好氧颗粒污泥脱氮特性及其过程研究

论文摘要

好氧颗粒污泥是上世纪末研究发现的一种用于废水处理的新型微生物聚集体,它是微生物在特定环境下自发凝聚、增殖而形成的结构紧密、沉降性能良好、生物协作性强的生物颗粒。由于其结构复杂,能够在同一个颗粒内同时保存多种氧环境与营养环境,为各种微生物提供良好的生长环境,因而具有多种代谢活性,是实现废水一体化处理的理想主体。本文是在前期成功培养出好氧异养颗粒污泥的基础上,通过提高氮负荷、控制水力停留时间及曝气强度促进硝化反硝化微生物在颗粒内的积累,培养出了具有良好脱氮活性的颗粒污泥,并对其脱氮特性及机理做了初步探讨。重点研究了脱氮颗粒污泥的培养、特性以及脱氮反应模式、传质特性、反应动力学、颗粒污泥内微生物组成及分布,其主要研究内容如下:依据前期好氧异养颗粒污泥的培养策略,分别以活性污泥(AS)、硝化污泥(NS)、好氧异养颗粒污泥(GS)为接种体通过提高氨氮负荷、优化曝气流量促进硝化反硝化微生物在颗粒污泥内的积累。经过120天的培养,三种系统内均成功培养出了具有较高脱氮活性的颗粒污泥,在反应运行周期为4h,有机负荷为1.6g/L·d,氨氮负荷为0.53g/L·d的条件下,各系统的COD去除率分别达95.70、96.04和96.55%,氨氮去除率分别达90.67、94.51和97.29%。IA分析表明,三种成熟颗粒污泥的平均粒径分别达到了1.88、2.37、2.26mm,相应的湿污泥密度达到了1.0156、1.0187和1.0262g/cm~3,从而使各系统内的污泥浓度达到了7.25、9.81和12.32g/L,SVI下降到了51.67、42.11和40.03ml/g,最大沉降速率分别达到了104.22、120.89和135m/h。此外,成熟颗粒污泥内的EPS含量明显提高,分别达到了55.31、47.34和53.95mg/L,而颗粒的比表面积达到了837.76、740.74和892.03m~2/m~3。对颗粒污泥反应器内基质降解的过程分析表明,循环周期内的氨氮去除可分为两个阶段,即富营养(COD去除)阶段的高速除碳脱氮和贫营养(硝化)阶段的慢速脱氮。在不同运行条件下,颗粒污泥表现出不同的脱氮特性,这表明颗粒污泥反应器运行中可能存在多种脱氮机制,实际运行时的表观脱氮速率是多种途径共同作用的结果。通过对脱氮颗粒污泥反应器的曝气强度、进水基质及水力停留时间的优化,得出三种颗粒污泥系统的最优曝气流量分别为0.75、1.25、1.0L/min;进水COD浓度在短期内可在800~2000mg/L随意变化,而进水氨氮浓度则在经

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 氮素循环及生物脱氮
• 1.2.1 氮素循环
• 1.2.2 生物脱氮的基本原理
• 1.2.3 脱氮微生物
• 1.3 生物脱氮工艺
• 1.3.1 多级生物脱氮工艺
• 1.3.2 单级生物脱氮工艺
• 1.4 脱氮新途径及新工艺
• 1.4.1 脱氮新途径
• 1.4.2 脱氮新工艺
• 1.5 颗粒污泥脱氮工艺
• 1.5.1 脱氮颗粒污泥的出现
• 1.5.2 影响脱氮颗粒污泥培养及性状的因素
• 1.5.3 颗粒污泥脱氮机理
• 1.5.4 脱氮颗粒污泥存在的问题
• 1.6 生物脱氮工艺内微生物种群的分子生物学分析
• 1.6.1 环境样品中的DNA 的提取方法
• 1.6.2 利用引物的PCR 技术
• 1.6.3 变性梯度凝胶电泳技术
• 1.6.4 PCR-DGGE 在微生物生态学中的应用
• 1.7 本课题主要研究内容
• 1.7.1 同步脱氮除碳颗粒污泥的培养及其特性
• 1.7.2 脱氮途径的分析
• 1.7.3 脱氮颗粒污泥工艺的优化
• 1.7.4 颗粒污泥结构、传质及其动力学研究
• 1.7.5 颗粒污泥的微生物组成、分布及其生理特性研究
• 第2章 试验材料与方法
• 2.1 脱氮颗粒污泥的培养
• 2.1.1 反应系统设置
• 2.1.2 培养期的运行控制
• 2.1.3 接种污泥
• 2.1.4 培养基质
• 2.2 分析测定方法
• 2.2.1 常规测试项目的测定
• 2.2.2 颗粒污泥的形态分析
• 2.2.3 比耗氧速率（SOUR）的测定
• 2.2.4 比硝化耗氧速率的测定
• 2.2.5 比氨氮利用速率（SAUR）的测定
• 2.2.6 湿污泥密度的测定
• 2.2.7 沉降速率的测定
• 2.2.8 颗粒机械强度的测定
• 2.2.9 EPS 的提取及测定
• 2.2.10 污泥表面性质的测定
• 2.3 脱氮颗粒污泥的微生物分析
• 2.3.1 传统分离纯化及生化特性
• 2.3.2 脱氮颗粒污泥中的脱氮微生物的检测
• 2.3.3 颗粒污泥内微生物菌群的PCR-DGGE 分析
• 第3章 脱氮颗粒污泥的培养及其特性
• 3.1 脱氮颗粒的培养
• 3.1.1 反应器的运行
• 3.1.2 污泥形态变化
• 3.2 脱氮颗粒污泥的一般特性
• 3.2.1 颗粒污泥的湿污泥密度
• 3.2.2 颗粒污泥的沉降速率
• 3.2.3 颗粒污泥的机械强度
• 3.2.4 脱氮颗粒污泥内EPS 含量及组成
• 3.2.5 脱氮颗粒污泥的脱氮除碳活性
• 3.3 本章小结
• 第4章 颗粒污泥脱氮的过程分析
• 4.1 COD 及氨氮去除过程分析
• 4.1.1 运行周期内COD 及含氮化合物的变化
• 4.1.2 补加有机物的影响
• 4.1.3 溶解氧的影响
• 4.1.4 硝氮的影响
• 4.2 不同条件下脱氮途径的分析
• 4.2.1 缺氧条件下的同步硝化反硝化
• 4.2.2 厌/缺氧条件下的自养硝化反硝化
• 4.2.3 厌/缺氧条件下的反硝化
• 4.2.4 好氧条件下的同步硝化反硝化
• 4.3 本章小结
• 第5章 脱氮颗粒污泥反应器运行参数的优化
• 5.1 溶解氧的影响
• 5.1.1 曝气量为0.5L/min 的运行
• 5.1.2 曝气量为0.75L/min 的运行
• 5.1.3 曝气量为1.0L/min 的运行
• 5.1.4 曝气量为1.25L/min 的运行
• 5.2 进水基质的影响
• 5.2.1 有机物的影响
• 5.2.2 氨氮的影响
• 5.3 水力停留时间的影响
• 5.3.1 运行周期
• 5.3.2 换水率
• 5.4 本章小结
• 第6章 颗粒污泥的结构、传质及其动力学
• 6.1 颗粒污泥的结构
• 6.1.1 颗粒污泥的比表面积
• 6.1.2 颗粒污泥的微观结构
• 6.2 颗粒污泥的传质
• 6.2.1 颗粒内的溶解氧传质
• 6.2.2 颗粒内的氨氮传质
• 6.3 颗粒污泥的基质利用
• 6.3.1 COD 降解动力学
• 6.3.2 氨氮利用动力学
• 6.4 本章小结
• 第7章 颗粒污泥内微生物及其种群结构分析
• 7.1 脱氮好氧颗粒污泥中微生物分离和纯化
• 7.1.1 分离纯化出的细菌及其生化特性
• 7.1.2 放线菌的分离纯化
• 7.1.3 真菌的分离纯化
• 7.1.4 脱氮颗粒污泥中脱氮微生物的检测
• 7.2 微生物种群分子生物学分析
• 7.2.1 DGGE 检测结果
• 7.2.2 PCR 产物的DGGE 分离及序列分析
• 7.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
• 致谢
• 个人简历