生物反应器应用新型填料去除硝酸盐效能及其微生物群落研究

作     者：潘梦岚 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄少斌;罗刚

授予年度：2017年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 07[理学] 08[工学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学] 

主      题：填料床 反硝化菌群 硝酸盐 微生物群落 氧化亚氮 

摘      要：随着人类城市化进程的不断扩张以及工农业的快速发展,大量硝酸盐污染物进入水体后造成水环境污染并给人类健康带来严重威胁。相比于物理化学方法,生物脱氮法对环境污染小且最为经济。在生物脱氮工艺中,探究生物群落与硝酸盐关系的机制可为加快脱氮反应的研究提供基础。生物反硝化过程中释放的中间产物NO是一种温室气体,若能实现污水处理过程中NO减量化对于减缓温室效应具有重要的意义。本研究针对污水处理中生物过滤脱氮过程中存在和需要解决的问题,基于课题组前期的研究基础,对首次构建的新型填料反应器脱除硝酸盐的性能与机制进行了深入的研究。使用新型水草型填料构建新型填料反应器接种好氧反硝化菌:铜绿假单胞菌CP1,进行启动挂膜,研究了在长期运行的条件下,反应器脱除硝酸盐的性能、影响因素以及生物膜内种群结构演化和多样性动态变化,并利用序批式反应器探究反硝化菌群在脱氮过程中产NO的规律。试验采用悬浮式水草填料为载体构建的新型填料反应器,接种好氧反硝化细菌Pseudomonas aeruginosa CP1可在4d左右迅速启动,大大缩短了填料床挂膜启动时间。反应器启动后对6个不同的NO-N污染负荷及4种不同碳源进行了为期86d的稳定运行。阶段Ⅰ(1-45d)进水NO-N污染负荷为76.31-1152.12mg/L,反应器NO-N去除效果良好,出水无NO-N累积;阶段Ⅱ(46-86d)在以丁二酸钠、甘油、甲醇为碳源运行时,反应器反硝化效果良好,但以淀粉为碳源反硝化效果下降。对填料床反应器反冲洗并重新挂膜后,探究不同因素对脱氮效果影响。发现C/N低(6和8)时,反应电子供体不足导致反硝化效率低,C/N提高后(10、12和14)填料床反应器运行效果良好,因此确定系统最适C/N为10。当反应器内环境偏酸(pH=6)或偏碱(=9)时,系统脱氮效果下降,确定系统中反硝化菌群适合的pH为中性(pH=7-8)。以温度为影响因素时发现,本试验中的反硝化菌群在26-40℃时具有很好的适用性。在考察SO冲击负荷的影响时发现,低于450mg/L浓度SO不会对菌群脱氮效果造成影响,当SO浓度高达900mg/L时,脱氮效果下降。采用高通量测序技术对反应器生物膜内各阶段样品进行分析发现,生物膜中主要存在5种菌门,其中以变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门为优势菌门。在微生物纲门分类水平上,γ-变形菌纲和黄杆菌纲在前期生物膜样品A中占主导地位;在中期样品B中,α-变形菌纲、梭状芽孢杆菌纲和β-变形菌纲成为优势菌;在后期样品C中,γ-变形菌纲和α-变形菌纲为优势菌。在属分类水平上,微生物种类更为丰富。生物膜中主要以假单胞菌、Fluviicola属、Sedimentibacter属为脱氮功能菌;生物膜内以好氧菌为主,同时存在少数厌氧菌,此外还存在具备纤维素降解功能、耐盐、寄生性的菌属。将填料床反应器中反硝化菌群接种至序批式生物反应器探究菌群产NO特性,发现不同因素对反硝化中间产物NO释放产生不同影响。随着反应器C/N逐步增加(3,6,10,14),NO释放量呈现先减少后增加的趋势,C/N=10时,NO释放量最少,脱氮效果最好,因而确定C/N=10为本试验反硝化菌群最适比例。改变进水NO-N浓度时,对NO-N去除率没有影响,但NO-N浓度越高,NO产量越高。以NO-N单独氮源时,反硝化菌群可正常进行反硝化反应,当进水NO-N浓度约为120mg/L,反硝化受到抑制;随着NO-N浓度,NO产量增加;认为NO-N的累积会对氧化亚氮还原酶产生抑制作用。