HRT对厌氧消化系统运行效能的影响及丙酸氧化菌群的结构解析

论文摘要

有机负荷率（OLR）是运行厌氧消化系统的重要工程控制参数,对于特定的废水处理,一般通过调整水力停留时间（HRT）的方法控制系统的OLR。当HRT缩短到一定程度,则会因负荷过高而造成有机挥发酸,尤其是丙酸的积累。丙酸盐是厌氧消化过程中最难发生产氢产乙酸反应的中间产物,其过量累积,将导致系统的酸化,甚至运行失败。如何在提高OLR的同时,保障系统中包括丙酸在内的中间代谢产物的及时转换,是提高厌氧消化系统效能的关键,也是废水处理领域的研究热点问题。本论文以工程应用中最为常见的两种结构类型的厌氧反应器,即升流式厌氧污泥床（UASB）反应器与连续流搅拌槽式反应器（CSTR）为研究对象,系统研究了HRT对其运行效能的影响,并通过污泥生物相和现代分子生物学分析,探讨了丙酸氧化菌群的系统发育及其功能多样性,以期为进一步提高厌氧消化系统的效能,提供工程运行指导。UASB在污泥接种量7.75 gMLVSS/L、进水COD 1000 mg/L、进水碱度2000 mg/L （CaCO3计）、HRT 48 h、35℃等条件下启动运行,考察了HRT改变对UASB运行效能的影响。结果表明,在HRT由48 h分阶段降低到24 h、20 h、16 h、12 h和8 h的过程中,反应系统的pH值和碱度变化不大,产气量随OLR增加而稳步上升,COD去除率在HRT 8 h时仍可保持在80%以上。HRT的缩短导致丙酸盐和乙酸盐短暂的上升,但总体随着运行时间的延长均持续下降,在HRT为8 h时二者均只有100 mg/L的残留。乙酸盐下降的速度比丙酸盐要快,证明厌氧污泥利用乙酸的能力要高于利用丙酸的能力,氧化丙酸盐的产氢产乙酸菌比利用乙酸盐的产甲烷菌生长更慢、转化底物的能力更低。随着HRT的缩短及OLR的不断提高,厌氧活性污泥中利用丙酸的产氢产乙酸菌发生了明显的演替过程,先后出现了δ-proteobacteria中的Syntrophus gentianae、Syntrophobacter sulfatireducens和低GC含量革兰式阳性菌中的Pelotomaculum schinkii和Desulfotomaculum benzoicum,证明在厌氧活性污泥中氧化丙酸的产氢产乙酸菌群的生物多样性。CSTR在污泥接种量12.9 g MLVSS /L、进水COD=2000 mg/L、进水碱度2000 mg/L、HRT 48 h、35℃等条件下启动运行。在HRT由48 h分阶段缩短到36 h、24 h和18 h的过程中,系统的pH值和碱度变化不大,产气量逐步上升,而COD去除率始终维持在97%以上。出水中乙酸盐和丙酸盐的浓度,随着HRT的缩短在波动中有所上升,但在HRT 18 h的最后阶段,分别也只有90 mg/L和30 mg/L的残留。氧化丙酸的产氢产乙酸菌也随着反应器HRT的缩短及OLR的不断提高发生明显的演替过程,依次出现δ-proteobacteria中的Syntrophus gentianae,低GC含量革兰式阳性菌中的Pelotomaculum schinkii和Desulfotomaculum benzoicum。对比分析发现,UASB中的氧化丙酸的产氢产乙酸菌多样性和功能多样性要高于CSTR,指示着活性污泥中氧化丙酸盐的产氢产乙酸菌的生物多样性及功能多样性的高低与活性污泥的形态有关（颗粒或絮状）。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 厌氧生物处理技术概述
• 1.2 厌氧生物处理的基本原理
• 1.2.1 厌氧生物处理的阶段论理论
• 1.2.2 参与厌氧消化过程的主要微生物类群
• 1.3 厌氧生物处理技术与研究的发展
• 1.3.1 厌氧处理工艺的发展过程
• 1.3.2 厌氧消化微生物研究现状
• 1.3.3 厌氧生物处理技术的影响因素
• 1.3.4 微生物分子生物学技术在群落分析中的应用
• 1.3.5 UASB 及CSTR 厌氧反应器研究现状
• 1.4 课题来源与主要研究内容
• 1.4.1 课题的提出及来源
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 材料和方法
• 2.1 试验装置及主要仪器设备
• 2.1.1 实验仪器
• 2.1.2 试验水质及污泥来源
• 2.1.3 厌氧反应器的启动条件
• 2.2 分析项目和检测方法
• 2.2.1 液相末端产物分析方法
• 2.2.2 气体成分分析方法
• 2.2.3 扫描电镜技术分析方法
• 2.2.4 PCR-DGGE 分析方法
• 第3章 HRT 对UASB 运行效能及丙酸氧化菌群的影响
• 3.1 反应器的启动与运行调控
• 3.2 HRT 影响下的运行效果
• 3.2.1 pH 值及碱度的变化规律
• 3.2.2 COD 及COD 去除率的变化规律
• 3.2.3 产气量及气体组分变化规律
• 3.2.4 出水挥发酸变化规律
• 3.3 生物相分析
• 3.3.1 生物量变化
• 3.3.2 活性污泥微生物的观察与分析
• 3.4 丙酸氧化菌群的系统发育与功能多样性
• 3.5 本章小结
• 第4章 HRT 对CSTR 运行效能及丙酸氧化菌的影响
• 4.1 CSTR 的启动与运行调控
• 4.2 HRT 影响下的运行效果
• 4.2.1 pH 值及碱度的变化规律
• 4.2.2 COD 及COD 去除率的变化规律
• 4.2.3 产气量及气体组分变化规律
• 4.2.4 出水挥发酸变化规律
• 4.3 生物相分析
• 4.3.1 生物量变化
• 4.3.2 活性污泥微生物的观察与分析
• 4.4 丙酸氧化菌群的系统发育与功能多样性
• 4.5 UASB 与CSTR 系统中丙酸氧化菌群的比较
• 4.6 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