電-磁場強(qiáng)化厭氧氨氧化及多菌群協(xié)同自養(yǎng)生物脫氮.pdf

1、厭氧氨氧化(ANaerobic AMMonia OXidizing，ANAMMOX)技術(shù)由于具有高效、低耗和環(huán)境友好等特性已在廢水處理方面受到研究者們的廣泛關(guān)注。完成ANAMMOX過程的細(xì)菌能夠在厭氧條件下以亞硝酸氮為電子受體，將氨氮氧化生成氮?dú)?。這種生物脫氮技術(shù)的研究歷程雖已有十余年的歷史，但至今仍未廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐，而限制該技術(shù)應(yīng)用的主要瓶頸在于ANAMMOX細(xì)菌生長速率較低所導(dǎo)致的工藝啟動(dòng)時(shí)間漫長，以及ANAMMOX細(xì)菌生長條件

2、苛刻所導(dǎo)致的工藝應(yīng)用范圍較窄等方面。 針對(duì)目前ANAMMOX研究中存在的問題，本文以在厭氧自養(yǎng)條件下長期培養(yǎng)的ANAMMOX菌群為研究對(duì)象，研究了通過采用外加電場和磁場提高ANAMMOX菌群活性來縮短工藝啟動(dòng)時(shí)間，以及開發(fā)以ANAMMOX技術(shù)為基礎(chǔ)的多菌群耦合協(xié)同技術(shù)來擴(kuò)大工藝應(yīng)用范圍的可行性。論文取得了一些創(chuàng)新性的研究成果，主要包括： (1)研究發(fā)現(xiàn)，外加磁場能夠有效提高ANAMMOX菌群的厭氧氨氧化活性，進(jìn)而縮短

3、ANAMMOX反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間。在磁場強(qiáng)度為16.8～95 mT范圍內(nèi)，ANAMMOX菌群的活性得到了顯著提高；當(dāng)強(qiáng)度為75 mT時(shí)，ANAMMOX菌群活性的提高值最大，達(dá)到50％；然而，強(qiáng)度過高的磁場則對(duì)ANAMMOX菌群活性產(chǎn)生了抑制效應(yīng)。60 mT磁場ANAMMOX反應(yīng)器的連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，和無磁場作用的對(duì)照實(shí)驗(yàn)相比，反應(yīng)器的最高NH4+-N去除負(fù)荷提高了30％，啟動(dòng)時(shí)間縮短了1/4。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明在磁場作用下，A

4、NAMMOX菌群多樣性顯著下降，而進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)的Plactomycetes sp.得到了有效富集，其占全部真細(xì)菌的比重大約由60％上升到80％。 (2)研究表明，外加電場能夠有效增強(qiáng)ANAMMOX菌群活性，進(jìn)而縮短ANAMMOX反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間。當(dāng)電極電壓為-0.05 VSCE時(shí)，活性的提高值最大，達(dá)到20％。電場的作用也促進(jìn)自養(yǎng)反硝化反應(yīng)的發(fā)生，降低ANAMMOX反應(yīng)副產(chǎn)物NO3--N的濃度。在-0.05 VSCE工作

5、電極電壓下，運(yùn)行電極-生物膜ANAMMOX反應(yīng)器，和無電極電壓作用的對(duì)照實(shí)驗(yàn)相比，反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間縮短了1/5，總氮去除率也由80％提高到99.8％。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，在-0.05 VSCE工作電極電壓下，能進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)的Planctomycetes sp.得到了有效富集；自養(yǎng)通電馴化富集了氫自養(yǎng)型反硝化細(xì)菌Pseudomonas sp.，使得電極-生物膜ANAMMOX反應(yīng)器具有良好的自養(yǎng)反硝化性能。 (3)本

6、研究證實(shí)ANAMMOX反應(yīng)器能夠?qū)崿F(xiàn)尿素氮的有效去除。利用percoll密度梯度離心的方法得到了純ANAMMOX細(xì)菌，批式實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其雖具有較高的厭氧氨氧化活性，但是并不具備尿素水解能力。采用平板稀釋涂布的方法分離得到了一株能在厭氧自養(yǎng)條件下水解尿素的細(xì)菌。分子生物學(xué)分析表明這株尿素水解細(xì)菌是Bacillus sp。中的一種，被命名為Bacillus sp．LST-1。反應(yīng)器中(NH2)2CO-N的去除過程包括Bacillus sp。

7、參與的尿素水解生成NH4+-N的反應(yīng)以及接下來的Plactomycetes sp.完成的厭氧氨氧化反應(yīng)。尿素水解過程與厭氧氨氧化過程聯(lián)合工藝的開發(fā)，對(duì)于擴(kuò)大ANAMMOX技術(shù)的應(yīng)用范圍具有重要意義。 (4) ANAMMOX反應(yīng)器可以同時(shí)去除NH4+-N和SO2-4。這種過程是由NH4+-N氧化和SO2-4還原反應(yīng)，以及接下來的厭氧氨氧化反應(yīng)兩步所組成。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了一種和已知Planctomycetes sp.(DQ89

8、9895.1)序列相似性達(dá)92％的細(xì)菌在NH4+-N和SO2-4存在條件下得到了強(qiáng)烈的富集，被命名為Anammoxoglobus sulfate。Anammoxoglobussulfate細(xì)菌在NH4+-N氧化和SO2-4還原生成NO2--N的反應(yīng)中起重要作用。此后，Planctomycetes sp.共同完成接下來的厭氧氨氧化反應(yīng)以完成NH4+-N和SO2-4的完全去除。以SO2-4為底物的厭氧氨氧化工藝的開發(fā)，對(duì)于擴(kuò)大ANAMMOX

9、技術(shù)的應(yīng)用范圍具有重要意義。 (5)研究發(fā)現(xiàn)，ANAMMOX菌群能夠在有溶解氧的條件下進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)。ANAMMOX反應(yīng)器生物膜的最大好氧氨氧化活性為1.38 mmoINH4+-N/(gVSS·day)，這對(duì)于消耗氧氣保持厭氧氨氧化反應(yīng)所需的厭氧條件具有重要作用。在溶解氧存在條件下，菌群的最大厭氧氨氧化活性輕微下降，從21.23 mmoINH4+-N/(gVSS·day)下降到20.23mmolNH4+-N/(gVSS·d

10、ay)。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)兩株和Nitrosomonas eutropha(AY123795)序列相似性高達(dá)99％的細(xì)菌存在于反應(yīng)器中，其在有氧條件下能轉(zhuǎn)變其代謝模式好氧生長，從而保證Planctomycetes sp.代謝所必須的厭氧條件。能在進(jìn)水中含有溶解氧的條件下培養(yǎng)ANAMMOX菌群，為ANAMMOX技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用節(jié)省必要的曝惰性氣體排氧的能源消耗費(fèi)用。 (6)鹽度可以作為CANON工藝穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵性控制因素之

11、一。批式實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，10 g/L的NaCl在限氧條件下能較好的抑制亞硝酸氧化活性，進(jìn)而增強(qiáng)好氧氨氧化活性和厭氧氨氧化活性。在反應(yīng)器進(jìn)水加入10 g/L的NaCl之后，出水NH4+-N和NO3--N濃度降低，反應(yīng)器的總氮去除負(fù)荷從0.4 kgN/(m3·day)提高到0.6 kgN/(m3·day)，總氮去除率從54％提高到80％。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，和已知Nitrospira sp。(AY224041、DQ414438)基因序