SBBR單級自養(yǎng)脫氮工藝及其微生態(tài)特性研究.pdf

1、單級自養(yǎng)脫氮工藝在處理高氨氮、低C/N比廢水方面所具有的簡易、高效、低耗等優(yōu)點是其它生物脫氮工藝無可比擬的。然而，迄今為止，該工藝在世界范圍內(nèi)尚處于研發(fā)階段。由于受該方向認(rèn)識問題的進(jìn)程和研究問題的技術(shù)方法與手段的限制，微觀層面的基礎(chǔ)理論和技術(shù)研究雖然隨著現(xiàn)代分析新技術(shù)的涌現(xiàn)不斷深入，出現(xiàn)了不少新的研究成果，但在許多方面仍尚未形成共識。一方面仍有賴于新技術(shù)手段的完善，另一方面也有賴于更系統(tǒng)深入的微觀層面的研究。從系統(tǒng)內(nèi)微生態(tài)角度去探求工藝

2、機(jī)理，不僅是自養(yǎng)脫氮工藝微觀層面研究尚待系統(tǒng)地引向深入的問題，也成為制約該工藝實現(xiàn)工程可控性的關(guān)鍵因素之一。
　　 本研究以SBBR單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)微生態(tài)特性為研究對象，分析系統(tǒng)在構(gòu)建過程及穩(wěn)定運(yùn)行工況下活性污泥、生物膜中微生物群落結(jié)構(gòu)，研究宏觀運(yùn)行參數(shù)及運(yùn)行效能與系統(tǒng)微生物微觀組成的相關(guān)性，確定系統(tǒng)中主要功能菌種，并分析其生理生態(tài)特征，同時明確各限制性生態(tài)因子對微生物協(xié)同代謝過程的影響。
　　 采用四組SBBR反應(yīng)器構(gòu)

3、建單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)，本研究選取運(yùn)行效能最具代表性的2組進(jìn)行研究。其中A系統(tǒng)在NH4+濃度60～120mg/L、溫度為30±2℃、HRT=24h、pH=7.8～8.5、DO=0.8～1.0mg/L連續(xù)曝氣條件下，完成了單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的亞硝化啟動。調(diào)整進(jìn)水負(fù)荷為160mg/L，同時采用間歇曝氣的方式使系統(tǒng)進(jìn)入性能提高階段后，A系統(tǒng)在DO為2.0(曝氣)/0.4(停曝)mg/L，曝停比為2h∶2h的條件下氨氮轉(zhuǎn)化率和總氮去除率分別達(dá)到90％

4、和80％以上。生物膜與活性污泥微生物區(qū)系組成相似性低，活性污泥與生物膜之間構(gòu)成了一個微小的生態(tài)系統(tǒng)，AOB及ANAMMOX數(shù)量上與NOB相比占有絕對優(yōu)勢。B系統(tǒng)在DO=1.5～2.0mg/L條件下完成亞硝化啟動，但同比A反應(yīng)器，B試驗裝置運(yùn)行效果較差，生物膜沒有較好形成，活性污泥與生物膜的群落結(jié)構(gòu)相似性達(dá)100％，微生物群落豐富度值低，氨氮轉(zhuǎn)化率和總氮去除率分別只有37％和30％左右。亞硝化啟動期DO=1.5～2.0mg/L的連續(xù)曝氣條

5、件下，亞硝化菌AOB與硝化菌NOB兩者在競爭中都很難建立絕對優(yōu)勢地位，不利于實現(xiàn)NOB的“洗脫”。
　　 單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)在亞硝化啟動階段，反應(yīng)器內(nèi)真菌、細(xì)菌和放線菌的數(shù)量、種類(類群)、種(類群)數(shù)和優(yōu)勢種(類群)均發(fā)生了較大變化。異養(yǎng)菌被淘汰而自養(yǎng)型細(xì)菌開始富集的特征污泥相為桿狀絮體，穩(wěn)定的亞硝化系統(tǒng)建立并初具一定自養(yǎng)脫氮功能時期的特征污泥相為花瓣狀絮體。經(jīng)過成功啟動并穩(wěn)定運(yùn)行后，單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)隨著反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)碳源的減少

6、，系統(tǒng)中自養(yǎng)細(xì)菌在同異養(yǎng)細(xì)菌的競爭中逐漸占據(jù)優(yōu)勢地位，適應(yīng)能力較弱或?qū)τ袡C(jī)碳源量要求較高的異養(yǎng)細(xì)菌則被大量淘汰，微生物群落結(jié)構(gòu)與接種污泥相比已變得簡單且較穩(wěn)定，種群多樣性降低。與接種污泥相比，反應(yīng)器內(nèi)AOB、NOB及ANAMMOX數(shù)量大幅度提高，成為優(yōu)勢菌種。
　　 曝停比、DO及pH對單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)均有較大影響。曝停比為2h∶2h的條件下，中高低3種溶解氧水平中，生物膜微生物群落豐富度值均高于活性污泥，DO=2

7、.0(曝氣)/0.4(停曝)mg/L的條件下系統(tǒng)運(yùn)行效能最佳，微生物群落豐富度值最高，較高溶解氧會對厭氧菌的代謝產(chǎn)生抑制，而低溶解氧將影響好氧菌的活性。3h∶5h及5h∶3h的較長曝停周期下，各類細(xì)菌在活性污泥與生物膜中均能生存，且有足夠緩沖時間恢復(fù)部分活性，活性污泥與生物膜微生物組成接近。pH=8.0時，與其它pH條件相比系統(tǒng)運(yùn)行效能最佳，此時活性污泥與生物膜樣品的相似性最低，且生物膜中微生物條帶數(shù)在所有樣品中最豐富。pH=9.0時，

8、不僅對系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)有一定影響，同時也影響著系統(tǒng)中各功能菌的活性。pH=6.0的條件下，系統(tǒng)內(nèi)微生物種類大幅下降，該酸性條件已經(jīng)超出了厭氧氨氧化菌和硝化菌等功能菌種適宜的生長范圍。
　　 曝停比、DO及pH同樣對單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)中各功能菌數(shù)量也存在影響。高DO條件利于亞硝化菌AOB、硝化菌NOB生存，高DO濃度將對厭氧氨氧化菌ANAMMOX數(shù)量產(chǎn)生直接抑制，而低DO濃度水平時，由于缺乏厭氧氨氧化反應(yīng)的電子受體NO3-或NO2

9、-，也將間接影響ANAMMOX數(shù)量。在5h∶3h的曝停比條件下，DO可以穿透到生物膜內(nèi)部，滿足好氧微生物生存環(huán)境。但曝停比對ANAMMOX數(shù)量影響的顯著性不明顯。pH=6.0的酸性條件下，無論AOB、NOB還是ANAMMOX，細(xì)菌數(shù)量都大幅降低，pH=8.0時，各類細(xì)菌數(shù)量均達(dá)到最大值。pH=9.0時，過高的FA將對AOB產(chǎn)生抑制，從而影響到參與后續(xù)反應(yīng)的NOB及ANAMMOX數(shù)量。
　　 在單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)中分離純化得到亞硝化

10、球菌屬Nitrosomonas sp.N1(NCBI數(shù)據(jù)庫中注冊號為EU647556)，該菌株對氧氣需求量存在較嚴(yán)格要求，pH及溫度對其氨氧化活性具有明顯的影響，最適條件分別為pH8.0和30℃，在氨氮濃度80～800mg/L較寬的底物濃度范圍內(nèi)具有活性，當(dāng)氨氮濃度高達(dá)800mg/L時，其氨氧化活性沒有受到明顯的抑制。與已有報道的其它亞硝化菌相比，N1對氨氮有較強(qiáng)降解能力及較廣的濃度適應(yīng)范圍。同時通過T-A克隆的方法，在系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)2類不

11、同的AOB序列，一類與氨氧化菌標(biāo)準(zhǔn)菌株Nitrosomonas有98％的較高相似性，另一類則與其它一種未得到純培養(yǎng)的AOB接近，相似性為99％。存在的NOB比較單一，與Nitrospira相似性達(dá)到100％。檢測到11種不同ANAMMOX基因序列，與典型的厭氧氨氧化菌具有較高的相似性，相似性分別達(dá)到97～99％，主要歸屬于Candidatus Kuenenia stuttgartiensis及Candidatus Brocadia fu

12、lgida兩個屬。
　　 單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)中的活性污泥及生物膜樣品均具有亞硝化活性，其中活性污泥最大比氨氧化速率為0.234mgN/mgVSS·d，生物膜為0.081mgN/mgVSS·d，活性污泥亞硝化活性是生物膜的2.89倍左右。AOB為該單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)活性污泥中功能占優(yōu)的優(yōu)勢菌。而系統(tǒng)中生物膜最大厭氧氨氧化比反應(yīng)速率為0.223mgN/mgVSS·d相比，活性污泥為0.091mgN/mgVSS·d，僅為生物膜的41％，生

13、物膜是厭氧氨氧化反應(yīng)的主體。ANAMMOX為該單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)生物膜中功能占優(yōu)的優(yōu)勢菌。
　　 單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)中懸浮態(tài)活性污泥的亞硝化反應(yīng)可以近似按一級反應(yīng)表示，反應(yīng)速率隨生物量的增加而增加。NH4+濃度為560mg/L時，開始對亞硝化反應(yīng)產(chǎn)生抑制。DO=2.0mg/L是本研究中亞硝化過程的最佳DO操控水平，在30℃時NH4+比轉(zhuǎn)化速率達(dá)到研究范圍的最大值。填料上生物膜的厭氧氨氧化反應(yīng)也可按一級反應(yīng)表示。以Haldane模型對

14、試驗數(shù)據(jù)作非線性擬合，求得的最大比反應(yīng)速率為0.382mgN/mgVSS·d，此時NH4+濃度為251.59mg/L。NO2-對厭氧氨氧化的抑制作用較明顯，最大比反應(yīng)速率在NO2-濃度為28～70mg/L達(dá)到研究范圍最大值后，隨著NO2-濃度的升高迅速下降。連續(xù)曝氣條件下，DO=0.1mg/L時，將會對系統(tǒng)中ANAMMOX活性產(chǎn)生抑制。在pH=7.0～9.0的范圍內(nèi)，系統(tǒng)中厭氧氨氧化反應(yīng)過程中速率與pH值的關(guān)系可用Antoniou推導(dǎo)式