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随着中国水体富营养化的加剧和环境保护要求的提高,氮素污染控制成为废水污染控制领域的关注焦点。采用传统的脱氮工艺处理低碳氮比废水,不仅消耗大量电能用以曝气,而且需要投加额外碳源。厌氧氨氧化工艺(Anammmox)由于其较高的脱氮效率、无需碳源及低能耗等优点,特别适合于高氮低碳废水的处理,具有很好的推广价值。然而,成熟厌氧氨氧化污泥的获取或者厌氧氨氧化的启动过程仍然成为限制该工艺广泛应用的瓶颈。本论文以垃圾渗滤液硝化反硝化脱氮污泥为接种污泥,借助上流式厌氧污泥床(UASB)反应器启动厌氧氨氧化过程,同时初步探索了藤黄球菌复苏促进因子(Rpf)对厌氧氨氧化启动过程的影响。通过长期运行反应器和短期批次实验,借助荧光定量PCR(q-PCR)为手段,明确了垃圾渗滤液硝化反硝化脱氮污泥启动厌氧氨氧化过程性能及机制,以及初步揭示Rpf在运行过程中的作用。论文研究结果为利用垃圾渗滤液脱氮污泥实现厌氧氨氧化快速启动提供了理论依据,对垃圾渗滤液等低碳氮比废水的高效低耗脱氮处理技术研发具有一定的现实意义,论文主要研究结果如下:
(1)以垃圾填埋场渗滤液硝化反硝化脱氮污泥为接种污泥,开展了UASB反应器启动厌氧氨氧化过程的研究。结果表明:在进水氨氮和亚硝态浓度均为40mg/L左右条件下,接种污泥的自溶和迟滞期为23天,之后厌氧氨氧化活性开始显现,在第33天,出水的氨氮和亚硝态浓度降低至10mg/L以下,之后厌氧氨氧化活性进入快速提高阶段,在第126天,反应器进水氨氮和亚硝态浓度可分别升高至200mg/L和290mg/L左右,水力停留时间为24h的条件下,出水的氨氮和亚硝态浓度均低于10mg/L以下,氮去除负荷稳定达到0.4g/(L d)以上,去除率达90%以上。该阶段,亚硝态氮消耗量/氨氮消耗量比值约为1.46±0.11,稍高于厌氧氨氧化理论化学计量比值,硝态氮生成量/氨氮消耗量比值分别为0.27±0.04,推测反应器中存在厌氧氨氧化和硝化反硝化耦合作用。在反应器运行至第200天时,氮去除负荷达到0.66g/(Ld)以上。因此,垃圾渗滤液硝化反硝化脱氮污泥是一种良好的启动厌氧氨氧化的接种污泥。
(2)在与(1)平行的UASB反应器中添加藤黄球菌复苏促进因子(Rpf),运行条件相同条件下对比研究藤黄球菌Rpf对厌氧氨氧化启动过程的影响。结果表明,添加Rpf后,接种污泥的厌氧氨氧化启动的自溶和迟滞期为12天,比不添加Rpf的反应器缩短11天。在第22天,出水的氨氮和亚硝态浓度降低至10mg/L以下。在厌氧氨氧化活性提高阶段,出水的氨氮和亚硝态浓度、氮去除负荷、厌氧氨氧化化学计量比等无明显差异,猜测原因主要为出水氨氮和亚硝态浓度较低,污泥处于底物浓度受限状态,因而性能差异不明显。在反应器运行至第200天时,氮去除负荷达到0.73g/(Ld)以上。由此可知,藤黄球菌Rpf有一定的促进厌氧氨氧化启动的作用。
(3)以启动成功的厌氧氨氧化污泥为研究对象,批次实验对比考察添加与不添加藤黄球菌gpf对厌氧氨氧化污泥的影响。结果表明,Rpf对氨氮和亚硝态的促进不明显,但可促进硝态氮的去除。Rpf的存在促进了活性污泥内反硝化菌的生命活动,从而强化硝态氮的去除,可能是促进厌氧氨氧化启动的原因。
(4)厌氧氨氧化启动过程中的荧光定量qPCR结果表明,污泥接种后,总细菌数降低,厌氧氨氧化菌功能基因AMX随着运行时间呈逐渐增加趋势。未添加Rpf反应器AMX功能基因由前39天均低于检测限,至第137天,AMX/16SrRNA gene比例升高至0.09%,到第197天大幅升高至9.44%。添加Rpf反应器厌氧氨氧化功能基因丰度则略高,在第137天,AMX/16S rRNA gene为0.34%,第197天,AMX/16S rRNA gene为11.67%。表明,Anammox菌得到充分富集,且添加Rpf可能会提高Anammox菌的丰度。
(1)以垃圾填埋场渗滤液硝化反硝化脱氮污泥为接种污泥,开展了UASB反应器启动厌氧氨氧化过程的研究。结果表明:在进水氨氮和亚硝态浓度均为40mg/L左右条件下,接种污泥的自溶和迟滞期为23天,之后厌氧氨氧化活性开始显现,在第33天,出水的氨氮和亚硝态浓度降低至10mg/L以下,之后厌氧氨氧化活性进入快速提高阶段,在第126天,反应器进水氨氮和亚硝态浓度可分别升高至200mg/L和290mg/L左右,水力停留时间为24h的条件下,出水的氨氮和亚硝态浓度均低于10mg/L以下,氮去除负荷稳定达到0.4g/(L d)以上,去除率达90%以上。该阶段,亚硝态氮消耗量/氨氮消耗量比值约为1.46±0.11,稍高于厌氧氨氧化理论化学计量比值,硝态氮生成量/氨氮消耗量比值分别为0.27±0.04,推测反应器中存在厌氧氨氧化和硝化反硝化耦合作用。在反应器运行至第200天时,氮去除负荷达到0.66g/(Ld)以上。因此,垃圾渗滤液硝化反硝化脱氮污泥是一种良好的启动厌氧氨氧化的接种污泥。
(2)在与(1)平行的UASB反应器中添加藤黄球菌复苏促进因子(Rpf),运行条件相同条件下对比研究藤黄球菌Rpf对厌氧氨氧化启动过程的影响。结果表明,添加Rpf后,接种污泥的厌氧氨氧化启动的自溶和迟滞期为12天,比不添加Rpf的反应器缩短11天。在第22天,出水的氨氮和亚硝态浓度降低至10mg/L以下。在厌氧氨氧化活性提高阶段,出水的氨氮和亚硝态浓度、氮去除负荷、厌氧氨氧化化学计量比等无明显差异,猜测原因主要为出水氨氮和亚硝态浓度较低,污泥处于底物浓度受限状态,因而性能差异不明显。在反应器运行至第200天时,氮去除负荷达到0.73g/(Ld)以上。由此可知,藤黄球菌Rpf有一定的促进厌氧氨氧化启动的作用。
(3)以启动成功的厌氧氨氧化污泥为研究对象,批次实验对比考察添加与不添加藤黄球菌gpf对厌氧氨氧化污泥的影响。结果表明,Rpf对氨氮和亚硝态的促进不明显,但可促进硝态氮的去除。Rpf的存在促进了活性污泥内反硝化菌的生命活动,从而强化硝态氮的去除,可能是促进厌氧氨氧化启动的原因。
(4)厌氧氨氧化启动过程中的荧光定量qPCR结果表明,污泥接种后,总细菌数降低,厌氧氨氧化菌功能基因AMX随着运行时间呈逐渐增加趋势。未添加Rpf反应器AMX功能基因由前39天均低于检测限,至第137天,AMX/16SrRNA gene比例升高至0.09%,到第197天大幅升高至9.44%。添加Rpf反应器厌氧氨氧化功能基因丰度则略高,在第137天,AMX/16S rRNA gene为0.34%,第197天,AMX/16S rRNA gene为11.67%。表明,Anammox菌得到充分富集,且添加Rpf可能会提高Anammox菌的丰度。