智能化控制SBBR处理城市污水脱氮除磷性能和微生物学研究

论文摘要

污水排放标准日趋严格,众多新建和原有污水处理厂都面临着氮、磷达标排放的压力,以防止富营养化为目的脱氮除磷已成为学术界的主要研究目标之一,我国的污水处理行业正面临着污水深度脱氮除磷的问题。本研究自主研发的城市污水脱氮除磷创新工艺——智能化控制序批性生物膜反应器（ICS-SBBR）,与传统的生物脱氮除磷工艺相比,具有单池运行,不需物理分区,微生物浓度高等优点。ICS-SBBR工艺系统以独特的运行方式按照时间顺序形成交替运行的（好氧/缺氧）n环境,创造有利于硝化、反硝化、好氧吸磷和反硝化摄取磷的环境条件,实现高效脱氮除磷,曝气时间和水力停留时间短,既节约了能耗,又减小了占地面积,降低了基建投资。本研究以混纺纤维填料计时器控制序批性生物膜反应器（TCS-SBBR）为参比,研究了不同进水C/N比下,混纺纤维填料ICS-SBBR工艺系统的脱氮除磷性能和微生物多样性；以悬浮填料TCS-SBBR为参比,研究了不同水力停留时间（HRT）、不同进水C/N比和C/P比时,悬浮填料ICS-SBBR工艺系统的脱氮除磷性能、反硝化菌和聚磷菌种属组成。主要研究成果如下：不同的进水C/N比和控制模式对悬浮填料ICS系统和TCS系统COD和NH4+-N的去除影响不大；但对TN的去除影响显著,尤其是当C/N比为5.0和3.3时,ICS系统对TN的去除率分别比TCS系统高15.5%和12.1%。C/N比对磷去除的表观影响不明显,但ICS系统和TCS系统内磷的去除机理不同,ICS系统中没有厌氧释磷现象的发生,缺氧期内能发生反硝化除磷,TCS系统为传统的厌氧释磷好氧吸磷工艺。ICS系统比TCS系统节能40%,HRT缩短30%。ICS系统内生物膜微生物生长环境为（好氧／缺氧）n,Bacteroidetes（拟杆菌纲）类群占群落的45%,为优势菌群,而TCS系统内生物膜微生物生长环境为厌氧／好氧,Betaproteobacteria（β-变形杆菌纲）类群占群落的37%,为优势菌群；优势菌群的不同,导致ICS系统和TCS系统对氮的去除效果和除磷的机理不同。以悬浮填料SBBR系统为研究对象,在一个运行周期内,调整TCS系统的‘厌氧+好氧’时间,共设置4种HRT工况：（3+5）h、（3+6）h、（4+5）h、（2+7）h。在4种HRT工况下,HRT对ICS系统去除有机物、氮和磷的性能没有影响,但对TCS系统NH4+-N、TN和TP的影响较大,尤其是当（4+5）h时,去除效果不显著（53.6%、82.9%和69.0%）,而（2+7）h时,仅部分恢复（48.0%、68.4%和75.7%）。C/N比对悬浮填料ICS系统和TCS系统内TN的去除影响显著,ICS系统对TN的去除率分别为96.3%、89.7%和84.3%,而TCS系统则为89.2%、79.5%和76.8%；对TP去除的表观影响不明显,去除率均为100%。仅改变C/P比不影响ICS系统和TCS系统对TN和COD的去除。对悬浮填料ICS系统和TCS系统中反硝化菌和聚磷菌的研究发现,反硝化聚磷菌是聚磷菌中的重要组成部分,在缺氧环境下能够成为优势菌群；系统中存在着能直接好氧吸磷的聚磷菌,可不经过厌氧释磷阶段而直接除磷,且系统需要的HRT较短。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题的目的和意义
• 1.2 生物脱氮除磷原理及研究进展
• 1.2.1 生物脱氮的基本原理及研究进展
• 1.2.2 生物除磷的基本原理及研究进展
• 1.3 生物脱氮除磷工艺研究现状及存在的问题
• 1.3.1 生物脱氮除磷工艺研究现状
• 1.3.2 生物脱氮除磷工艺存在的问题
• 1.4 序批性生物膜工艺（SBBR）
• 1.4.1 SBBR工作原理和工艺类型
• 1.4.2 SBBR工艺特征
• 1.4.3 SBBR工艺国内外研究现状
• 1.4.4 污水生物处理智能化控制研究现状
• 1.5 生物脱氮除磷工艺微生物多样性
• 1.5.1 生物脱氮除磷工艺多种群的微生物群落
• 1.5.2 反硝化聚磷菌微生物学研究
• 1.6 研究内容与技术路线
• 1.6.1 研究内容
• 1.6.2 技术路线
• 2 SBBR智能化控制系统的构建
• 2.1 ICS系统的构建
• 2.1.1 ICS软件系统
• 2.1.2 ICS的硬件系统
• 2.1.3 ICS系统面板模块显示功能
• 2.2 ICS系统的特点
• 3 混纺纤维填料SBBR系统脱氮除磷性能研究
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 试验材料
• 3.1.2 试验方法
• 3.2 启动期间SBBR系统的运行情况
• 3.3 ICS系统和TCS系统运行期的除污性能
• 3.3.1 ICS系统运行周期内的曝气和停止曝气时间
• 3.3.2 进水C/N比对SBBR除污性能的影响
• 3.3.3 总反应周期内ICS系统和TCS系统C、N、P的变化规律
• 3.4 本章小结
• 4 混纺纤维填料SBBR系统微生物多样性研究
• 4.1 试验材料和设备
• 4.1.1 试验试剂
• 4.1.2 试验仪器
• 4.2 试验方法
• 4.2.1 样品采集及预处理
• 4.2.2 生物膜细菌总DNA的提取
• 4.2.3 16S rDNA基因全长PCR扩增
• 4.2.4 16S rDNA基因文库的构建
• 4.2.5 序列测定基于16S rDNA的系统发育分析
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 ICS系统和TCS系统基因文库的分型结果
• 4.3.2 ICS系统和TCS系统细菌多样性分析
• 4.3.3 ICS系统和TCS系统细菌系统发育分析
• 4.4 本章小结
• 5 悬浮填料SBBR系统脱氮除磷性能研究
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 试验材料
• 5.1.2 试验方法
• 5.2 启动期SBBR系统的运行情况
• 5.3 ICS系统和TCS系统除污性能
• 5.3.1 HRT对ICS系统和TCS系统脱氮除磷性能的影响
• 5.3.2 进水C/N比对ICS系统和TCS系统脱氮除磷性能的影响
• 5.3.3 进水C/P比对ICS系统和TCS系统脱氮除磷性能的影响
• 5.4 本章小结
• 6 悬浮填料SBBR系统反硝化聚磷菌微生物学研究
• 6.1 试验材料和设备
• 6.1.1 试验材料
• 6.1.2 试验仪器
• 6.2 试验方法
• 6.2.1 生物膜样品采集
• 6.2.2 分离与鉴定方法
• 6.2.3 16S rDNA的PCR扩增和序列测定
• 6.2.4 测序与结果分析
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 分离菌落形态观察
• 6.3.2 16S rDNA全长扩增结果
• 6.3.3 测序结果和分析
• 6.3.4 ICS和TCS系统生物膜样品反硝化菌和聚磷菌菌种对比分析
• 6.4 本章小结
• 7 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文