低温好氧污泥活性的影响因素研究

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低温(<15℃)导致活性污泥微生物的活性下降、剩余污泥产量增加,如何提高低温下活性污泥微生物的活性是解决我国北方地区环境水处理领域的关键。目前低温条件下强化活性污泥法处理效果的方法主要有改变运行工艺、调节运行参数、调节进水水质、物理强化、投加添加剂或高效耐冷菌种,然而这些方法如何强化低温微生物活性方面的研究较少。本论文重点研究低温(5℃)条件下SBR反应器中碳源种类、氮源种类、钙离子浓度和磁场强度对活性污泥微生物活性(呼吸速率、脱氢酶)、死菌活菌比、细胞膜PLFA组成和微生物群落结构影响。本文以实验室模拟生活废水为研究对象,主要研究结果如下:(1)出水水质与低温好氧污泥活性以葡萄糖为碳源的低温SBR反应器达到稳态后(>30 d)出水COD浓度和剩余活性污泥产量均比乙酸钠为碳源的低,分别为46-63 mg/L,SRT13d;其外源呼吸速率和基质脱氢酶活性均在反应2 h时达到最高值,分别为:24.12 mg/(L·h)和13.32 mgTF/gSS。五种氮源中,以尿素为氮源的低温SBR反应器出水COD浓度最低:51-59 mg/L,以氯化铵为氮源的SBR反应器剩余活性污泥产量最低(SRT:17d),且外源呼吸速率在反应2 h时达到最高值:31.75 mg/(L·h),基质的脱氢酶活性在反应2h时达到最高值:53.22 mgTF/gSS。与右旋氨基酸相比,左旋丙氨酸为氮源的外源呼吸速率和基质脱氢酶活性分别为19.30mg/(L·h)和14.67mgTF/gSS,小于右旋丙氨酸为氮源,说明更难利用。在钙离子浓度为0.1 mM的条件下,低温SBR反应器在达到稳定状态后出水COD浓度最低:57-65 mg/L;其外源呼吸速率和基质脱氢酶活性在反应2 h时均达到最高值,分别为:73.42 mg/(L·h),和17.29 mgTF/gSS。在钙离子浓度为0.01 mM的条件下,低温SBR反应器在稳定后剩余活性污泥产量最低(SRT:47 d)。随着磁场增加,低温SBR反应器出水逐步降低,磁场强度30 mT条件下,出水的COD浓度为40-48 mg/L;其外源呼吸速率和基质脱氢酶活性在反应 2 h 时均达到最高值:25.14 mg/(L-h)和 28.70 mgTF/gSS。(2)细胞膜PLFA组成和活菌死菌比以葡萄糖为碳源的低温SBR反应器中活性污泥微生物细胞膜不饱和脂肪酸和支链脂肪酸比例为26.26%和9.78%。前者活性污泥细胞膜C20:1ω7c、C17:1 iso等不饱和脂肪酸和支链脂肪酸较高,而以乙酸为碳源的细胞膜则含有较高的C17:1 isoω9c、C17:0 iso、C18:1ω9c。以葡萄糖为碳源的低温SBR反应器第3周活性污泥活菌比为50.52%,低于以乙酸钠为底物的条件(55.59%)。以蛋白胨为氮源的低温SBR反应器活性污泥微生物的细胞膜不饱和脂肪酸的含量最高为34.82%,其次为尿素和左旋丙氨酸,分别为29.60%和27.03%。活性污泥细胞膜支链脂肪酸以左旋丙氨酸为氮源的比例最高,为13.64%。以氯化铵和右旋丙氨酸为氮源低温活性污泥的细胞膜不饱和脂肪酸含量和支链脂肪酸含量均最低,分别为22.59%-24.43%、和5.12%-7.21%范围。底物为蛋白胨的低温SBR反应器中活菌比第3周为68.64%,远高于其他氮源反应器。随着钙离子浓度增加,细胞膜不饱和脂肪酸比例降低,不添加钙离子的反应器中活性污泥微生物的细胞膜中不饱和脂肪酸的比例为34.59%,而添加1mM钙离子的反应器中不饱和脂肪酸比例降低到26.07%;同时随着钙离子浓度升高,细胞膜支链脂肪酸的比例有所波动分别为6.09%、5.82%、5.64%和7.09%。添加钙离子,增强了活性污泥的活菌比例,与空白条件下活性污泥活菌比45.12%相比,添加浓度为0.01 mM-1mM钙离子的低温SBR反应器在稳定后活菌比例52.34%-56.75%。磁场显著增加了低温SBR反应器中微生物的细胞膜中不饱和脂肪酸的含量,在磁场强度分别为OmT、10mT和30mT的条件下,不饱和脂肪酸的含量34.59%、37.77%和56.7%。随着磁场强度升高,反应器中微生物细胞膜支链脂肪酸的比例降低分别为6.09%、2.46%和2.51%。添加钙离子显著增加了 C16:1ω5c、C16:1ω11c、C19:0 anteiso、C19:0 ccylo ω8c等不饱和脂肪酸和支链脂肪酸含量。磁场显著增加了 C16:1ω11c、C17:0 iso、C18:0 isoc、C17:0 20H 等不饱和脂肪酸和支链脂肪酸的含量。在低温条件下活性污泥微生物死菌的比例比常温下高20%左右,死菌的积累也是剩余活性污泥积累的一个重要原因。(3)低温微生物群落结构变化低温下碳源为葡萄糖的反应器中富集了 Flavobacterium、Rhizobacter、Brevundimonas、Rhodobacter和Gemmatimonas,碳源为乙酸钠的反应器中富集了Opitutus和Micropruina。以氯化铵为氮源的低温反应器中富集了Haliscomenobacter、Micropruina、TM7_genera_incertae_sedis、Terrimonas和Opitutus,以尿素和右旋氨基酸为氮源的反应器中富集了Rhizobacter、Humicoccus和Luteolibacter,以左旋氨基酸和蛋白胨为氮源的反应器中富集了Pseudomonas和Undibacterium。钙离子的存在富集了低温SBR反应器中Zoogloea,抑制 了低温 SBR 反应器中 Pseudomonas、Amaricoccus、Brevundimonas、Nakamurella、Emticicia。磁场的存在富集了低温SBR反应器中 Leptothrix、Albidiferax、Janthinobacterium、Luteolibacter、Prosthecobacter,抑制 了低温 SBR 反应器中 Ohtaekwangia、Caulobacter、Brevundimonas。
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