【摘 要】
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随着城市化和工农业的发展,含盐污水的排放也随之增加;同时,海水代用已成为解决我国沿海地区淡水资源短缺的重要途经,这使得流入污水处理厂的污水含盐量也随之增加,给污水处理带来一系列负担。盐含量的增加会对污水中各种物质的去除带来负面影响,因为在高盐含量会改变污水的渗透压,活性污泥微生物会发生细胞的质壁分离,严重时会造成细胞的裂解死亡。此外,盐度也会造成功能微生物种群的变化,从而改变系统中微生物的代谢途径
【基金项目】
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国家自然科学基金(52070106)“污泥内碳源驱动硝态氮部分还原强化厌氧氨氧化脱氮工艺体系的构建与机理研究”; 国家自然科学基金(51778304)“DnPR-SPNA组合工艺的启动、性能优化及其调控策略”; 山东省高校青年创新科技支持计划(DC2000000961);
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随着城市化和工农业的发展,含盐污水的排放也随之增加;同时,海水代用已成为解决我国沿海地区淡水资源短缺的重要途经,这使得流入污水处理厂的污水含盐量也随之增加,给污水处理带来一系列负担。盐含量的增加会对污水中各种物质的去除带来负面影响,因为在高盐含量会改变污水的渗透压,活性污泥微生物会发生细胞的质壁分离,严重时会造成细胞的裂解死亡。此外,盐度也会造成功能微生物种群的变化,从而改变系统中微生物的代谢途径。通常,污水处理过程中脱氮除磷过程往往同时发生,但脱氮微生物和除磷微生物所能承受的耐盐程度并不一致。目前,关于盐度对脱氮性能和脱氮途经的影响已有较为广泛的研究,硝化菌的耐盐能力较强,在0-20 g/L盐度范围内都能实现较高的氮去除率。然而,有关盐度对除磷性能及群落结构的影响还鲜有报道,关于盐度对聚磷菌(polyphosphate accumulating organisms,PAOs)和聚糖菌(glycogen accumulating organisms,GAOs)竞争机制还不清晰。因此,本论文重点研究盐度对除磷过程的影响,以期为调节盐水平下脱氮菌和除磷菌的生存矛盾提供理论基础。其主要研究内容包含以下几个方面:(1)以人工合成废水为研究对象,在序批式反应器(sequencing batch reactor,SBR)内采用厌氧/好氧(A/O)运行模式成功启动了生物除磷(biological phosphorus removal,BPR)系统。期间为实现系统较高的厌氧释磷量(phosphorus release amount,PRA)、好氧吸磷量(phosphorus uptake amount,PUA)和磷去除率(phosphorus removal efficiency,PRE),分别从进水基质浓度(进水C/P、Ca2+、Mg2+浓度)和操作条件(DO、SRT、好氧HRT)方面对系统性能进行调控。试验结果表明:经过150天的操作,成功实现了BPR系统的稳定高效运行,系统内PRA和PUA可分别达到28.67和33.95 mg/L,PRE成功稳定在96.09%左右,出水磷浓度在0.41 mg/L,低于0.50 mg/L,满足污水出水标准。但聚磷菌种群相对丰度(Hyphomicrobium,3.69%;Pseudofulvimonas,1.02%;unclassified_f_Rhodobacteraceae,2.41%)并不高,这表明聚磷菌丰度和系统除磷性能之间没有绝对的相关关系,只要进水条件有利于PAOs更好地吸收足够的碳来去除进水中的磷(多余的碳可能会用于GAOs的繁殖),系统就可以保持稳定且良好的性能。稳定运行的BPR系统为后续的盐度试验提供里良好的前提。(2)探讨盐冲击对系统除磷性能的影响,寻找系统可能存在的耐盐范围,进行了批次试验。使用锥形瓶作为试验用反应装置,内接BPR系统的活性污泥,分别设置了8个不同的盐浓度梯度进行试验,为增加结论的准确性和可靠性,又设置了两组高进水磷浓度系统进行盐冲击试验,探讨在高进水磷浓度下盐冲击对系统除磷性能的影响。试验结果表明:聚磷微生物对于盐的耐受极限值在10 g/L左右,在0-10 g/L范围内,随着盐浓度的增加系统的磷去除率、比厌氧释磷速率和比好氧吸磷速率也随之减小。当盐浓度超过10 g/L时,细胞可能会裂解死亡,产生无效释磷现象,几乎完全丧失吸磷能力。因此,在后续的长期试验过程中应将盐度范围设置在0-10 g/L左右。(3)在BPR系统稳定运行的基础上添加氯化钠,分别从除磷性能(COD、PO43--P去除率、污泥和微生物细胞中总磷变化)、污泥特征(颗粒粒径、胞外聚合物质、污泥浓度)和微生物群落结构(微生物种群丰度变化、功能预测、竞争机制)三大方面探讨不同盐浓度胁迫对系统的影响,同时也探讨了高盐驯化之后降低盐度系统的恢复程度。试验结果表明:高盐胁迫对COD的去除效率影响不大,在添加盐度之后系统除磷性能会立刻受到抑制,去除率迅速下降,经过一段时间驯化后,性能会恢复到稳定程度。5 g/L的盐胁迫下PRE稳定在73.68%左右,10 g/L盐浓度下PRE最后稳定在-7.98%,大部分细胞发生裂解,污泥粒径降低,除磷能力受到严重抑制。在盐浓度降低到7.5 g/L时,系统性能可以恢复至27.39%左右。长期的盐水平操作导致微生物多样性下降,使Bacteroidota相对丰度下降到12.33%,Acidobacteriota和Planctomycetota相对丰度逐渐下降,最终可能被系统淘汰,Chloroflexi和Planctomycetota在盐驯化过程中相对丰度逐渐增加。Defluviicoccus菌属相对丰度随盐浓度的增加而降低,在10 g/L和7.5 g/L盐浓度下其相对丰度分别为3.02%和6.00%。
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