菌藻生物反应器处理模拟生活污水的性能研究

作     者：苟尧 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：方芳;杨吉祥

授予年度：2018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）] 08[工学] 

主      题：菌藻共生 膜生物反应器 生物膜 生活污水 光生物反应器 信号分子 

摘      要：在采用活性污泥法处理生活污水时,曝气可占污水厂耗电的500%。出于节能的考虑,采用菌藻共生体系来处理污水是一种可行的替代方案,有着广阔的应用前景。目前,无论是应用悬浮型菌藻反应器还是菌藻生物膜反应器,实现污水的高效处理均需要长达20 d的水力停留时间(Hydraulic Retention Time,HRT),表明菌藻反应器的性能仍十分低下。对菌藻反应器进行优化,提升反应器的性能对于实现污水处理的节能降耗有着重要意义。论文利用活性污泥和来自二沉池壁的藻类构成菌藻共生体系,采用光合膜生物反应器(membrane photo bioreactor,PMBR)和光合序批式生物膜反应器(photo sequencing batch biofilm reactor,PSBBR)来处理模拟生活污水。分析了两种反应器对生活污水的净化效能,探讨了污泥停留时间(sludge retention time,SRT)对PMBR反应器性能的影响,测定了反应器内存在的微生物及其活性,检测了两种反应器内的菌藻信号分子浓度并探究其对接种藻类活性的影响。研究成果可为菌藻共生体系在污水处理中的应用提供理论指导。论文获得的主要结论如下:(1)考察了不排泥的PMBR反应器R1对模拟生活污水的处理性能。实验采用的光照强度为200μmol/m/s,HRT设置为24 h。结果表明,反应器内氨氮的去除率高达99.8%,COD的去除效率也可达到90%,磷的平均去除率为30%。氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)和藻类几乎各消耗反应器内一半的氨氮,氨氮被完全降解会导致反应器内叶绿素a含量的降低,但反应器的性能不受影响。异养菌、自养菌(AOB,NOB)、藻类、聚磷菌共存于反应器中并均有活性。反应器内滤膜的跨膜压差稳定在4 kPa以下,处于较低水平。低HRT和较高且稳定的污染物去除效率表明PMBR反应器有应用于生活污水处理的可行性。(2)考察了PMBR反应器R2、R3分别在SRT为10 d、20 d条件下对生活污水的处理性能,反应器内稳定的生物量浓度不超过2 g/L。实验采用的光照强度为200μmol/m/s,HRT设置为8 h。结果表明,无外部供氧时,反应器R2和反应器R3内的COD去除率分别为50%和60%,两反应器内氨氮的去除率则相差不大,平均为50%左右。进行轻微的外部供氧时,反应器R3的氨氮和COD去除率迅速上升,最终可分别高达100%和90%,而反应器R2的氨氮和COD去除率的提升幅度相对较低。相比于反应器R2,反应器R3内氨氧化细菌(AOB)的相对丰度更高,因此,SRT设置为10 d可以较好地筛除PMBR反应器内的AOB。理论上AOB会与藻类竞争氨氮,进而影响藻类吸磷,但反应器R3内AOB的相对丰度更高却具有更高的除磷效率,表明无法通过筛除AOB来提高PMBR反应器的除磷效率。此外,反应器R2、R3内均有聚磷菌的存在。SRT对藻类群落结构也会产生影响,颤藻是两反应器内最活跃的藻类,占据主要地位。SRT设置为10 d可以筛除小球藻、硅藻和新月藻。总体来看,在SRT为20 d的条件下,PMBR反应器的性能更佳。(3)考察了采用三维载体的PSBBR反应器R4对生活污水的处理性能。实验采用的光照强度为200μmol/m/s,HRT依次设置为24 h、12 h和8 h。结果表明,12 h的HRT可以保证反应器内COD和氨氮去除率在90%以上,但磷的去除率较低,在30%左右。HRT缩短至8 h后,反应器的污染物去除率显著降低。将HRT延长至24 h后,反应器性能的提升并不明显。相比于进行外部供氧,仅提供光照时反应器的COD和氨氮去除速率分别为供氧时的70%和50%。在进行外部供氧时,反应器内氨氮的去除速率约为10390 mg NH-N/m/d,而仅提供光照时反应器对氨氮的去除速率约为5000 mg NH-N/m/d。颤藻是反应器内的主要藻类,生长快速的小球藻、栅藻等并未成为优势藻种。异养菌、自养菌(AOB,NOB)、藻类、聚磷菌共存于反应器R4中并均有活性。相比于PSBBR反应器R4,PMBR反应器R1、R3中的藻类有着更高的群落多样性。在HRT为24 h的条件下,PMBR反应器R1和PSBBR反应器R4均可有效去除水中的COD和氨氮,但R1的性能更高且更稳定;在HRT为8 h的条件下,PMBR反应器R3和PSBBR反应器R4对水中污染物的去除性能相当且均处于较低水平。在待测的12种信号分子中,仅检出尿刊酸,PMBR反应器R1和PSBBR反应器R4内的尿刊酸浓度分别为0.5μg/L和19.5μg/L。实验发现,浓度低至0.5μg/L的尿刊酸即可对藻类活性产生显著抑制。若抑制细菌分泌尿刊酸,可促进藻类生长进而提高菌藻反应器性能。