单级自养脱氮系统的影响因素及其EPS组成特性

论文摘要

与传统硝化反硝化工艺相比，单级自养脱氮工艺具有曝气量和污泥产量低、无需有机碳源等优点，因此，单级自养脱氮被认为是一种经济、环境友好型脱氮工艺。但是由于厌氧氨氧化菌（AnAOB）世代周期长（11d），对生存环境要求苛刻，因此，单级自养脱氮系统具有启动时间较长，较难长期稳定运行的缺点。本论文探讨了载体表面特性、溶解氧（DO）、自由氨（FA）和无机碳源（IC）对单级自养脱氮系统启动及稳定运行的影响，并对单级自养脱氮系统中微生物EPS的组成特性进行了研究。为考察载体表面亲水性对序批式生物膜反应器（SBBR）中单级自养脱氮系统生物膜形成及单级自养脱氮效果的影响，采用未改性的活性碳纤维（ACFs）和经热处理亲水性改性的ACFs作为载体进行研究。在SBBR中，以普通活性污泥为泥源启动单级自养脱氮系统。系统的运行温度为32±2°C，DO控制在-1.5mg L-1，同时FA的浓度维持在3.98–15.93mg L-1之间。傅里叶红外光谱（FT-IR）和Boehm中和滴定法的结果表明改性后的ACFs表面含氧基团的含量高于未改性的ACFs。扫描电镜和生物膜干重的测定表明较多的生物膜生长在改性载体表面，并且改性载体表面的生物活性高于未改性填料表面生物的活性。这个研究证实了亲水性改性的ACFs与未改性的ACFs相比具有更好的生物相容性。在单级自养脱氮系统启动的第80天，系统的最大脱氮速率为0.088kg Nm3day-1，并且出水中硝酸盐的产量与氨的消耗量的摩尔比接近0.11，此数据表明单级自养脱氮系统成功启动。除载体的影响，曝气方式、DO和FA浓度的控制也是在较短时间内成功启动单级自养脱氮系统的关键。AOB和AnAOB是化能自养菌，以IC为主要碳源。以SBBR中的单级自养脱氮系统为研究对象，考察IC限制对AOB和AnAOB活性的影响，并确定进水中最适IC浓度。当进水氮负荷为200mg-N·L-1·d-1，进水IC浓度为50mg-C·L-1时AOB和AnAOB的活性受到影响，进水IC浓度恢复试验表明IC限制对AOB和AnAOB活性的抑制是可逆的。从经济角度考虑，在单级自养脱氮系统中，当进水氮负荷为200mg-N·L-1·d-1时，最适进水IC浓度为250mg-C·L-1。FA在单级自养脱氮系统的启动和长期稳定运行中起到重要作用，因此，对FA对单级自养脱氮系统的影响进行研究。当FA控制在5.010.0mg·L-1的范围内，硝化细菌（NOB）的活性受到抑制并实现部分亚硝化，即以普通活性污泥为泥源成功快速启动单级自养脱氮系统的重要一步。然而，系统成功启动后，NOB逐渐适应了这个不利的环境。当FA浓度从-10.0mg·L-1增加到-17mg·L-1时，亚硝化细菌（AOB）和AnAOB的活性未受到影响，NOB的活性仅受到暂时性的抑制。在pH为8.5，FA浓度在30.032.5mg·L-1范围时，单级自养脱氮系统受到破坏，然而，NOB的活性未受到影响。经相关性分析证实FA浓度高于20mg/L是导致系统崩溃的原因。单级自养脱氮系统中生物膜和活性污泥絮体EPS的成分及结构特性的试验结果表明：EPS不同层面含量不同，并且不同层面蛋白质、腐殖酸、多糖和DNA四种有机质的含量不同。单级自养脱氮系统中生物絮体EPS难提取部分（TB-EPS）所占比例较高，易于提取部分（SEPS和LB-EPS）含量较低，而普通活性污泥的易于提取部分所占比重较高，因此，脱氮系统中生物絮体的稳定性要强于普通活性污泥。在同一反应器中，两种填料上生物膜的EPS中各有机质总量不同，并且EPS总量也存在较大差异。组合填料上生物膜EPS的总量为181.7mg/gVSS，是活性炭纤维上EPS总量的1.51倍，在组份含量上差距最大的是蛋白质，组合填料上蛋白质的总量为96.5mg/gVSS，是活性碳纤维填料的1.6倍。论文研究结果为SBBR单级自养脱氮系统的快速启动及长期稳定运行提供了理论依据，并为单级自养脱氮系统的进一步研究奠定了基础。本研究得到国家自然科学基金（51108482）和教育部高等学校博士学科点科研基金（20100191120035）的资助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 传统硝化反硝化生物脱氮工艺
• 1.2 新型生物脱氮工艺
• 1.2.1 SHARON 工艺
• 1.2.2 ANAMMOX 工艺
• 1.2.3 CANON 工艺
• 1.2.4 其它工艺
• 1.3 实现单级自养脱氮工艺的途径
• 1.4 脱氮微生物胞外聚合物的研究进展
• 1.5 课题目的、内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 2 改性填料对 SBBR 单级自养脱氮系统的影响
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 接种泥源
• 2.1.2 进水水质
• 2.1.3 填料的选取及改性
• 2.1.4 反应器的启动与运行
• 2.1.5 分析测试项目与方法
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 活性碳纤维改性前后表面特性的对比
• 2.2.2 SEM 观察、生物膜干重和活性分析
• 2.2.3 启动过程物质转化特征
• 2.2.4 氮负荷提升阶段
• 2.3 本章小结
• 3 无机碳源对单级自养脱氮系统的影响
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 试验装置
• 3.1.2 运行控制策略
• 3.1.3 分析项目与方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 IC 限制过程对系统脱氮性能的影响
• 3.2.2 FA 和 pH
• 3.2.3 进水 IC 恢复
• 4 自由氨对单级自养脱氮系统的影响
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 接种污泥
• 4.1.2 进水水质
• 4.1.3 反应器的启动与运行
• 4.1.4 FA 以及 pH 关联的 FA 对单级自养脱氮系统的影响
• 4.1.5 分析测试项目与方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 FA 对系统启动过程的影响
• 4.2.2 FA 增加的条件下对系统的影响
• 4.2.3 pH 及 FA 变动的条件下对系统的影响
• 4.2.4 氮负荷提升阶段
• 4.3 本章小结
• 5 单级自养脱氮系统微生物 EPS 的组成特性
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 生物絮体的来源
• 5.1.2 EPS 的提取方法
• 5.1.3 化学分析方法
• 5.1.4 紫外可见光谱、傅里叶红外光谱（FT-IR）
• 5.2 紧密附着型 EPS 提取方法
• 5.3 EPS 的紫外可见光谱
• 5.4 生物絮体不同层面 EPS 的化学结构特征
• 5.4.1 SEPS 化学结构分析
• 5.4.2 LB-EPS 的化学结构分析
• 5.4.3 TB-EPS 的化学结构分析
• 5.4.4 EPS 的组成与结构
• 5.4.5 FT-IR 对 EPS 的结构分析
• 5.5 不同填料生物膜 EPS
• 5.5.1 两种填料上生物膜 EPS 不同层面组分分布
• 5.5.2 两种填料上生物膜 EPS 各组分总量比较
• 5.6 本章小结
• 6 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读学位期间发表的论文