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强化生物除磷系统聚磷菌的富集反硝化除磷特性

作　者: 苗志加
导　师: 彭永臻
学　校: 北京工业大学
专　业: 环境工程
关键词: 强化生物除磷 聚磷菌 PCR-DGGE 反硝化除磷 N2O
分类号: X703
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


随着水体“富营养化”现象日益严重，污水排放标准的不断提升，以控制富营养化为目的的脱氮除磷已成为污水处理领域的研究重点之一。相比氮源，水体中磷浓度的增加更易引起富营养化现象，因此磷的去除成为控制水体富营养化的一个关键。强化生物除磷（EBPR）是污水生物除磷的一种有效而经济的方法，但在实际应用中常常会因为一些环境因素的改变造成系统除磷性能恶化甚至崩溃。为促进强化生物除磷技术的发展，针对强化生物除磷系统内存在的功能性微生物-聚磷菌进行富集，通过SBR工艺考察其在不同影响因素下的脱氮除磷特性，为强化生物除磷工艺的推广应用及稳定运行提供理论支持。（1）首先考察了不同碳源对EBPR系统的影响，对比研究了4种进水碳源方式（乙酸/丙酸、葡萄糖、混合生活污水、生活污水）在不同运行阶段对EBPR系统的除磷代谢及内碳源转化的影响，并针对乙酸/丙酸、葡萄糖、生活污水为碳源的不同运行阶段系统内微生物进行PCR-DGGE分析，发现碳源对微生物种群结构演替具有显著的影响，不同碳源的运行条件下，其优势微生物种群结构不同，3个系统均检测到除磷功能菌Rhodocyclus group。通过批次实验得到了乙酸、丙酸、葡萄糖、生活污水为碳源的EBPR系统厌氧化学计量学参数。（2）为进一步探讨PAO的代谢特性，在SBR反应器中，接种处理生活污水的活性污泥，在厌氧/好氧条件下以乙酸钠/丙酸为碳源交替运行，并且控制pH值在7.28.0，好氧时DO为2mg/L富集以Accumulibacter为优势菌属的PAO。采用DGGE分析在富集周期内微生物种群结构的演替，并利用FISH的检测手段分析在富集周期内PAO和GAO所占全菌的比例，PAO富集优势度达到89%。（3）在不同温度PAO在厌氧及好氧条件下的衰减实验表明：温度越高衰减速率越明显。衰减速率平均值分别为：10℃厌氧：0.053d-1；10℃好氧：0.050d-1；20℃厌氧：0.072d-1；20℃好氧：0.145d-1，同时通过LIVE/DEAD试剂盒鉴定09d衰减期内细胞的活性，得到PAO的活性衰减所占衰减比例为：35.8%、34%、26.4%、20.7%。（4）厌氧段pH影响小试实验表明，较高的pH对系统厌氧释磷有利，在pH9.0时，其速率反而略有降低。在好氧段，当pH低于6.5或是高于8.5时都不利于PAO好氧代谢。pH的冲击实验表明，在较低pH值冲击下（5.5），可能会导致系统崩溃，甚至是无法恢复，而在pH值为9.0冲击下系统可以得到较快的恢复，因此在实际工艺中一定要避免在低pH值条件下运行。pH、温度对PAO利用亚硝态氮作为电子受体的反硝化除磷代谢影响实验表明：从未经缺氧驯化的EBPR系统内高纯度聚磷菌也可以进行反硝化除磷代谢，聚磷菌在以细胞内PHA作为碳源进行反硝化除磷代谢过程中，均产生了大量的N2O的积累。N2O积累是由于初始亚硝酸盐对聚磷菌的NO2--N和N2O还原速率抑制的结果。聚磷菌在以亚硝酸为电子受体缺氧吸磷过程中产生的N2O，在底物充足的条件下，可以通过延长缺氧搅拌时间，使其转化为N2，进而从“质”上提高水体中脱氮除磷的效果。同时计算分别得到了PAO在不同pH和温度条件下利用亚硝态氮和积累的N2O作为电子受体的缺氧计量学参数。①不同亚硝态氮浓度批次实验表明：当初始NO2--N浓度高达112mg/L时，缺氧吸磷代谢并未停止，随着亚硝酸盐浓度升高，NO2--N还原速率、PO43--P吸收速率、PHA降解速率受到抑制，均呈下降趋势，此时亚硝酸盐还原速率与磷酸盐吸收速率仍可以达到：2.61mgNO2--N/gMLSS·h和3.0mgPO43--P/gMLSS·h。②不同pH值批次实验表明：较低pH值下（pH6.0），PAO的反硝化除磷代谢完全停止，在pH6.5-8.5范围内吸磷速率与亚硝态氮还原速率随pH值升高而加快。在不同pH值条件下N2O积累的最高值占TN比例分别为：18.8%、26.81%、40.63%、78.42%、61.55%、44.04%，相比pH值，FNA的浓度对于反硝化除磷过程中N2O还原的影响更为明显。较高FNA浓度会导致PAOs在反硝化除磷过程中N2O代谢滞后。并且在经较高FNA浓度抑制后，PAO表现出更低的N2O还原活性。③温度影响实验表明：亚硝态氮还原速率、磷酸盐吸收速率、N2O还原速率、PHA降解速率在10-25℃随温度上升而升高，在25℃均达到最大值，在30℃时有所降低，通过Arrhenius方程模拟得到在27℃时N2O还原速率达到理论最大值。在20-30℃，PAO利用积累的N2O作为电子受体对于温度的变化更加敏感。温度对N2O还原速率（N2O还原酶）具有显著的影响，然而当FNA与温度两个影响因素同时存在时，FNA的抑制起着主要的作用。计算得到在10至30℃条件下的温度系数θ1=1.140-1.216；温度系数θ2=1.139-1.167。此外发现在较高的温度下（27±0.5℃）长期运行，可以提高N2O还原速率，并且降低N2O的积累。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-18
第1章 绪论  18-48
  1.1 研究背景和意义  18-19
  1.2 污水除磷方法与现状  19-36
    1.2.1 化学法除磷  19-21
    1.2.2 强化生物法除磷技术  21-33
    1.2.3 反硝化除磷技术  33-36
  1.3 现代分子生物学研究进展  36-40
    1.3.1 常用分子生物学方法  36-39
    1.3.2 EBPR 系统分子生物学研究  39-40
  1.4 序批式活性污泥法  40-45
    1.4.1 SBR 工艺原理  40-43
    1.4.2 SBR 工艺特点  43-44
    1.4.3 常见 SBR 工艺  44-45
  1.5 课题主要研究内容  45-48
第2章 试验材料与方法  48-60
  2.1 试验用水和接种污泥  48-49
    2.1.1 实验水质  48-49
    2.1.2 接种污泥  49
  2.2 试验装置  49-52
    2.2.1 主反应器 SBR 装置  49-50
    2.2.2 小型批次实验设备  50-51
    2.2.3 反硝化除磷过程中 N_2O 代谢研究装置  51
    2.2.4 试验装置主要仪器设备  51-52
  2.3 试验分析项目与检测方法  52-57
    2.3.1 常规理化分析项目与方法  52-53
    2.3.2 挥发性脂肪酸的测定  53
    2.3.3 PHA 的测定  53-54
    2.3.4 糖原的测定  54
    2.3.5 荧光原位杂交  54-55
    2.3.6 样品总 DNA 提取  55-56
    2.3.7 PCR-DGGE  56-57
    2.3.8 Live/Dead 细胞鉴定  57
  2.4 主要分析测定仪器和设备  57-60
第3章 不同碳源对 EBPR 系统的影响  60-90
  3.1 不同碳源运行 EBPR 系统  60-76
    3.1.1 试验材料及方案  60-62
    3.1.2 不同碳源启动运行 EBPR 反应器  62-67
    3.1.3 不同碳源系统负荷提高阶段特点  67-72
    3.1.4 不同碳源系统除磷特性  72-76
  3.2 不同碳源系统内微生物种群结构分析  76-81
    3.2.1 实验方案  77
    3.2.2 不同碳源系统在不同时期的除磷特性  77-78
    3.2.3 不同运行阶段系统微生物菌群分析  78-81
  3.3 不同碳源对 EBPR 化学计量学参数的影响  81-88
    3.3.1 静态实验设计  82
    3.3.2 检测方法  82
    3.3.3 主反应器运行效果及除磷特性  82-83
    3.3.4 主反应器系统内聚磷菌浓度鉴定  83-84
    3.3.5 不同碳源下 PHA 和糖原厌氧代谢化学计量学参数  84-87
    3.3.6 不同碳源下释磷特性  87-88
  3.4 本章小结  88-90
第4章 以 Accumulibacter 为优势菌属的富集培养及菌群结构分析  90-100
  4.1 试验材料与方法  91
    4.1.1 反应装置  91
    4.1.2 试验水质  91
    4.1.3 分析方法  91
  4.2 不同富集阶段微生物菌群结构分析  91-98
    4.2.1 系统除磷特性  92-93
    4.2.2 不同阶段 DGGE 图谱分析  93-96
    4.2.3 不同阶段 FISH 分析  96-98
  4.3 本章小结  98-100
第5章 温度、pH 及电子受体对 PAO 代谢的影响  100-120
  5.1 温度对 PAO 衰减特性的影响  100-107
    5.1.1 材料与方法  101-102
    5.1.2 不同温度对聚磷菌衰减代谢的影响  102-107
  5.2 pH 对 PAO 除磷特性的影响  107-114
    5.2.1 静态试验设计  107-108
    5.2.2 pH 短期影响实验  108-110
    5.2.3 pH 冲击及恢复实验  110-114
  5.3 不同电子受体对 PAO 代谢的影响  114-117
    5.3.1 静态实验设计  114-115
    5.3.2 不同电子受体对 PAO 除磷的影响  115
    5.3.3 PAO 缺氧除磷过程中氮的转化  115-117
  5.4 本章小结  117-120
第6章 亚硝酸盐对 PAO 反硝化除磷代谢及 N_2O 还原的影响  120-128
  6.1 实验材料和方法  120-121
    6.1.1 实验种泥  120-121
    6.1.2 静态实验设计  121
    6.1.3 检测方法  121
  6.2 亚硝酸盐浓度对反硝化脱氮性能的影响  121-122
  6.3 亚硝酸盐对 N_2O 积累的影响  122-124
  6.4 亚硝酸盐浓度对缺氧吸磷的影响  124-125
  6.5 亚硝酸盐浓度对 PHA 代谢的影响  125-126
  6.6 本章小结  126-128
第7章 pH 对 PAO 反硝化除磷代谢及 N_2O 还原的影响  128-144
  7.1 实验材料与方法  128-129
    7.1.1 静态实验设计  128-129
    7.1.2 检测方法  129
  7.2 pH 对三氮及磷酸盐代谢的影响  129-132
  7.3 pH 对亚硝酸盐还原的影响  132-133
  7.4 pH 对 N_2O 产生的影响  133-137
  7.5 pH 对 PHA 和糖原代谢的影响  137-143
  7.6 本章小结  143-144
第8章 温度对 PAOs 反硝化除磷代谢及 N_2O 产生的影响  144-160
  8.1 实验材料与方法  144-147
    8.1.1 实验种泥  144-145
    8.1.2 静态实验设计  145-146
    8.1.3 分析与检测方法  146-147
  8.2 温度对 PAOs 反硝化除磷代谢及 N_2O 积累的影响  147-158
    8.2.1 对磷和亚硝态氮代谢的影响  147-149
    8.2.2 对 N_2O 积累的影响  149-151
    8.2.3 对 PHA 降解的影响  151-152
    8.2.4 对计量学和动力学参数的影响  152-158
  8.3 不同温度下长期运行对 PAOs 反硝化除磷过程中 N_2O 产生的影响  158-159
  8.4 本章小结  159-160
结论  160-164
参考文献  164-176
攻读博士学位期间所发表的学术论文  176-178
致谢  178-179

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 废物处理与综合利用 > 一般性问题 > 废水的处理与利用
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