污水處理中脫氮功能微生物特性及固定化應(yīng)用研究.pdf

1、隨著水體富營養(yǎng)化的日趨嚴(yán)重與污水排放標(biāo)準(zhǔn)、氮素限值的日趨嚴(yán)格，水中氮素的去除已成為當(dāng)今水污染防治的熱點(diǎn)問題之一。生物脫氮是從廢水中去除氮素污染的最為經(jīng)濟(jì)有效的方法，可實(shí)現(xiàn)真正意義的氮去除。目前為止，盡管傳統(tǒng)生物脫氮工藝是多數(shù)廢水生物脫氮處理的主要承擔(dān)者，但仍存在著硝化速率低、工藝復(fù)雜、脫氮效率低等缺點(diǎn)。而在氮素循環(huán)過程中發(fā)現(xiàn)的新型脫氮微生物，可以克服傳統(tǒng)生物脫氮工藝固有的問題，對這些微生物的研究與新型脫氮工藝開發(fā)，是對傳統(tǒng)生物脫氮理論與

2、實(shí)踐的豐富與突破。本文從活性污泥中分離出一株異養(yǎng)硝化/好氧反硝化細(xì)菌A1、一株高效缺氧反硝化細(xì)菌D6，研究了兩株細(xì)菌以及已有的好氧反硝化細(xì)菌AD6脫氮過程的生態(tài)影響因子。同時(shí)考察了Ca2+在好氧顆粒污泥形成中的作用，確定了SBR中快速培育好氧顆粒污泥的條件。在此基礎(chǔ)上，將分離、鑒定的3株脫氮功能菌以好氧顆粒污泥形式固定化，研究了其在開放的污水處理系統(tǒng)中的作用與穩(wěn)定性，構(gòu)建了基于微生物及環(huán)境因子的同步硝化與反硝化工藝(Simultaneo

3、us Nitrification and Denitrification, SND)。本文主要研究結(jié)果為：
　　 從活性污泥中分離得到一株異養(yǎng)硝化細(xì)菌A1，通過形態(tài)學(xué)、生理生化特征并結(jié)合16SrDNA序列同源性分析，初步鑒定該菌為枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）。菌株A1可以自養(yǎng)生長。當(dāng)培養(yǎng)液NH4+為105.58、257.23mg/L時(shí)，菌株A1培養(yǎng)120h，培養(yǎng)液COD可達(dá)94.77、90.26mg/L，對

4、NH4+去除率為36.32％、19.53％，對TN去除率為24.88、13.09％;當(dāng)NH4+為536.21、1014.17mg/L時(shí)，菌株A1生長受到抑制，培養(yǎng)120h，培養(yǎng)液COD分別為56.80、33.56mg/L，菌株A1對NH4+去除率僅有6.54％、2.26％，對TN去除率僅為4.07％、2.27％，基本沒有脫氮效果。考察了碳源種類與數(shù)量對菌株A1脫氮特性的影響。葡萄糖、檸檬酸鹽、丁二酸鹽、乙酸鹽4種碳源對菌株A1脫氮特性的

5、影響沒有明顯差異，以乙酸鹽為碳源時(shí)，最大COD、NH4+、TN去除效率分別為71.08％、60.35％、52.22％。培養(yǎng)液碳源為乙酸鹽，菌株A1在C/N值為6、12時(shí)，對COD,TN，NH4+去除效率較高，分別為79.35％、71.08％,59.21％、52.22％，67.07％、60.35％，培養(yǎng)過程中培養(yǎng)液DO始終大于4.01mg/L。由此，菌株A1具有異養(yǎng)硝化/好氧反硝化功能。
　　 通過菌株形態(tài)觀察、生理生化特征及16

6、SrDNA序列分析，鑒定一株可進(jìn)行好氧反硝化作用的細(xì)菌AD6為假單胞菌屬門多薩菌（Pseudomonasmendocina）。采用搖瓶試驗(yàn)，研究了C/N值，培養(yǎng)液DO及檸檬酸鹽、乙酸鹽、葡萄糖3種有機(jī)碳源，NH4+、NO2ˉ和NO3ˉ3種氮源對好氧反硝化細(xì)菌AD6脫氮特性的影響。C/N值不僅直接影響好氧反硝化過程中碳源數(shù)量，也顯著影響培養(yǎng)液DO變化。起始C/N值為3時(shí)，因碳源數(shù)量不夠而導(dǎo)致AD6好氧反硝化脫氮效率僅有41.71％；當(dāng)起始

7、C/N值為23、15、8時(shí)，培養(yǎng)液DO先快速下降至缺氧狀態(tài)然后再升至好氧狀態(tài)，反應(yīng)末期TN損失率分別為69.33％、70.41％、55.40％，其中好氧階段反硝化作用引起的TN損失約為6.93％、20.09％、24.60％。培養(yǎng)液起始DO為7.15～8.08mg/L,C/N值為15及以下，搖瓶(250mL三角瓶)裝液量為25～100mL，搖床轉(zhuǎn)速為180r/min，培養(yǎng)液DO先下降至缺氧狀態(tài)，但可在反硝化反應(yīng)進(jìn)行24h后恢復(fù)至好氧狀態(tài)，

8、減少搖瓶裝液量的充氧措施提高培養(yǎng)液DO效果有限。檸檬酸鹽與乙酸鹽是AD6能夠高效利用的碳源，利用率可達(dá)89.64％、92.11％，而同樣條件下葡萄糖的利用率僅有40.56％。乙酸鹽促進(jìn)了AD6的好氧反硝化功能，TN去除率、好氧反硝化脫氮效率分別比以檸檬酸鹽為碳源時(shí)高13.63％、5.18％。該菌株可分別以NH4+、NO2ˉ和NO3ˉ為起始氮源進(jìn)行生長與脫氮作用，培養(yǎng)29～33h達(dá)到最大氮去除效率，分別為16.57％、74.84％與74.

9、61％,AD6表現(xiàn)出微弱的異養(yǎng)硝化/好氧反硝化功能。
　　 從活性污泥中分離篩選出一株高效缺氧反硝化細(xì)菌D6，通過形態(tài)學(xué)、生理生化特征并結(jié)合16SrDNA序列同源性分析，初步鑒定該菌為施氏假單胞菌（PseudomDnasstutzeri)。當(dāng)C/N值為6、12時(shí)，菌株D6經(jīng)過54h培養(yǎng)，COD、TN去除效率可分別達(dá)到90％、80％以上。檸檬酸鹽、乙酸鹽是菌株D6反硝化過程中能高效利用的碳源，當(dāng)C/N值為6，培養(yǎng)54h后，可分別取

10、得80.72％、74.75％的TN去除率以及90.53％、86.30％的COD去除率；同樣培養(yǎng)條件下，菌株D6以葡萄糖為碳源，TN與COD去除率分別只有56.56％、74.64％。當(dāng)C/N值為6,NO3ˉ濃度為182.38～358.30mg/L，菌株D6脫氮效率不受NO3ˉ濃度影響，可達(dá)80.72～82.50％。采用搖床振蕩培養(yǎng)與培養(yǎng)箱靜置培養(yǎng)2種方式考察菌株D6的反硝化特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)培養(yǎng)液DO大于1.0mg/L，菌株D6的反硝化特性基本

11、被抑制。
　　 通過運(yùn)行序批式生物反應(yīng)器(Sequencing Batch Reactor， SBR)與搖瓶試驗(yàn)相結(jié)合方法，在進(jìn)水中投加不同數(shù)量Ca2+(0～200mg/L)，考察了Ca在好氧顆粒污泥形成中的作用。設(shè)計(jì)了進(jìn)水Ca2+含量分別為30(Ⅰ)、100mg/L(Ⅱ)的2組SBR試驗(yàn)，運(yùn)行20d后，兩反應(yīng)器中均出現(xiàn)了好氧顆粒污泥。運(yùn)行前50d，SBR I中顆粒污泥濃度(Mixed Liquor Suspended Soli

12、d,MLSS)與污泥沉降指數(shù)（SludgeVolumeIndex,SVI）指標(biāo)明顯好于SBRⅡ；運(yùn)行后期，SBRⅠ、Ⅱ中MLSS、SVI差異很小。反應(yīng)器運(yùn)行與搖瓶試驗(yàn)表明，當(dāng)進(jìn)水中Ca2+為0～200mg/L，進(jìn)水中Ca2+含量的增加對污泥Zeta電位影響很小，沒有引起好氧顆粒污泥Zeta電位的明顯差異，電中和在顆粒污泥形成過程中并不起重要作用。隨著進(jìn)水Ca2濃度增加，顆粒污泥中的微生物數(shù)量與種類都逐漸豐富，Ca2+有助于促進(jìn)污泥中微生

13、物多樣性。接種污泥及SBR中顆粒污泥的元素含量分析表明，顆粒污泥中Ca、Mg、K、Na含量均有所減少，F(xiàn)e含量分別增加了4.42％、7.82％。具有良好絮凝作用的金屬離子與EPS間形成的高分子生物聚合體可能是促進(jìn)好氧顆粒污泥形成的主要原因。采用2套相同的模擬SBR裝置，配制典型的高濃度生活污水，在上述運(yùn)行條件下均形成好氧顆粒污泥。其中1套模擬SBR裝置在好氧顆粒污泥形成過程中，按7天1次的頻率投加了3次A1、AD6、D6的混合菌液。60

14、d運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果表明，投加功能菌的SBR中形成了具有良好脫氮效果的好氧顆粒污泥，對COD、TN、NH4+的去除效率分別達(dá)到96.53％、85.59％、99.54％，比普通好氧顆粒污泥分別高2.02％、22.16％、5.31％，反應(yīng)過程中NO3ˉ、NO2ˉ的積累量很少，出水中COD、TN、NH4+濃度可以穩(wěn)定地達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)，具有較好的同步脫氮除碳功能。對裝置運(yùn)行過程中顆粒污泥PCR-

15、DGGE圖譜的動態(tài)研究分析表明，接入的異養(yǎng)硝化/好氧反硝化細(xì)菌A1、好氧反硝化細(xì)菌AD6、缺氧反硝化細(xì)菌D6能夠固定在顆粒污泥中，在SBR反應(yīng)器中具有一定的數(shù)量優(yōu)勢，有助于功能菌長期穩(wěn)定的發(fā)揮脫氮功能。
　　 全文研究表明，異養(yǎng)硝化菌株A1、好氧反硝化菌株AD6、缺氧反硝化菌株D6均具有氮脫除功能，但菌株類型不同，生態(tài)因子如有機(jī)物濃度、碳源種類、DO、氮源等對脫氮特性的影響存在明顯差異。將3類脫氮功能菌組合，形成好氧顆粒污泥，能