE條帶在不同時期形狀不同，揭示氨氧化菌群結(jié)構(gòu)隨著反應(yīng)器溶解氧濃度的逐漸降低而發(fā)生變化。在穩(wěn)定運(yùn)行單級自養(yǎng)脫氮工藝的 MABR 系統(tǒng)中，膜曝氣生物膜內(nèi)氨氧化菌群的種類不是很豐富，第101 d的生物膜樣品的 DGGE 共含有三個明顯的條帶。切膠后測序顯示，三個條帶所代表的細(xì)菌和己報道的 Nitrosomonas 菌屬的基因序列具有極高的相似性(>99