废铁屑强化厌氧氨氧化运行条件及脱氮效能研究
作者单位：苏州科技大学
学位级别：硕士
导师姓名：沈耀良
授予年度：2022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]
摘 要：厌氧氨氧化工艺作为一种经济高效、绿色节能的新型生物脱氮工艺,近年来受到越来越多国内外研究人员的关注。厌氧氨氧化反应是指在厌氧条件下,厌氧氨氧化菌以氨氮为电子供体,亚硝酸盐为电子受体,直接将氨氮转化为氮气的过程。与传统生物脱氮工艺相比,厌氧氨氧化工艺在运行过程中无需额外供氧,节省了一半以上的能源,厌氧氨氧化菌作为无机化能自养菌,也节省了有机碳源的投加。然而厌氧氨氧化菌对生存环境敏感,生长代谢慢等特性,导致了厌氧氨氧化工艺存在启动时间长,运行稳定性性差等问题,制约了厌氧氨氧化工艺的实际应用。适合厌氧氨氧化菌生长的温度为30～40°C,过高或过低的温度都会影响厌氧氨氧化工艺的氮素去除效果。适合厌氧氨氧化菌生长的p H值为6.7～8.3,在极端p H值条件下,厌氧氨氧化活性表现出明显受到抑制。此外,厌氧氨氧化菌还对污水中的有机物浓度较为敏感。铁基材料通过强化生理活动和刺激活性来强化厌氧氨氧化菌的生长代谢,铁基材料的投加有利于促进厌氧氨氧化菌的富集。此外,厌氧氨氧化菌需要产生大量含血红素c的酶来进行新陈代谢,这些酶参与电子传递,提高厌氧氨氧化菌细胞的代谢。为此我们开展了利用废铁屑作为铁基材料如何快速启动厌氧氨氧化反应器,强化厌氧氨氧化菌富集的研究,探究低温下废铁屑的两种投加方式对厌氧氨氧化反应的脱氮效果的影响及差异机制。本研究以废铁屑作为铁基材料,利用CSTR反应器长期培养厌氧氨氧化污泥,探究投加废铁屑后厌氧氨氧化反应器的启动过程及氮素去除效果影响以及对微生物群落结构变化的影响。在30°C及低温下(20°C)以两种投加方式投加废铁屑,考察了反应器的厌氧氨氧化性能及氮素去除效果,并通过厌氧氨氧化污泥特性分析、污泥中铁形态分析、微生物群落多样性结构分析等,研究了低温下两种投加方式作用机制的差异,旨在优化废铁屑等铁基材料的投加方法。本研究首次将工业副产物废铁屑作为铁基材料,研究了不同浓度的废铁屑对厌氧氨氧化工艺启动过程的影响,以及运行过程中氮素变化,同时利用分子生物学技术分析启动过程前后微生物群落结构变化及相关功能菌含量变化;首次将工业副产物废铁屑作为铁基材料,研究了不同的投加方式在低温及最适温度下对厌氧氨氧化工艺稳定运行过程的影响,采用XPS、SEM等表征手段探究两种投加方式的差异,采用分子生物学技术分析启动过程前后微生物群落结构变化。通过实验研究得到主要结论如下:(1)投加废铁屑有利于厌氧氨氧化反应器的启动,启动过程中耗时更短,负荷提升更快,总氮去除率达到70%所用时间比未投加废铁屑缩短了15d。投加3g/L废铁屑的反应器具有较好的稳定性,抗冲击负荷能力较强;投加9g/L废铁屑的反应器在实验后期脱氮效果变差。3g/L废铁屑在厌氧氨氧化启动过程中促进厌氧氨氧化菌的生长繁殖,提高厌氧氨氧化菌16S r RNA基因的表达量,为1.19×10。投加废铁屑降低了微生物群落的多样性,改变了浮霉菌门的相对丰度,未投加、投加3g/L和9g/L废铁屑的反应器浮霉菌门丰度分别增长了-0.1%、3.9%和-6.6%。厌氧氨氧化菌优势菌属Candidatus Kuenenia的适应性更强,更容易富集,在投加3g/L废铁屑的反应器中丰度达到20.0%。(2)30°C下,直接和间接投加5g/L废铁屑短期内均对厌氧氨氧化过程产生抑制作用,反应3h内总氮去除率分别为21.7%、19.4%,低于未投加废铁屑的24.5%。而在长期培养过程中,两种投加方式投加废铁屑均可以提高反应器的氮素去除效果。当进水总氮负荷提高至1.65kg/(m·d)时,未投加、直接投加和间接投加废铁屑的反应器总氮平均去除率分别为64.2.0%、75.6%和69.1%。(3)低温下,废铁屑的两种投加方式在短期内均产生抑制作用。连续运行30天后,间接投加废铁屑的反应器脱氮性能开始恢复,废铁屑表现出促进作用;而直接投加废铁屑的反应器脱氮性能未能恢复。(4)废铁屑能够在水中氧化,调节反应器的p H值和DO,改善厌氧氨氧化菌的生境,同时释放铁离子,为厌氧氨氧化菌提供生长需要的铁离子。低温投加废铁屑不仅能够促进MLSS和MLVSS的提高,还能促进EPS的产生,还有利于颗粒污泥的形成。(5)Candidatus Kuenenia为3组反应器中优势厌氧氨氧化菌属,低温下投加废铁屑促进了厌氧氨氧化菌的生长,而以间接投加促进效果更为显著。未投加、直接和间接投加废铁屑的反应器中Candidatus Kuenenia的相对丰度分别增加-1.05%、0.14%和0.96%。
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