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侧流强化生物除磷系统中功能微生物的代谢特性研究

侧流强化生物除磷系统中功能微生物的代谢特性研究

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作者：谢琳西安理工大学

学位级别：硕士

针对目前污水厂常常面临的进水碳源不足引起的除磷性能恶化问题,一种新型的强化生物除磷(ebpr)工艺——侧流式强化生物除磷(s2ebpr)工艺受到了越来越多的关注。s2ebpr工艺可以通过侧流污泥厌氧水解发酵产酸补充进水碳源,其中功能微生物... 详细信息

针对目前污水厂常常面临的进水碳源不足引起的除磷性能恶化问题,一种新型的强化生物除磷(ebpr)工艺——侧流式强化生物除磷(s2ebpr)工艺受到了越来越多的关注。s2ebpr工艺可以通过侧流污泥厌氧水解发酵产酸补充进水碳源,其中功能微生物对s2ebpr系统的磷去除起着决定性作用。然而,之前研究结论大多是基于化学计量学数据的推测,无法在微观水平区分侧流反应器生化反应过程中不同种类微生物的细胞内聚物代谢变化规律,需要种群水平乃至细胞水平分析工具的支持。本研究应用拉曼光谱与光学显微镜耦合的单细胞拉曼光谱(sCRs)技术建立了功能微生物拉曼定量分析计算方法,结合荧光原位杂交(FIsH)技术探究了不同种类的聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)在s2ebpr系统不同工艺结构条件下的胞内聚磷酸盐(poly-P)特征峰差异,并在长期厌氧实验和s2ebpr系统运行不同阶段对比分析了PAOs和GAOs的相对丰度和胞内聚合物变化,初步揭示了系统的微生物驱动机理。主要研究结果如下:(1)利用sCRs技术对PAOs主要胞内聚合物poly-P和糖原(Gly)进行分析,确定了胞内聚合物的拉曼特征峰平均强度和表面密度之间的对应关系,进而通过计算得到单位质量细胞的胞内聚合物含量,实现了对PAOs和GAOs中poly-P和Gly的定量。PAOs胞内poly-P的拉曼光谱研究结果表明,Tetrasphaera属PAOs中poly-P的PO2-峰位置分布在1157 cm-1和1165 cm-1之间,Accumulibacter属PAOs中poly-P的PO2-峰位置分布在1168cm-1和1177cm-1之间,均呈单峰分布。根据poly-P的PO2-峰位置分布差异可将不同构型s2ebpr污水厂的PAOs分为3个表型组,分别以1157 cm-1、1164 cm-1和1172 cm-1为中心。不同表型特征与PAOs多样性之间存在相关性,且与s2ebpr性能及稳定性存在潜在联系。PAOs中poly-P的出峰位置也受到不同碳源投加的影响。以乙酸为碳源时,PO2-出峰位置大部分在1165～1177 cm-1之间,可能为利用乙酸的Accumulibacter表型组。以实际污水为碳源时,PO2-出峰位置大部分在1155～1163 cm-1之间,说明除了Accumulibacter还存在其它不同属或未被发现的PAOs参与生物除磷。本章实验结果表明,sCRs技术可以作为一种探索和评估PAOs胞内poly-P表征的方法,并证明了其在实际ebpr系统中的可行性。(2)在活性污泥长期厌氧发酵实验中,不同厌氧发酵时间会影响PAOs和GAOs的丰度和胞内聚合物含量。基于sCRs方法确定的含有poly-P的活跃PAOs相对丰度在发酵前60 h升高到9.4%,随后降低到5.7%。含有Gly的活跃GAOs相对丰度在发酵前60 h从16.3%明显降低到2.4%,说明较长的厌氧时间可起到淘汰GAOs的作用。生物除磷活性实验结果表明,磷释放/乙酸利用比(P/HAc)在发酵前60 h从0.33 P-mol/C-mol升高到0.80P-mol/C-mol,随后降低到0.37P-mol/C-mol,推测与PAOs活性降低有关。与常规化学法测得结果一致,细胞poly-P和Gly拉曼峰平均强度在发酵前60 h呈降低趋势,随后趋于稳定,证明sCRs方法测定微生物胞内聚合物含量变化的可行性,且可以达到单细胞水平。本章结果表明,活性污泥长期厌氧发酵实验确定了最适合PAOs代谢生长和富集的侧流厌氧发酵时间为60h。(3)应用sCRs和Raman-FIsH技术对s2ebpr系统主、侧流反应器中活跃PAOs与GAOs相对丰度和胞内聚合物进行了研究。结果表明,侧流比在25%～15%(侧流停留时间(sRTss)为57.6～96 h)条件下的PAOs活性较高,在20%侧流比条件下达到最佳,活跃PAOs相对丰度为20.6%。GAOs在侧流比=25%(sRTss=57.6 h)条件下的活性受到明显抑制,相对丰度也较低(41.9%～11.4%)。表明s2ebpr系统侧流反应器的运行可以实现PAOs的富集并淘汰部分GAOs,进而促进系统除磷性能。在侧流比=15%(sRTss=96 h)的侧流比条件下,具有发酵功能的Tetrasphaera PAOs的poly-P含量增加的幅度最大,最为活跃,而Accumulibacter PAOs对s2ebpr系统除磷的贡献相对较低。

关键词：拉曼光谱 s2ebpr工艺生物除磷聚磷菌胞内聚合物

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侧流条件对侧流式强化生物除磷反应器污泥及溶解性有机物的影响研究

侧流条件对侧流式强化生物除磷反应器污泥及溶解性有机物的影响研...

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作者：宋雨欣西安理工大学

学位级别：硕士

侧流强化生物除磷(side-stream enhanced biological phosphorus removal,s2ebpr)工艺具有稳定的生物除磷性能,其侧流反应器的厌氧发酵能够有效降低传统强化生物除磷(Enhanced biological phosphorus removal,ebpr)工艺对外来碳源的依赖,并能够通过污泥厌氧发酵达到功能微生物筛选和污泥减量的效果。然而,目前对于侧流反应器生物化学过程有机物释放规律以及在不同侧流条件下系统污泥特性及溶解性有机物(Dissolved organic matter,DOM)的变化鲜有相关报道。因此,本文通过已搭建的s2ebpr工艺实验平台,在研究侧流反应器不同厌氧时长情况下溶解性微生物产物(soluble microbial products,sMP)、胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPs)释放规律的基础上,解析s2ebpr工艺污泥特性变化及DOM迁移转化规律,为发展可持续的低碳源污水处理方法提供理论依据。主要研究结果如下:(1)适宜的厌氧时长改善污泥脱水、絮凝性能(在72～144 h较为稳定)。污泥体积指数(sVI)在0～72 h基本稳定在107.6±0.7 mL/g,72 h后微生物死亡导致sVI显著上升,污泥沉降性能变差。污泥表面电荷的绝对值在72～144 h无显著变化,并在72 h达到最小值(7.75 mV)。此时污泥静电斥力最小。厌氧对污泥形貌产生影响,厌氧前污泥微生物为多个堆积到一起的形态,细胞表面较光滑,厌氧后污泥表面出现明显破洞及凹陷。不同厌氧时段sMP及分层EPs中化学组分均以蛋白质、腐殖酸为主,但物质组成存在差异,sMP以腐殖酸为主,分层EPs以蛋白质为主。厌氧时长的差异影响氮磷释放形态及含量,TN浓度随着厌氧时长的增长而增大(最高达到17.79 mg/L),释放的氮元素主要由NH4+-N和溶解性有机氮(Dissolved organic nitrogen,DON)组成。泥水混合液中TP浓度的平均浓度为116.6±1.7 mg/L,释放的磷素主要由PO43--P、胞外磷(EPs-P)以及Poly-P组成,上清液PO43--P浓度随厌氧时间增长逐渐增大,主要源于EPs-P的释放及Poly-P的水解。厌氧筛选并降低了微生物群落多样性,厌氧时长过长抑制聚磷菌(Phosphate-accumulating organisms,PAOs)活性。(2)侧流比条件及侧流污泥停留时间(sRTss)的改变对侧流反应器污泥特性及微观形貌产生影响。随着sRTss的增加,污泥毛细吸水时间(Capillary suction time,CsT)和粒径先减少后增加,在20%～10%侧流比(sRTss=72～144 h)范围内达到较好的脱水性能。s2ebpr 反应器污泥松散结合型 EPs(Loosely bond extracellular polymeric substances,LB-EPs)的蛋白质含量占比最高(41.67±13.95%),紧密结合型EPs(Tightly bound extracellular polymeric substances,TB-EPs)的腐殖酸含量占比最高(41.67±5.19%)。污泥EPs中DNA含量增多可能与污泥脱水性能降低有关,蛋白质可能促进了活性污泥微生物的聚集,使污泥体积粒径增大,改变了絮凝沉降性能。污泥EPs荧光物质主要由蛋白质色氨酸样物质、溶解性微生物副产物及腐殖酸类物质组成。污泥磷形态由PO43--P、EPs-P以及胞内聚磷酸盐(Poly-P)组成,其中EPs-P主要在TB-EPs中。主流PAOs胞内Poly-P相对占比在51%～76%,20%～10%侧流比条件(sRTss=72～144h)下反应器除磷能力较好。由侧流比减小引起的sRTss增长使侧流PAOs水解Poly-P释放更多磷。侧流条件的改变影响s2ebpr工艺的原位污泥减量,表观污泥产率(Yobs)达到0.26±0.03 g MLss/g COD,污泥减量效果与好氧-沉淀-厌氧(Oxic-settling-anaerobic,OsA)工艺相当,高于本研究中列举的传统ebpr工艺至少25.7%。(3)s2ebpr反应器主侧流DOM化学组分与污泥EPs相似,均以腐殖酸、蛋白质、多糖、DNA为主,含有少量脂质。DOM化学物质总量约为14.26±3.01 mg/g Vss,侧流比条件的减小(sRTss增加)加速侧流蛋白质、多糖等物质利用的同时伴随腐殖酸的合成。DOM荧光物质由富里酸类、腐殖酸类、类蛋白类物质组成,侧流腐殖酸及富里酸类物质的荧光强度占比随侧流比减小不断增大,类蛋白类物质不断分解,表明微生物水解利用类蛋白等有

关键词： s2ebpr工艺侧流条件污泥特性溶解性有机物氮磷形态

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