基于亞硝化的全程自養(yǎng)脫氮工藝(CANON)效能及微生物特征研究.pdf

1、基于亞硝化的全程自養(yǎng)脫氮工藝(CANON)相比于傳統(tǒng)的硝化/反硝化脫氮工藝具有諸多明顯的優(yōu)勢,然而,目前對該工藝的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)主要集中于低負(fù)荷、高氨氮濃度、高溫廢水的處理上;針對常溫、低氨氮基質(zhì)濃度的城市生活污水的處理方面存在若干亟待解決的問題,其中最為關(guān)鍵的問題在于如何在常溫、低氨氮基質(zhì)環(huán)境中快速啟動并獲取穩(wěn)定、高效的脫氮性能。因此,本課題以溫度和進(jìn)水基質(zhì)濃度作為兩個重點(diǎn)考察因素,以實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的數(shù)個CANON反應(yīng)裝置為研究對象,

2、首次將宏觀工藝運(yùn)行性能和微觀生物學(xué)特征兩個方面相結(jié)合,研究了CANON反應(yīng)器的啟動策略和脫氮性能,并對CANON系統(tǒng)內(nèi)的功能微生物在生理生化、形態(tài)特征、空間分布、種群數(shù)量、群落特征及遺傳學(xué)等方面的特征進(jìn)行了研究,以期加強(qiáng)對CANON工藝的機(jī)理及微生物動態(tài)變化規(guī)律的認(rèn)知,并基于微生物研究結(jié)果指導(dǎo)并優(yōu)化工藝運(yùn)行,從而為CANON工藝應(yīng)用于城市生活污水的脫氮處理提供技術(shù)支持。
　　CANON工藝中的功能微生物為AOB和anammox菌,

3、通過二者的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)氮素的去除。本文對不同工藝運(yùn)行條件下的若干CANON反應(yīng)裝置內(nèi)的微生物特征進(jìn)行研究,結(jié)果表明不同的CANON系統(tǒng)在生物膜形態(tài)、功能微生物的空間分布、種屬特征等方面具有共性:首先,火山巖填料表面的微生物以直徑為0.2~1.0μm的球形及橢球形菌為主,易成簇生長。然而,生物膜在較強(qiáng)的水力剪切作用下容易受損,從而影響CANON的脫氮效能。其次,CANON內(nèi)部的功能微生物彼此共生,并未呈現(xiàn)出分布在生物膜外層是AOB而內(nèi)部是

4、anammox菌的特征;第三,參與亞硝化作用的主要功能菌為亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas),參與厭氧氨氧化作用的主要功能菌為待定布羅卡地菌屬(CandidatusBrocadia),且AOB的生物多樣性明顯高于anammox菌,這種生物多樣性保證了CANON系統(tǒng)一定的抗沖擊能力;第四,CANON系統(tǒng)中還存在希瓦氏菌屬(Shewanella)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、依格納季氏菌屬(Ignatzschineria)

5、、脫氯單胞菌屬(Dechloromonas)等,它們與AOB和anammox菌共同構(gòu)成CANON系統(tǒng)內(nèi)的微生物群落;最后,利用特定的AOB選擇性培養(yǎng)基,從CANON反應(yīng)器中篩選出4個AOB菌株。AOB的成功篩選為今后的微生物富集培養(yǎng)、固定化及基因工程的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。
　　本文考察了不同溫度對CANON的影響,研究表明:高溫(30℃)和室溫(16~23℃)條件下系統(tǒng)的總氮去除負(fù)荷分別為2.21kgN/(m3·d)和1.00kg

6、N/(m3·d)。微生物試驗(yàn)表明:在常溫下AOB和anammox菌的數(shù)量明顯下降,而NOB數(shù)量有所增加,總細(xì)菌和AOB的群落多樣性在常溫條件下也略有降低,菌膠團(tuán)的體積和間距變大,這些可能是造成反應(yīng)器在常溫條件下脫氮能力下降的主要原因。而溫度對功能微生物的空間分布以及anammox菌的群落結(jié)構(gòu)無顯著影響?；谖⑸飳W(xué)研究結(jié)果,筆者提出了可以通過補(bǔ)充CANON污泥、設(shè)置污泥截留裝置、間歇曝氣等方式提高常溫下CANON的脫氮性能。
　　

7、除溫度外,進(jìn)水氨氮濃度也是影響CANON運(yùn)行效果的另一重要因素。研究表明:常溫下CANON在較低氨氮濃度時(shí)(NH4+-N>200mg/L)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行;當(dāng)氨氮濃度降至100mg/L時(shí),系統(tǒng)仍具有一定的脫氮性能,但此時(shí)生物膜被破壞,生物量流失嚴(yán)重,微生物菌團(tuán)的間距增大,結(jié)構(gòu)松散,且多以單細(xì)胞方式存在。在整個降基質(zhì)運(yùn)行過程中,AOB群落結(jié)構(gòu)變化明顯而anammox菌群落結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。此外,系統(tǒng)內(nèi)部總細(xì)菌和AOB數(shù)量隨基質(zhì)濃度的降低而減

8、少,Nitrospira數(shù)量顯著增加,anammox菌數(shù)量略有減少,而Nitrobacter很少檢測到?；谖⑸镌囼?yàn)結(jié)果,本文提出了在常溫、低基質(zhì)濃度條件下,可以通過改用軟性或者半軟性填料、增設(shè)反沖洗、降低曝氣、投加適量的亞硝態(tài)氮等途徑來提高系統(tǒng)的脫氮性能。
　　基于上述試驗(yàn)結(jié)果,本文在常溫低氨氮條件下,通過接種污水處理廠(A2/O工藝)曝氣池回流污泥,經(jīng)過好氧/間歇曝氣/限氧三個階段,在很短的時(shí)期內(nèi)(180天)首次成功啟動了C

9、ANON工藝,總氮去除負(fù)荷可達(dá)1.10kgN/(m3·d)。相比于完全限氧方式,采用間歇曝氣有利于維持系統(tǒng)內(nèi)AOB和anammox的平衡關(guān)系,從而大大縮短了CANON的啟動周期。在啟動的全過程中Nitrobacter沒有完全被淘汰,其群落結(jié)構(gòu)變化明顯,而AOB和anammox菌的群落結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。
　　為了使得CANON工藝發(fā)揮更好的脫氮效能,本文又進(jìn)行了微生物優(yōu)化控制方面的研究,結(jié)果表明:CANON濾層不同高度處微生物分布差異明