（环境工程专业论文）缺氧好氧生物脱氮系统中n20的释放机理与减量化控制研究.pdf

山东大学博士学位论文 摘要 随着全球变暖加速，温室气体的减排已经引起了国际社会的普遍关注。n 2 0 是一种重要的温室气体，其温室效应是c 0 2 的3 1 0 倍。此外，n 2 0 还会破坏臭 氧层，促进酸雨的形成。因其在大气中的浓度不断增加，n 2 0 已被列为影响自然 生态系统、威胁人类生存基础的重大问题。已有研究证实，污水生物脱氮过程是 n 2 0 的一个重要的人为释放源。因此，积极地研究污水生物脱氮过程中n 2 0 的 产生过程并控制n 2 0 的释放，具有重要的现实意义。 本论文以缺氧好氧s b r 生物脱氮系统为研究对象，对不同工艺条件下( 缺 氧好氧时间比、温度、曝气量、碳源、碳氮比等) 氮的迁移转化过程进行了系 统研究，并采用化学抑制法对不同工艺条件下n 2 0 的释放来源进行了分析；采 用分子生物学技术，研究了不同工艺条件下系统内与n 2 0 释放相关的微生物群 落结构的变化，并将其与系统功能变化进行对比分析，解析了不同种类微生物对 n 2 0 释放的贡献；最后，从工艺运行工况的优化和系统中微生物种群结构的调控 两个方面，提出了切实可行的n 2 0 减量化控制策略，并对其减排效果进行了评 价。主要研究内容及结果如下： ( 1 ) 对不同工艺条件下氮的迁移转化过程进行了研究，发现缺氧好氧时间 比( p f ) 、温度、曝气量、碳源、碳氮比等均对缺氧一好氧s b r 生物脱氮系统中 n 2 0 的释放情况有影响。综合考虑污染物的去除和n 2 0 的释放，系统的最佳运 行工艺条件为：p f = 0 5 ( 即缺氧2 h ，好氧4 h ) ：温度为2 5 。c ；曝气量为2 7l a i t ( l 删栅 h ) ；尽可能的采用混合碳源和提高碳氮比。 ( 2 ) 缺氧好氧s b r 生物脱氮系统的释放主要集中在好氧段，缺氧段的释 放情况不明显。采用化学抑制法对缺氧好氧s b r 生物脱氮系统n 2 0 的释放来源 进行了分析，结果表明：在前述最佳工艺条件下，缺氧段n 2 0 的释放来自硝酸 盐氨化作用，反硝化作用在缺氧段中起到了消耗n 2 0 的作用；好氧段n 2 0 的释 放主要源于硝化细菌的反硝化作用，同步反硝化作用起到“负吸收 的作用。工 艺条件对n 2 0 的释放来源有影响：曝气量影响好氧段n 2 0 的释放途径；碳源影 响缺氧段n 2 0 的释放途径；温度对缺氧好氧生物脱氮系统的n 2 0 释放途径没有 山东大学博士学位论文 明显影响。 ( 3 ) 采用p c r - d g g e 、克隆测序等分子生物学技术，针对功能基因a m o a 和n o s z ，对不同工艺条件下系统中与n 2 0 释放相关的微生物的群落结构变化进 行了分析。结果表明：曝气量和碳氮比对缺氧好氧生物脱氮系统内氨氧化细菌 的群落结构有重要影响，中等曝气条件下或碳氮比高于6 8 时，均出现 n i t r o s o m o n a s 属细菌的富集；碳源对反硝化细菌的群落结构影响较大，当以乙酸 钠为碳源时，反硝化细菌的群落多样性和丰富度降低。将系统微生物群落结构的 变化与n 2 0 释放情况的变化进行对比分析，发现好氧段n 2 0 释放主要源于 n i t r o s o m o n a s 属细菌的反硝化作用。 ( 4 ) 从控制工况条件和调控微生物种群结构两个方面，提出了n 2 0 减量化 控制策略。结果表明：在好氧段初期添加反硝化污泥、外加碳源、分段进水三种 减量化策略均可显著降低缺氧好氧s b r 生物脱氮系统n 2 0 的转化率，其降低幅 度分别为3 9 8 、1 6 2 和4 6 2 。同时，上述措施还可提高系统总氮的去除效 果。 关键词：生物脱氮，硝化，反硝化，氧化亚氮，分子生物学 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i n go fg l o b a lw a r m i n g ，t h er e d u c t i o no fg r e e n h o u s ee m i s s i o n h a sa r o u s e di n t e r n a t i o n a la t t e n t i o n n i t r o u so x i d ef n ：o ) i sa l li m p o r t a n tg r e e n h o u s e g a s i t sg r e e n h o u s ee f f e c ti s3 10t i m e sh i g h e rt h a nc 0 2 i tc a na l s od e s t r o yt h eo z o n e l a y e ra n dp r o m o t et h ef o r m a t i o no fa c i dr a i n b e c a u s ei t s c o n c e n t r a t i o ni nt h e a t m o s p h e r eh a sb e e ni n c m a s i n gr a p i d l yi nr e c e my e a r s ，n 2 0h a sb e e nl i s t e da so n eo f t h em a j o rp r o b l e m sw h i c hc a ne n d a n g e rt h en a t u r a le c o s y s t e m sa n dh u m a nl i v i n g f o u n d a t i o n i th a db e e nr e p o r t e dt h a tb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a li sa ni m p o r t a n t a n t h r o p i cs o u r c eo fn 2 0 t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h ep r o d u c t i o n m e c h a n i s ma n dr e d u c t i o nc o n t r o lo f n 2 0d u r i n gb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s o u rs t u d yf o c u s e do nt h ea n o x i c o x i cs b rb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a ls y s t e m n i t r o g e nt r a n s f o r m a t i o nu n d e r d i f f e r e n tt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，i e a n o x i c o x i c t i m ep h a s ef r a c t i o n ，t e m p e r a t u r e ，a e r a t i o nr a t e ，c a r b o ns o u r c ea n dc a r b o nn i t r o g e n r a t i o ，w e r es y s t e m i c a l l ys t u d i e d t h e s o u r c e so fn 2 0e m i s s i o nu n d e rd i f f e r e n t t e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n sw e r ea l s oe l u c i d a t e dt h r o u g hc h e m i c a li n h i b i t i o nm e t h o d b y t h eu s eo fm o l e c u l a rb i o t e c h n i q u e s ，t h ec h a n g e so fm i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r e r e l a t e dt on 2 0e m i s s i o nu n d e rd i f f e r e n tt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n sw e r es u c c e s s f u l l y t r a c k e d t h ec o n t r i b u t i o n so fd i f f e r e n tm i c r o o r g a n i s m so nn 2 0e m i s s i o nw e r ef i g u r e d o u tt h r o u g ht h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so fc h a n g e sb e t w e e nm i c r o b i a lc o m m u n i t y s t r u c t u r ea n ds y s t e mf e a t u r e f u r t h e r m o r e ，f e a s i b l en 2 0r e d u c t i o ns t r a t e g i e sw e r e p r o p o s e dt h r o u g ht w oa n g l e s ：o p t i m i z a t i o no fo p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n dr e g u l a t i o no f m i c r o b i a lc o m m u n i t y t h er e d u c t i o ne f f e c t so ft h ep r o p o s e ds t r a t e g i e sw e r ee v a l u a t e d t h r o u g he x p e r i m e n t s t h em a i nr e s e a r c hc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a l lo ft h et e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n sr e s e a r c h e d , i e a n o x i c o x i ct i m ep h a s e f r a c t i o n ，t e m p e r a t u r e ，a e r a t i o nr a t e ，c a r b o ns o u r c ea n dc a r b o nn i t r o g e nr a t i o ，h a v ea n e f f e c to nt h en 2 0e m i s s i o no ft h ea n o x i c - o x i cs b rb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l s y s t e m c o n s i d e r a t i n gt h ep o l l u t a n tr e m o v a la n dn 2 0e m i s s i o np e r f o r m a n c ea tt h e s a m et i m e t h eo p t i m u mo p e r a t i o nc o n d i t i o n sf o rt h ea n o x i c o x i cs y s t e mw e r ep f = o 5 i i i 山东大学博士学位论文 ( t h a ti s2 ho fa n o x i ca n d4 ho fo x i c ) ，t = 2 5 。c ，a e r a t i o nr a t ea t2 7l ( l 陀a c t 凹h ) i n a d d i t i o n ，u s et h em i x e dc a r b o ns o u r c ea n di m p r o v et h ec a r b o nn i t r o g e nr a t i oa sm u c h a sp o s s i b l e ( 2 ) n os i g n i f i c a n tn 2 0e m i s s i o nw a so b s e r v e dd u r i n gt h ea n o x i cp h a s e ，w h i l e m o s to ft h en 2 0e m i s s i o no c c u r r e dd u r i n gt h eo x i cp h a s e t h ec h e m i c a li n h i b i t i o n m e t h o dw a su s e dt o i d e n t i f yt h es o u r c eo fn 2 0e m i s s i o nf r o ma n o x i c o x i cs b r b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a ls y s t e m r e s u l t ss h o w e dt h a t ：u n d e rt h eo p t i m u m o p e r a t i o nc o n d i t i o n sf o u n di nt h ep r e l i m i n a r yr e s e a r c h ，d u r i n gt h ea n o x i c p h a s e ， n i t r a t ea m m o n i f i c a t i o nw a st h em a j o rs o u r c eo fn 2 0e m i s s i o nw h i l ed e n i t r i f i c a t i o n p e r f o r m e da sas i n ko fn 2 0 ；d u r i n gt h eo x i cp h a s e ，n i t r i f i e rd e n i t r i f i c a t i o nw a st h e m a j o rs o u r c e o fn 2 0e m i s s i o nw h i l e c o u p l e d - d e n i t r i f i c a t i o nh a s a n e g a t i v e a b s o r p t i o n e f f e c to nn 2 0e m i s s i o n h o w e v e r , s o m ef a c t o r sm a ya f f e c tt h es o u r c eo f n 2 0e m i s s i o n a e r a t i o nr a t eh a sa ne f f e c to nn 2 0d u r i n gt h eo x i cp h a s e ；c a r b o n s o u r c eh a sa ne f f e c to nn 2 0d u r i n gt h ea n o x i cp h a s e ；t e m p e r a t u r eh a sn os i g n i f i c a n t e f f e c to nt h ep r o d u c t i o nm e c h a n i s mo fn 2 0i nt h ea n o x i c o x i cs b rb i o l o g i c a l n i t r o g e nr e m o v a ls y s t e m ( 3 ) t h ec h a n g e so fm i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r er e l a t e dt on 2 0e m i s s i o n u n d e rd i f f e r e n tt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n sw e r ea n a l y z e db yt h eu s eo fm o l e c u l a r b i o - t e c h n i q u e s ，s u c ha sp c r - d g g e ，c l o n i n ga n ds e q u e n c i n g ，t a r g e t i n gf u n c t i o n a l g e n e sa m o aa n d n o s z r e s u l t ss h o w e dt h a ta e r a t i o nr a t ea n dc a r b o nn i t r o g e nr a t i oh a s a l le f f e c to nt h ec o m m u n i t ys t r u c t u r eo fa m m o n i ao x i d i z i n gb a c t e r i a ，w i t ht h e a c c u m u l a t i o no fn i t r o s o m o n a s l i k eb a c t e r i au n d e rm i l da e r a t i o nr a t eo rc a r b o n n i t r o g e nr a t i oh i g h e rt h a n6 8 c a r b o ns o u r c eh a sa ni m p o r t a n ti m p a c to nc o m m u n i t y s t r u c t u r eo fd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a t h ed e c r e a s ei nd i v e r s i t ya n da b u n d a n c eo f d e n i t r i f y i n gb a c t e r i aw e r eo b s e r v e dw h e ns o d i u ma c e t a t ew a su s e d 嬲t h ec a r b o n s o u r c e t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i s o fc h a n g e so fm i c r o b i a lc o m m u n i t y s t r u c t u r ea n dn 2 0e m i s s i o nf e a t u r e ，i tw a ss h o w nt h a tt h em a j o rs o u r c eo fn 2 0 e m i s s i o nd u r i n gt h eo x i cp h a s ew a sn i t r i f i e rd e n i t r i f i c a t i o no f n i t r o s o m o n a ss p p ( 4 ) f e a s i b l en 2 0r e d u c t i o ns t r a t e g i e s w e r e p r o p o s e dt h r o u g ht w oa n g l e s ： o p t i m i z a t i o no fo p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n dr e g u l a t i o no fm i c r o b i a lc o m m u n i t y r e s u l t s i v 山东大学博士学位论文 s h o w e dt h a t ：a d d i t i o no fd e n i t f i f y i n ga c t i v a t e ds l u d g ed u r i n gt h ei n i t i a ls t a g eo fo x i c p h a s e ，e x t e r n a lc a r b o na d d i t i o n a n ds t e p - f e e d t e c h n i q u ec a nr e d u c et h en 2 0 - n c o n v e r s a t i o nr a t ei nt h ea n o x i c - o x i cs b r b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a ls y s t e m ，a n dt h e e x t e n to fr e d u c t i o nw a s3 9 8 ，16 2 a n d4 6 2 ，r e s p e c t i v e l y m e a n w h i l e ，t h e s e r e d u c t i o ns t r a t e g i e sc a l la l s oi m p r o v et h er e m o v a lp e r f o r m a n c eo ft o t a ln i t r o g e n k e yw o r d s ：b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l ，n i t r i f i c a t i o n , d e n i t r i f i c a t i o n ，n i t r o u so x i d e ， m o l e c u l a rb i o l o g y v 山东大学博士学位论文 _ 一一 c o n t e n t s a b s n a c t 。i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 1 1h a r mo f n 2 0 1 1 1 2s o u r c eo f n 2 0 2 1 2n 2 0e m i s s i o nf r o mb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l ( b n r ) p r o c e s s 2 1 2 1o v e rv i e wo f b n rp r o c e s s 2 1 2 2r e s e a r c ho nt h en 2 0e m i s s i o nf r o mb n rp r o c e s s 6 1 3r e s e a r c ho nm i c r o b i a le c o l o g yo f b i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s 1 2 1 3 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r ea n ds y s t e mf u n c t i o n l 2 1 3 2a p p l i c a t i o no f m o l e c u l a re c o l o g yi ne n v i r o m e n t a lm i c r o b i o l o g y 1 4 1 4r e s e r c hp u r p o s ea n dr e s e a r c hc o n t e n t 2 0 1 4 1r e s e r c hp u r p o s e 2 0 1 4 2r e s e a r c hc o n t e n t 2 0 1 4 3k e yp r o b l e mt ob es o l v e d 2 1 c h a p t e r2n i t r o g e nt r a n s f o r m a t i o nu n d e r d i f f e r e n tt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s 2 2 2 1m a t e r i a l sa n dm e t h o d s 2 2 2 1 1r e a c t o rs e t u pa n do p e r a t i o n 2 2 2 1 2e x p e r i m e n td e s i g n 2 3 2 1 3s y n t h e s i sw a s t e w a t e ra n di n o c u l a t i o ns l u d g e 2 4 2 1 4a n a l y s i sa n dm e t h o d s 2 6 2 2e f f e c to f t e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n so nb i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t 2 8 2 2 1a n o x i c o x i cp h a s ef r a c t i o n ( p f ) 2 8 2 2 2t e m p e r a t u r e 2 9 2 2 3a e r a t i o nr a t e 2 9 2 2 4c a r b o ns o u r c e 3 0 2 2 5c a r b o nn i t r o g e nr a t i o ”3 1 5 一坐奎奎堂堡主堂垡堡塞 一 一一一一 2 3n i t r o g e nt r a n s f o r m a t i o ni nat y p i c a lc y c l e 3 2 2 3 ia n o x i c o x i cp h a s ef r a c t i o n 3 2 2 3 2t e l i l p e r a t u r e 3 5 2 3 3a e r a t i o nr a t e 3 7 2 3 4c a i ：b o ns o u 】屯e 3 9 2 3 5c a r b o nn i t r o g e nr a t i o 4 l 2 4n 2 0e m i s s i o nu n d e rd i f f e r e n tt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s 4 5 2 4 1a n o x i c o x i cp h a s ef r a c t i o n ”4 5 2 4 2t e m p e r a t u r e 4 7 2 4 3a e r a t i o nr a t e 4 9 2 4 4c 抽o ns o u l r c e 5 2 2 4 5c a r b o nn i t r o g e nr a t i o 5 4 2 5b r i e f s l 加m 孤y 5 5 c h a n p t e r3s o u r c ea n ds i n ko f n 2 0d u r i n gb n r p r o c e s s 5 8 3 1m a t e r i a l sa n dm e t h o d s 5 8 3 1 1e x p e r i m e n t a ls e t u pa n do p e r a t i o n 5 8 3 1 2e x p e r i m e n td e s i g n 5 9 3 1 3e x p e r i m e n tm a t e r i a l s 6 3 3 1 4a n a l y s i sa n dm e t h o d s 6 3 3 2s o u r c ea n ds i n ko f n 2 0u n d e r d i f f e r e n ta e r a t i o nr a t e s 6 3 3 2 1a n o x i cp h a s e 6 3 3 2 2o x i cp h a s e 6 4 3 3s o u 】略ea n ds i n ko f n 2 0u n d e rd i f f e r e n tc a r b o ns o u r c e s 6 5 3 3 ia m o x i cp h a s e 6 5 3 3 20 x i cp h a s e 6 6 3 4s o u r c e 锄ds i n ko f n 2 0u n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s 6 7 3 4 1a n o x i cp h a s e 6 7 3 4 2o x i cp h a s e 6 8 3 5b r i e fs u m m a r y 6 8 6 山东大学博士学位论文 c h a p t e r4m i c r o b i a lc o m m u n i t y s t r i l c t u r ea n a l y s i sd u r i n gb n r p r o c e s s 7 0 4 1m a t e r i a l sa n dm e t h o d s 。7 ) 4 1 1e x p e r i m e n ts e t u pa n dm a t e r i a l s 7 0 4 1 2a n a l y s i sa n dm e t h o d s 7 0 4 2t o t a ld n ae x t r a c t i o na n da m p l i f i c a t i o no fr e l a t e df u n c t i o n a lg e n e s 7 6 4 2 1a e r a t o i nr a t e 7 6 4 2 2c a r b o ns o u r c ea n dc a r b o nn i t r o g e nr a t i o 7 8 4 3e f f e c to fa e r a t i o nr a t eo i lm i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r e 8 0 4 3 1a m m o n i ao x i d i z i n gb a c t e r i a l 8 0 4 3 2d e n t r i f y i n gb a c t e r i a l 8 3 4 4e f f e c to fc a r b o ns o u r c eo nm i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r e 8 4 4 4 1d g g e p r o f i l e s 8 4 4 4 2p h y l o g e n e t i ca n a l y s i s 8 7 4 5e f f e c to f c a r b o nn i t r o g e nr a t i oo nm i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r e 8 9 4 5 1d g g ep r o f i l e s 8 9 4 5 2p h y l o g e n e t i ca n a l y s i s 9 0 4 6c o r r e l a t i o ns t u d yo f m i c r o b i a lc o m m u n i t ys 仃u c t i l i - ea n dn 2 0e m i s s i o n 9 2 4 6 1a e r a t i o nr a t e 9 3 4 6 2c a r b o ns o u r c e 9 4 4 6 3c a r b o nn i t r o g e nr a t i o 9 5 4 7b r i e fs u m m a r y 9 6 c h a p t e r5r e d u c t i o nc o n t r o lo f n 2 0d u r i n gb n rp r o c e s s 9 8 5 1m a t e r i a l sa n dm e t h o d s 9 8 5 1 1e x p e r i m e n ts e t u pa n do p e r a t i o n 9 8 5 1 2e x p e r i m e n td e s i g n 9 8 5 1 3a n a l y s i sa n dm e t h o d s 9 9 5 2p o l l u t a n tr e m o v a lp e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n to p e r t a i o nm o d e 9 9 5 3v a r i a t i o no f p o l l u t a nc o n c e n t r a t i o ni nat y p i c a lc y c l e 9 9 5 4n 2 0e m i s s i o nu n d e rd i f f e r e n to p e r t a i o nm o d e 1 0 1 7 山东大学博士学位论文 5 5b r i e f s u m m a r y 10 3 c h a p t e r6c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 10 4 6 1c o n c l u s i o n 10 4 6 2i n n o v a t i o n 1 0 6 6 3p r o s p e c t 1 0 7 r e f e r e n c e s 1 0 8 a c k n o w l e d g e m e n t s 1 2 1 t h ep u b l i s h e da n d a c c e p t e dp a p e r 1 2 2 a p p e n d i x1 ：i d e n t i f y i n gs o u r c e so fn i t r o u so x i d ee m i s s i o ni na n o x i c a e r o b i c s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r s ( a os b r s ) a c c l i m a t e di nd i f f e r e n ta e r a t i o n r a t e s a p p e n d i x2 ：e f f e c to fa e r a t i o nr a t eo nt h ee m i s s i o n o fn 2 0i na n o x i c a e r o b i c s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r s a p p e n d i x3 ：e f f e c to fa n o x i c a e r o b i cp h a s ef r a c t i o no nn 2 0e m i s s i o ni nas e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o ru n d e rl o wt e m p e r a t u r e 8 山东大学博士学位论文 1 1 研究背景和意义 1 1 1n 2 0 的危害 第一章绪论 近百年来，全球气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化。联合国政府 间气候变化专门委员会( i p c c ) 分别于1 9 9 0 年、1 9 9 5 年、2 0 0 1 年和2 0 0 7 年对 全球气候变化作了4 次评估。2 0 0 1 年的第三次评估报告显示近百年来全球温度 升高值为0 6 c ，2 0 0 7 年的第四次评估报告将该值更新为0 7 4