论文摘要
以活性污泥和生物膜为代表的污水生物处理以高效低耗的突出优点广泛应用于城市污水和工业废水处理。然而,产生大量剩余污泥以及高昂的污泥处理费用已成为污水生物处理技术最大弊端之一。因此,如何从根本上解决剩余污泥问题已成为当今环境工程界面临的挑战。在污水处理过程中减少剩余污泥排放,从源头上降低剩余污泥产量的各种污泥减量技术已成为废水生物处理研究的热点和发展方向。具有代表性的好氧-沉淀-厌氧（OSA）工艺在传统活性污泥工艺污泥回流段增加污泥厌氧环节,不需要添加任何化学药剂和贵重设备,有利于降低运行和投资成本,符合可持续污水处理模式,具有良好的工业化应用前景。本论文系统研究了好氧-沉淀-厌氧工艺污水处理效能和污泥减量效果以及影响因素,探索了工艺污泥减量机制,首次利用变性梯度凝胶电泳（DGGE）技术和荧光原位（FISH）技术分析了OSA工艺微生物种群特征、多样性以及运行条件变化对优势种群更替的影响。开发了具有内源反硝化除磷功能的污泥减量新工艺,探讨了内源反硝化除磷污泥减量新工艺污水处理效能和污泥减量效果以及相关的影响因子,着重对工艺反硝化除磷效能和特征进行了分析和研究,并利用DGGE和FISH技术从微生物生态学角度探讨了微生物种群特征与工艺处理效能间的关系。以传统活性污泥（CAS）工艺为参照,在分析探讨厌氧-沉淀-好氧（OSA）工艺污泥减量和污水处理效能以及相关影响因子的基础上,着重研究了OSA工艺污泥减量的内在控制机制。研究结果表明,由于微生物维持代谢和内源代谢增加引起的污泥衰减和慢速生长微生物是OSA工艺污泥减量的主要原因,其中大约2/3的污泥减量是由污泥衰减引起的,慢速生长微生物对OSA工艺污泥减量的贡献为23%左右;10%左右污泥减量是由能量解偶联机制引起的。利用DGGE和FISH技术对OSA工艺微生物种群多样性和群落特征进行研究分析,得到OSA工艺微生物种群多样性比CAS工艺更加丰富,增加有机负荷和废水水质复杂化都会使微生物种群多样性增加,但优势微生物群落基本不受影响,OSA工艺微生物群落结构相对稳定的这一特点决定了OSA工艺具有良好稳定的运行效能。从DGGE优势条带中分离到的11个优势菌与GenBank中已有微生种属比对发现,其中7个优势菌与GenBank统计的在反硝化污泥、EBPR污泥中出现的种属相似性非常高,表明OSA工艺中插入污泥厌氧池为内源反硝化菌和生物聚磷菌创造有利的生长条件。系统进化树分析结果表明,β-proteobacteria种属的微生物是OSA污泥系统的主要种群。开发了内源反硝化除磷污泥减量工艺,在好氧池有机负荷Ns约为0.87 kgCOD/kgMLSS·d,系统污泥回流比为25%,反硝化污泥回流比为35%的条件下稳定运行,污泥产量为4.78g/d,污泥产率为0.30gMLSS/gCOD,COD平均去除率为90%,NH4+-N、TN的去除率分别稳定在86%和84%左右,TP去除率达到80%左右。内源反硝化除磷工艺中缺氧反硝化聚污泥约占总聚磷污泥的35%44%。提高SRT,可提高生物吸磷效率,增加污泥中磷含量,这一定程度上缓解了剩余污泥排放量和TP去除率之间的矛盾。利用DGGE技术,对代表性优势条带测序相似性比对,并构建系统进化树,分析内源反硝化除磷工艺微生物群落特征。内源反硝化除磷工艺中的微生物主要由α-proteobacteria、β-proteobacteria、γ-proteobacteria、CFB-group bacteria、low G+C gram-positive bacteria五大菌群构成,其中β-proteobacteria种属的微生物在整个工艺微生物菌群数量中占绝对优势,达到48%左右。以DAPI为背景,用PAOmix探针FISH杂交证实了聚磷菌在内源反硝化除磷工艺缺氧污泥和厌氧污泥中都占有优势,分别占微生物总量的40%和33%左右。
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摘要Abstract第1章 绪论1.1 污泥减量化技术的理论基础1.1.1 维持代谢和内源呼吸污泥减量理论1.1.2 解偶联代谢理论1.1.3 溶胞-隐性生长理论1.1.4 生物捕食理论1.2 基于维持代谢和内源呼吸理论的污泥减量工艺研究现状1.2.1 高溶解氧工艺1.2.2 提高污泥停留时间的相关工艺1.2.3 好氧-沉淀-厌氧（OSA）污泥减量工艺1.3 能量解偶联污泥减量技术研究现状1.3.1 投加化学解偶联剂工艺0/X0比工艺'>1.3.2 高S0/X0比工艺1.4 溶胞-隐性生长污泥减量技术研究现状1.4.1 化学溶胞技术1.4.2 物理溶胞技术1.4.3 生物溶胞技术1.5 生物捕食污泥减量技术研究现状1.6 PCR-DGGE和FISH技术在环境生态学中的应用1.6.1 DGGE应用于分析环境微生物1.6.2 FISH在环境微生物生态学解析中的应用1.7 研究目的意义和主要研究内容1.7.1 研究目的和意义1.7.2 主要研究内容第2章 材料与方法2.1 实验废水水质2.2 主要仪器和常规分析检测方法2.2.1 主要仪器设备2.2.2 水质检测指标及方法2.2.3 污泥性能的检测指标及方法2.3 微生物相分析方法2.3.1 光学显微镜镜检方法2.3.2 平板菌落计数法2.3.3 微生物染色法2.4 提取污泥中的总DNA2.4.1 污泥预处理2.4.2 污泥中总DNA的提取2.4.3 总DNA的含量和纯度分析2.4.4 总DNA纯化2.5 聚合酶链反应-变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE）2.5.1 16S rDNA-PCR扩增2.5.2 DG-DGGE2.5.3 DGGE条带回收和重新扩增2.5.4 DGGE条带的克隆和转化2.5.5 DGGE条带测序和同源性比较2.6 荧光原位杂交（FISH）2.6.1 FISH杂交缓冲液和杂交洗脱液的配制2.6.2 污泥样品预处理2.6.3 显微镜玻片的准备2.6.4 样品固定2.6.5 杂交探针2.6.6 FISH杂交第3章 好氧-沉淀-厌氧工艺污泥减量效果及机制3.1 反应器运行启动3.1.1 连续流实验运行条件3.1.2 间歇实验运行条件3.2 OSA工艺污泥减量效果研究3.3 OSA工艺污水处理效果及污泥性能的影响3.3.1 污水处理效果3.3.2 对污泥性能和污泥活性的影响3.4 OSA系统抗冲击负荷效果3.4.1 温度波动对系统性能的影响3.4.2 对硝基苯酚对系统冲击的影响3.5 OSA工艺污泥减量影响因素及系统运行效能的影响3.5.1 间歇实验设计3.5.2 ORP对污泥产率的影响3.5.3 回流比R对污泥产率的影响3.5.4 厌氧污泥停留时间和厌氧污泥浓度3.5.5 有机负荷对污泥产率的影响3.5.6 废水水质类型对污泥产率的影响3.6 OSA工艺污泥减量机制3.6.1 间歇实验设计3.6.2 污泥衰减3.6.3 能量解偶联3.6.4 低污泥产率厌氧反应3.7 本章小结第4章 好氧-沉淀-厌氧工艺微生物的群落结构4.1 污泥微生物群落的主要影响因素4.1.1 微生物代谢选择的影响4.1.2 动力学选择的影响4.1.3 物理性选择的影响4.1.4 工艺设计和运行方式对微生物选择的影响4.2 OSA污泥和CAS污泥生物相及污泥特征4.3 活性污泥总DNA提取结果分析4.4 16S rRNA-PCR产物分析4.5 DG-DGGE微生物多样性探讨4.5.1 OSA和CAS工艺污泥微生物多样性4.5.2 有机负荷对微生物群落多样性的影响4.5.3 废水种类对微生物群落多样性的影响4.6 DG-DGGE微生物群落结构和功能微生物解析4.7 原位微生物群落结构和功能解析4.7.1 PHB染色和DAPI染色结果分析4.7.2 荧光原位杂交结果分析4.8 污泥特征与系统污水处理效能间的关系4.9 OSA污泥减量工艺的特点与不足4.10 本章小结第5章 内源反硝化除磷污泥减量工艺5.1 内源反硝化除磷污泥减量工艺流程和系统启动5.1.1 内源反硝化工艺流程5.1.2 内源反硝化工艺特征5.1.3 系统污泥培养及反应器启动5.2 内源反硝化除磷工艺稳定运行效果5.2.1 内源反硝化除磷工艺污泥产率5.2.2 内源反硝化除磷工艺污水处理效能5.2.3 内源反硝化除磷工艺污泥性能5.3 内源反硝化除磷污泥减量工艺的影响因素5.3.1 SRT对内源反硝化工艺的影响5.3.2 污泥回流比对内源反硝化工艺的影响5.3.3 pH值对内源反硝化效果的影响5.3.4 碳源类型对内源反硝化效果的影响5.4 本章小结第6章 内源反硝化除磷污泥减量工艺微生物群落结构和功能分析6.1 内源反硝化除磷工艺污泥特征6.2 内源反硝化除磷工艺微生物染色结果分析6.2.1 聚磷菌PHB染色结果分析6.2.2 Poly-P颗粒染色结果分析6.3 内源反硝化除磷工艺DG-DGGE微生物多样性解析6.3.1 污泥总DNA的提取和PCR扩增结果分析6.3.2 DG-DGGE微生物多样性解析6.3.3 DG-DGGE微生物群落结构和功能微生物解析6.4 FISH分析内源反硝化除磷工艺微生物群落结构6.5 本章小结结论参考文献攻读学位期间发表的学术论文致谢个人简历
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