鐵型脫氮技術(shù)及其微生物學(xué)特性研究.pdf

1、我國(guó)水體氮素污染嚴(yán)重，亟待治理。傳統(tǒng)反硝化技術(shù)以有機(jī)物作為電子供體，脫氮效能高但投資成本大。尤其是在全國(guó)實(shí)施“控源減排”后，水體有機(jī)污染得到有效控制，水體中C/N比大幅降低，自養(yǎng)反硝化技術(shù)逐步受到人們的青睞。較之硫型、氫型自養(yǎng)反硝化，鐵型自養(yǎng)反硝化具有安全性高、無(wú)毒害、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)鐵鹽脫氮產(chǎn)物三價(jià)鐵還可用于化學(xué)除磷及吸附重金屬。本論文以研發(fā)高效、穩(wěn)定的連續(xù)流鐵鹽脫氮技術(shù)為宗旨，通過(guò)運(yùn)行反應(yīng)器，探究微生物學(xué)機(jī)理，不斷改進(jìn)技術(shù)，強(qiáng)化

2、鐵鹽脫氮效能。主要結(jié)論如下:
　　1)探究了投加反硝化污泥(Denitrification Sludge，DeS)對(duì)鐵鹽脫氮(Ferrous-dependent Nitrate Reduction，F(xiàn)eNiR)技術(shù)的強(qiáng)化效應(yīng)，優(yōu)化了FeNiR技術(shù)菌源。
　　以DiS(Digested Sludge，DiS)為接種污泥，F(xiàn)eNiR反應(yīng)器的硝氮去除負(fù)荷是0.08±0.004kg-N/(m3·d)，亞鐵去除負(fù)荷是0.74±0.00

3、9kg-Fe/(m3·d)。投加DeS(6％，V/V)可使FeNiR技術(shù)效能倍增，F(xiàn)eNiR反應(yīng)器的硝氮去除負(fù)荷增至0.18±0.013kg-N/(m3·d)，亞鐵去除負(fù)荷增至1.62±0.062kg-Fe/(m3·d)，是初始硝氮去除負(fù)荷和亞鐵去處負(fù)荷的2.4倍和2.2倍，且該現(xiàn)象具有重現(xiàn)性。追蹤研究DeS在FeNiR反應(yīng)器中的性狀變化，考察了不同取樣時(shí)間下的DeS活細(xì)胞比例和堿性磷酸酯酶(Alkaline Phosphatase，A

4、LP)活性，結(jié)合反應(yīng)器脫氮除鐵速率和DeS比活性，發(fā)現(xiàn)占總污泥體積6％的DeS對(duì)FeNiR反應(yīng)器脫氮效能的直接貢獻(xiàn)率達(dá)到82.3％，對(duì)FeNiR反應(yīng)器去鐵效能的直接貢獻(xiàn)率達(dá)到84.7％，說(shuō)明DeS對(duì)FeNiR技術(shù)效能的強(qiáng)化主要?dú)w因于DeS的高FeNiR活性。采用批次試驗(yàn)考察DiS和DeS的比FeNiR活性，發(fā)現(xiàn)DeS的比FeNiR活性是DiS的11.36倍。對(duì)DeS進(jìn)行菌群分析，發(fā)現(xiàn)居前三位的優(yōu)勢(shì)菌群有Thauera(陶厄氏菌屬)、Hy

5、phomicrobium（生絲微菌屬）和Azoarcus(固氮弓菌屬)。基于以上結(jié)果，DeS被認(rèn)為是FeNiR技術(shù)的優(yōu)質(zhì)菌源。
　　2)研發(fā)了基于反硝化污泥的亞鐵型硝酸鹽還原(Ferrous-dependent Nitrate Reduction by"Professional Sludge"，F(xiàn)eNiR-Pro)技術(shù)，考察了FeNiR-Pro技術(shù)脫氮效能和FeNiR-Pro顆粒污泥特性。
　　以DeS為接種污泥運(yùn)行FeNi

6、R-Pro反應(yīng)器，設(shè)定水力停留時(shí)間為4.4h，污泥VSS含量為0.11g/(g污泥)，進(jìn)水硝氮、亞鐵濃度分別為130mg-N/L和2600mg-Fe/L，硝氮、亞鐵去除率達(dá)98.00％和80.00％，去除負(fù)荷達(dá)0.70kg-N/(m3·d)和9.29kg-Fe/(m3·d)，反應(yīng)器脫氮具有高效性。在反應(yīng)器的最佳運(yùn)行狀態(tài)下，顆粒污泥的活細(xì)胞比例維持在60％以上，ALP活性維持在0.45mmol/(g VSS·min)以上，比反硝化活性維持

7、在0.2mg-N/(g VSS·h)，比鐵氧化活性維持在2.2mg-Fe/(g VSS·h)，顆粒污泥的高活性是FeNiR-Pro技術(shù)高效能的保障。FeNiR產(chǎn)物三價(jià)鐵堆積在細(xì)胞表面形成鐵殼，鐵殼包被增加傳質(zhì)阻力，阻礙了顆粒污泥內(nèi)微生物與外界的物質(zhì)交流從而使得污泥活性下降;當(dāng)對(duì)顆粒污泥進(jìn)行促溶處理后，顆粒污泥表面鐵殼變薄，部分區(qū)域重新暴露，污泥活性得以恢復(fù);鐵殼包被是污泥失活的重要致因，探尋“去殼”或避免鐵殼形成方法，維持反應(yīng)器的總污泥

8、活性是FeNiR-Pro技術(shù)的發(fā)展方向。
　　3)研發(fā)了基于反硝化污泥的流加式亞鐵型硝酸鹽還原(the advanced Ferrous-dependent Nitrate Reduction by"Professional Sludge",FeNiR-Pro-Plus)技術(shù)，確定了FeNiR-Pro-Plus技術(shù)的操作條件，揭示了FeNiR-Pro-Plus技術(shù)的工作機(jī)理。
　　污泥VSS含量為0.12g/(g污泥)，采用

9、菌種流加操作，運(yùn)行了FeNiR-Pro-Plus反應(yīng)器，設(shè)定反應(yīng)器水力停留時(shí)間為4.5h，進(jìn)水硝氮、亞鐵濃度分別為128.96±12.65mg-N/L和1211.99±126.96mg-Fe/L，硝氮、亞鐵的去除率達(dá)70.00％和88.22％，去除負(fù)荷分別為0.70kg-N/(m3·d)和8.69kg-N/(m3·d)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為5.7％(N)和8.1％(Fe)，實(shí)現(xiàn)了鐵鹽脫氮技術(shù)的高效穩(wěn)定。菌種流加操作是實(shí)現(xiàn)鐵鹽脫氮技術(shù)高效穩(wěn)

10、定的關(guān)鍵，F(xiàn)eNiR-Pro-Plus技術(shù)的優(yōu)化操作條件為:種泥流加量為污泥持有量為10.6％(V/V)，種泥流加周期為4天。新老更替是實(shí)現(xiàn)鐵鹽脫氮技術(shù)高效穩(wěn)定的根本。鐵殼包被是污泥老化的重要致因，也是造成顆粒污泥有效生物量和生物活性衰減的根本原因;通過(guò)流加新鮮種泥，替代老化污泥，“對(duì)沖”反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)有效生物量的減少和生物活性的降低，滿足“補(bǔ)加量=衰減量”關(guān)系，可以保障在一個(gè)流加周期內(nèi)反應(yīng)效能維持在較高水平。
　　4)分離了一株Fe

11、NiR菌，探究了FeNiR菌形貌特性、生理生化特性及比活性，揭示了FeNiR過(guò)程機(jī)理，構(gòu)建了FeNiR過(guò)程模型。
　　從穩(wěn)定運(yùn)行的FeNiR反應(yīng)器中分離獲得了一株FeNiR菌株，命名為菌株F1。該菌株菌體呈桿狀，兩端鈍圓，大小為(0.3～0.5)μm×(0.8～1.0)μm，革蘭氏陰性;經(jīng)生化鑒定、16SrRNA基因序列測(cè)定，將菌株F1歸入Shewanella sp.（希瓦式菌屬）。菌株F1具有高活性，最大反硝化速率為3.24mg