部分亚硝化—厌氧氨氧化工艺处理猪场沼液的中试启动研究

作     者：卞含笑 

作者单位：中国农业科学院 

学位级别：硕士

导师姓名：朱志平

授予年度：2021年

学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 

主      题：猪场沼液 部分亚硝化 厌氧氨氧化 膜生物反应器 微生物 

摘      要：经过厌氧发酵后的猪场废水仍含有较高浓度的氨氮,但是碳氮比低,传统的脱氮工艺很难实现氨氮达标排放,且其运行成本较高。因此,开发占地面积小,经济性强的新型脱氮工艺成为必须。厌氧氨氧化技术具有无需外加碳源、无温室气体排放等优势,在高氨氮废水处理领域优势显著,应用前景广阔。但现阶段厌氧氨氧化技术仍存在功能菌活性比较低、工艺启动时间长等问题,且在中试条件下不同反应器内的启动试验研究较少,影响了厌氧氨氧化工艺在实际应用中的推广。因此本论文在中试试验的条件下,开展部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺的启动研究,探寻部分亚硝化启动及稳定运行过程中氮元素的变化情况、微生物多样性及关键功能基因的变化规律,在此基础上,进一步探究一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理猪场沼液时的脱氮性能、工艺启动规律及反应器内功能菌群的演替情况。得出以下结论:(1)在膜生物反应器内开展部分亚硝化在猪场沼液中的试验研究,结果表明:启动过程在常温下22℃～33℃,控制p H值和DO值分别为8.0±2.0和0.2～0.5 mg/L,反应器内进水NH-N浓度为400 mg/L左右的条件下,氨氧化率维持在50%左右,出水NO-N和NH-N浓度分别为(197.68±27.51)mg/L、(215.61±33.91)mg/L,比值稳定在1.1:1,NO-N所占的比例稳定最高达到87.95%,实现了部分亚硝化工艺的启动和稳定运行;氨氧化菌(Ammonia Oxidizing Bacteria,AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(Nitrite Oxidizing Bacteria,NOB)活性分别稳定在0.4 g N/(g MLSS·d)和0.1 g N/(g MLSS·d)左右;在一定范围内,游离氨(Free Ammonia,FA)浓度的增加会促进反应器内更多溶解性COD的释放,同时导致胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)和溶解性微生物产物(Soluble microbial products,SMP)浓度的变化,跨膜压差在反应运行过程中逐渐升高。(2)部分亚硝化工艺的启动对菌群结构和关键功能基因产生影响,实验结果表明:整个过程微生物多样性逐渐增加,成功启动后Proteobacteria为反应器内的优势菌门;属水平上NOB未有明显的增长,AOB中Nitrosomonas在启动阶段相对丰度呈显著上升的趋势,AOB/NOB比值增加,AOB/NOB比值的提高促进了NO-N的积累,从微生物的角度解释了反应器能够较好的维持亚硝化反应的长期稳定运行;氨氧化过程的功能基因浓度的增加,硝化过程的功能基因nxr A的浓度基本保持不变。亚硝酸盐积累率、温度、FA及出水NO-N/出水NH-N是微生物群落分布变化的主要影响因素,较高的FA浓度和温度,促进了NO-N的积累,温度及NO-N/NH-N对amo A呈现正相关,促进amo A浓度增加。(3)在部分亚硝化工艺的基础上,开展一体式的部分亚硝化厌氧氨氧化工艺启动研究。结果表明:启动过程中总氮去除率逐渐升高,最高达47.17%,厌氧氨氧化反应逐渐显现,但温度对厌氧氨氧化反应产生显著影响;Anammox菌和AOB的活性逐渐提高,NOB活性未有明显提高,水温降低后,NOB活性受水温的影响升高与Anammox菌的竞争优势增强;Anammox菌所属的Planctomycetota相对丰度增加;反应器内主要的Anammox菌为Candidatus＿Brocadia和Candidatus＿Kuenenia,Nitrosomonas在整个启动阶段呈上升趋势,Nitrospira随着反应的进行呈下降趋势,Nitrolancea基本保持不变,NOB在反应器内被抑制。