反硝化除磷系统的驯化及其N2O排放研究

论文摘要

基于反硝化聚磷菌（Denitrifying Phosphorus Removing Bacteria, DPB）的新型生物反硝化除磷技术是目前国内外污水处理领域研究的重点和热点。该技术较好地克服了传统污水脱氮除磷实践过程中所暴露的诸多问题,如节省占地面积和基建费用（缺氧反硝化和厌氧释磷两反应器合二为一）、降低能耗（耗氧摄磷改为缺氧摄磷）、提高碳源利用率（一碳两用）、减少污泥产量（反硝化菌与聚磷菌两种菌被反硝化聚磷菌一种菌替代）等。近年来,在污水脱氮除磷领域表现出广阔的应用前景。但DPB毕竟属于反硝化菌中的一类,而反硝化菌普遍具有产氧化亚氮（N20）的能力,因此该技术在推广应用过程中不可避免地面临N20排放的潜在危害。本文主要研究内容有：一,比较了不同的工艺条件对反硝化除磷系统驯化的影响；二,研究了不同C/N对反硝化除磷系统N20排放的影响；三,从反硝化除磷系统中筛选出反硝化聚磷菌,并研究了其生物学特性。结果如下：（1）以城市河道底泥为种泥,采用厌氧-缺氧-好氧（A系统）和厌氧-缺氧（B系统）2种工艺条件,驯化反硝化除磷污泥。经过2种工艺条件一段时间的驯化,均得到高效稳定的反硝化除磷系统。相比之下,驯化初期A系统的脱氮除磷效果优于B系统；驯化中期,B系统的脱氮除磷效果明显提高；到驯化后期,A、B两个系统均保持较高的脱氮除磷效果,且两个系统间没有明显差异。采用PCR-DGGE技术分析A、B两个系统的微生物群落结构发现,当系统稳定运行时,A、B两个系统的微生物群落结构存在显著差异。（2）试验还在COD分别为150和300mg·L-1的条件下,研究了不同C/N对氮磷去除率及N2O排放的影响。结果发现：两种COD处理下,随着C/N的提高,总氮（TN）和总磷（TP）的去除率均上升,而脱氮过程中N20-N所占的比例均下降；在相同的C/N下,和低浓度COD（150mg.L-1）相比,高浓度COD（300mg.L-1）下TN和TP的去除率上升,脱氮过程中N20-N所占的比例则下降。如COD为300mg·L-1条件下,C/N为5、7.5、10时,系统TP的平均去除率分别为69.64%、81.30%、84.10%,TN去除率为78.24%、84.07%、89.95%,脱氮中N20-N所占的比例分别为0.22%、0.11%、0.05%。COD为150mg.L-1的条件下,C/N为3.75、5、10时系统TP的去除率分别为24.81%、53.19%、67.61%,TN的去除率分别为18.10%、43.69%、72.94%,脱氮中N20-N所占比例为8.94%、2.33%、0.15%。（3）从反硝化除磷系统中分离出21株细菌,通过硝酸盐还原产气试验、聚p-羟基丁酸（PHB）、异染颗粒染色、脱氮除磷率等一系列检测试验,确定其中3株为反硝化聚磷菌（DPBA511, DPBA9和DPBA10）,这3株菌在富磷培养基中氮、磷的去除率都在50%以上。根据16S rDNA序列的系统发育分析,发现DPBA511与β变形菌纲（β-proteobacteria）中的Dechloromonas aromatica相似度达到97%,DPBA9与β-proteobacteria中Candidatus Accumulibacter phosphatis clade IIA str.的相似度达到97%,DPBA10与芽胞菌属（Bacillus pumilus）的相似度达到99%。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 传统生物脱氮除磷理论及工艺现状
• 1.1.1 生物脱氮除磷原理
• 1.1.2 生物脱氮除磷工艺现状
• 1.1.3 生物脱氮除磷系统存在的矛盾和竞争
• 1.2 反硝化脱氮除磷工艺研究现状
• 1.2.1 反硝化脱氮除磷理论
• 1.2.2 反硝化除磷与好氧除磷的比较
• 1.2.3 反硝化脱氮除磷影响因素的研究
• 1.2.4 反硝化脱氮除磷工艺现状
• 1.2.5 国内外已有研究成果及目前研究动向
• 2O排放的研究'>1.3 污水脱氮过程中N₂O排放的研究
• 2O的产生机理'>1.3.1 N₂O的产生机理
• 2O的排放'>1.3.2 反硝化反应中N₂O的排放
• 2O的总排放规律'>1.3.3 污水处理过程中N₂O的总排放规律
• 2O排放的因素'>1.3.4 影响N₂O排放的因素
• 1.4 活性污泥驯化的微生物学原理
• 1.4.1 驯化期活性污泥的变化
• 1.4.2 多样性是活性污泥驯化的基础
• 1.4.3 PCR-DGGE在活性污泥中的应用
• 1.5 反硝化聚磷菌的筛选
• 1.5.1 PCR基本原理及相关步骤
• 1.5.2 反硝化聚磷菌的研究进展
• 1.6 研究思路
• 2 反硝化除磷系统的驯化
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 种泥概况
• 2.1.2 模拟污水及微量元素
• 2.1.3 试验装置
• 2.1.4 试验设计
• 2.1.5 系统污泥微生物群落结构分析
• 2.2 结果与分析
• 3^--N变化趋势及去除效果分析'>2.2.1 NO₃^--N变化趋势及去除效果分析
• 2.2.2 TP变化趋势及去除效果分析
• 2.2.3 活性污泥物理形状
• 2.2.4 反硝化除磷系统微生物群落结构分析
• 2.3 小结
• 2O排放的影响'>3 C/N对系统N₂O排放的影响
• 3.1. 材料与方法
• 3.1.1 试验设计
• 3.1.2 样品采集
• 3.1.3 常规测定项目及测定方法
• 2O的测定原理与方法'>3.1.4 N₂O的测定原理与方法
• 3.2 结果与分析
• 2O排放的影响'>3.2.1 高浓度COD下C/N对N₂O排放的影响
• 2O排放的影响'>3.2.2 低浓度COD下C/N对N₂O排放的影响
• 3.3 小结
• 4 反硝化聚磷菌的筛选与菌种鉴定
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 种子污泥及其分离纯化
• 4.1.2 培养基及染液
• 4.1.3 硝酸盐还原产气实验
• 4.1.4 染色鉴定
• 4.1.5 脱氮除磷性能测定
• 4.1.6 16S rDNA测序及同源性比较
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 菌种分离
• 4.2.2 硝酸还原实验结果
• 4.2.3 PHB和异染粒染色结果
• 4.2.4 反硝化聚磷菌生物学特性
• 4.2.5 反硝化聚磷菌脱氮除磷性能测定
• 4.2.6 16S rDNA的PCR扩增和测序
• 4.3 小结
• 5 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录