降解苯胺和氯苯胺好氧污泥顆粒化及其微生物分子生態(tài)特性研究.pdf

1、好氧生物處理工藝在國內(nèi)外最廣泛應用于城鎮(zhèn)污水和工業(yè)廢水處理，系統(tǒng)運行性能和穩(wěn)定性很大程度上取決于工藝反應器的傳質傳遞、流體動力學以及降解菌生物量、活性與污泥微生物種群多樣性。為實現(xiàn)生物反應器高活性生物量持留、多樣化微生物菌群富集，強化生物處理工藝系統(tǒng)運行高效性和穩(wěn)定性，本論文以序批式好氧生物反應器(SBR)和序批式氣提生物反應器(SABR)為平臺，以苯胺和氯苯胺類為模式有機物，開展了降解苯胺(AN)和氯苯胺(CIAs)好氧污泥顆?；捌?/p>

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

3、力學特征影響污泥顆?；M程與顆粒污泥活性，高徑比(H/D)較大的SBR、SABR反應器易發(fā)生好氧污泥顆?；墒祛w粒污泥粒徑分別為1.68mm和1.25 mm，比4-ClA降解速率達0.2l～0.27g.g-1.d-1，該兩組反應器具有較高的污染物降解能力與運行穩(wěn)定性。結果揭示反應器結構及其水力學特征影響污泥顆?；M程與顆粒污泥活性。 處理含多種C1As和AN有機廢水SABR反應器同樣可實現(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；相對而言，進水含AN和C1As的SABR反應器具有較高目標污染物去除性能、耐沖擊能力和運行穩(wěn)定性。 2、反應器在進水C1As負荷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排放等條件下運行，可獲得結構致密、沉降性能優(yōu)異的好氧顆粒污泥。短期營養(yǎng)元素缺失對顆粒污泥特性影響結果表明，碳源缺失時污泥顆粒強度和表面疏水性有所增強，C，K元素缺失時污泥EPS含量減少，C、N、P元素缺失時污泥SOUR明顯下降，而C、Fe元素缺失時微生物生長受限。結果可為好氧顆粒污泥工藝設計與運行調(diào)控提供理論依據(jù)。 氯苯胺負荷沖擊下不同結構顆?；磻鬟\行穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)，

6、H/D較大的R2、R3反應器抗基質負荷沖擊能力較強。反應器剪切率試驗結果表明，R3、R2反應器總剪切率較高，分別為(1.14～2.31)×105 s-1和(0.56～2.23)×105 -1，而H/D較小的R1反應器剪切率僅為(0.34～1.27)×105S-1。結果證實可提供較強水力剪切條件的反應器具有較高的耐沖擊能力和運行穩(wěn)定性。 灰色多因素數(shù)學法分析好氧顆粒污泥特性與顆?；绊懸蛩氐年P聯(lián)度發(fā)現(xiàn)，污泥沉降速率(SV)與總生物

7、密度(dtm)關聯(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)關聯(lián)度僅0.664。根據(jù)對好氧顆粒污泥特征指標的關聯(lián)度分析，確定有機負荷率(OLR)，水力剪切力(HFS)、污泥沉降時間(SST)為好氧污泥顆?；骺匾蜃?。研究結果有望為好氧顆粒污泥工藝長期穩(wěn)定運行提供技術支撐。 顆?；^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呈正相關；表面氣速提高至2.4 cm.s-1時污泥EPS中PN含量與PN/PS比值明顯增加，縮短污泥沉降時間(小于10 min)有利于顆粒污泥EPS中PN含量增加．研究結果揭示EPS及其PN組分在顆粒污泥形成過程中扮演重要角色。 結合已有研究結果，綜合考慮本實驗確立的污泥顆?；^程主控因子，提出如下好氧顆粒污泥形成機

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，通過對微生物表面特性影響促使菌體間相互吸引、粘連成菌膠團，進而在EPS吸附、包裹與絲狀菌、高價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、結構優(yōu)化，最終形成結構致密的顆?；勰?；傳質限制或環(huán)境條件變化時大粒徑污泥發(fā)生解體，形成的碎片可作為“二次核”實現(xiàn)污泥快速顆?；?。 3、好氧顆粒降解AN和ClAs符合Haldane動力學，最大

10、比基質降解速率(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)、熱力學參數(shù)與其生物降解性相關性較好。不同粒徑好氧顆粒的污染物降解動力學研究發(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以上時顆粒污泥Ki值繼續(xù)增大，但Vmax呈下降趨

11、勢。結果揭示污泥顆粒形成有利于改善反應器處理有毒有機物性能，但控制顆粒污泥大小對工藝高效運行十分重要。 成熟好氧顆粒污泥具有較高的誘導型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。 好氧顆粒污泥生長動力學分析結果表明，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”被微生物所利用，應用Luedeking-Piret模型可較好擬合比EPS生成速率(qEPS)、比PHB生成速率(qPHB)與微生物生長速率(μ)之間的關系。 4、降解苯胺和氯苯胺污泥顆?；^程微生物種群結構演替顯著，隨著污泥顆粒化而出現(xiàn)特異性條帶。降解4-CIA污泥顆粒化過程，污泥小顆粒快速形成的R2、R3反應器污泥DGG

13、E圖譜條帶較為豐富，污泥菌群結構相似性較高，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反應器內(nèi)顆粒污泥共有的優(yōu)勢功能降解菌為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雜，其顆粒污泥微生物種

15、群結構更為豐富。 RTQ-PCR定量分析結果表明，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，其占細菌總數(shù)的比例最終穩(wěn)定在28.83％、15.6％和50.64％。結果揭示