（环境工程专业论文）膜生物反应器中厌氧氨氧化的运行特性及微生态结构研究.pdf

摘要 摘要 对于生化性较差的或高浓度含氮废水，传统生物脱氮工艺处理成本较高。目前国内 外对低碳氮比( c n ) 废水处理技术的发展趋势是采用厌氧氨氧化( a n a e r o b i ca m m o n i u m o x i d a t i o n ，a n a m m o x ) 技术。但要将这项技术推向应用，必须要解决a n a m m o x 菌的菌种 来源和菌体持留等问题。本论文在总结前人对a n a m m o x 研究成果的基础上，首先比较 了不同普通污泥源对a n a m m o x 反应器启动效能，选出最佳污泥源。在此基础上，在膜 生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，m b r ) 中，研究了其运行特性及运行过程中微生物 群落结构及相对数量的变化，并研究了a n a m m o x 过程中m b r 的最佳工况条件。主要 研究内容如下： ( 1 ) r 1 、r 2 、r 3 = 个反应器中分别接种好氧污泥、厌氧颗粒污泥、厌氧消化污泥， 经过2 3 个月的运行，均获得了具有a n a m m o x 活性的富集培养物。其中r 1 、r 2 、r 3 中总 氮去除率分别达到7 6 、8 2 和8 0 ；出水污泥浓度分别为1 3 4g s s d 、0 4 2g s s d 、 0 9 5 9 s s m ；污泥体积指数则分别为2 3 2 3m l g s s 、1 1 1 1m l g s s s n l 9 3 8m l g s s ；三个反 应器稳定运行所消耗的时间关系为r 3 r 2 r 1 。就总体而言，厌氧颗粒污泥是富集 a n a m m m o x 菌的最适污泥源。 ( 2 ) m b r 运行过程中，污泥v s t s 由初始的0 6 6 提高n 0 7 7 ，说明体系中出现了适应 环境的菌群；m b r 稳定运行后，a n a m m o x 颗粒污泥粒径主要集中在0 2 1 m m ，实验证明 了颗粒污泥是a n a m m o x 功能的重要承载者；总氮容积负荷达0 2 4 5g ( l d ) ，总氮去除率 约8 0 ，n h 4 + - n 和n o 2 - n 去除率分别为8 1 、9 1 。m b r 运行初期，由异养菌等菌体 自溶造成膜污染严重，当a n a m m o x 成为主导反应时，由a n a m m o x 微生物生长造成的膜 污染远远小于m b r 运行初期。 ( 3 ) m b r 抗水力负荷实验表明，水力停留时间( h r t ) 由1 4h 缩短至7 9h 时，m b r 能稳定运行，n 吖- n 、n 0 2 - n 去除率分别保持在7 5 、8 5 ；温度在3 0 3 5 、p h 值为7 8 ，a n a m m o x 活性较高；上升流速在1 8 2 3m h 时，m b r 运行状况良好；从氮 素去除情况、运行成本、操作的简便性综合来看，较为合适的操作方式为：进水0 5 5h ， 循环5h ，沉降0 3h ，出水0 1 5h 。 ( 4 ) 扫描电镜( s e m ) 实验发现，接种污泥以杆状菌为主，有少量的丝状菌和球菌； a n a m m o x 污泥主要是由球菌和杆菌组成。t - r f l p 实验证实，a n a m m o x 菌富集前后微 生物群落结构和相对数量发生了明显变化，运行后整个反应器中适应a n a m m o x 运行方 式的菌种增殖较多，种类丰富，包括p l a n c t o m y c e 、p i r e l l u l a 、g e m m a t a 、p s e u d o m o n a s 。 关键词：厌氧氨氧化；膜生物反应器；颗粒污泥；接种污泥；浮霉状菌 a b s t r a c t a b s t r a c t f o rt h et r a d i t i o n a lb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lt e c h n o l o g y , i tr e s u l t se x p e n s i v ei nt h o s e w a s t e w a t e r sw i t hl o wb i o d e g r a d a b l em a t t e ra n dh i g hn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n s n o w a d a y st h e t r e n di nd e v e l o p m e n to ft r e a t i n gw a s t e w a t e rw i t hl o w e rr a t i oo fc a r b o nt o n i t r o g e ni s a n a e r o b i ca m m o n i u l 1o x i d a t i o n ( a n a m m o x ) p r o c e s s i no r d e rt op u ti ti n t op r a c t i c a lu s e , a n a m m o xi n o c u l am u s tb ea c h i e v e da n dt h eb i o m a s sm u s tb eh o l di n s i d et h er e a c t o r b a s e d o nt h es u m m a r i z i n gt h er e s u l t so fp r e v i o u ss t u d i e so na n a m m o x ，t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n t s l u d g e so nt h ee f f i c i e n c yo fa n a m m o xp r o e e s sw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so ft h o s e s t u d y ，t h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i c t i c sa n dm i c r o b i a lc o m m u n i t yd i s t r i b u t i o no fa n a m m o xi na m e m b r a n eb i o r e a c t o rw a sa n a l y s e d t h eb e s to p e r a t i o no fm b ri nt h ea n a m m o xp r o c e s sw a s a l s os t u d i e di nt h i ss t u d i e d t h em a i nr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a f t e r2 - 3m o n t h so fi n c u b a t i o n ，t h ee n r i c h m e n to fa n a m m o xs t r a i n sf r o mt h e c o n v e n t i o n a ls l u d g es u c ha sa e r o b i cs l u d g e ，a n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ea n da n a e r o b i c d i g e s t i o ns l u d g ea r eo b s e r v e di nt h er1 ，r 2 ，r 3 ；t h er e m o v a lr a t eo fa m m o n i u m ，n i t r i t ea n d t o t a ln i t r o g e nw e r e8 2 ，9 2 ，91 ；t h ec o n c e n t r a t i o no fe f f l u e n ts l u d g ew e r e1 3 4g s s d ， o 4 2g s s d ，o 9 5 9 s s d ；t h ev o l u m ei n d e xo fs l u d g ew e r e2 3 2 3m l g s s ，11 1 1m l g s sa n d 19 38m l g ss ；j u d g e db yt h es t a r t u pt i m e ，r1w a st h es h o r t e s t ，f o l l o w e db yr 2a n dr 3 ( 2 ) t h ev s t sw a sc h a n g e df r o m0 6 7t oo 7 7d u r i n gt h ea n a m m o xp r o c e s si nm b r ；a t t h ee n do ft h ea n a l n m o xr e a c t o ro p e r a t i o n , t h es i z eo fa n a m m o xg r a n u l a rs l u d g ew a sm a i n l y c o n c e n t r a t e di n0 2 - lm m ，e x p e r i m e n td e m o n s t r a t e dt h a tg r a n u l a rs l u d g ep l a y e da ni m p o r t a n t r o l ei nt h ea n a m m o xp r o c e s s ；a n dt h en i t r o g e n l o a d i n gr a t ea m o u n t e dt o0 2 4 5k g t n ( m 土d ) ， a n dt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft o t a ln i t r o g e n ，a m m o n i aa n dn i t r i t ew a s8 0 ，81 ，91 ， r e s p e c t i v e l y c e l ll y s i sf r o mh e t e r o t r o p h sw a sp r o p o s e dt ob eo n ek e yf a c t o ri n f l u e n c i n gt h e m e , m b r a n ef o u l i n gi nt h ef i r s td a y s ，a n dt h ef i r s td a y sw a sr e m a r k a b l yh i g h e rt h a nt h a tt h e p e r i o do fa n a m m o xb a c t e r i ad o m i n a t e dt h em i c r o b i a lc o m m u n i t yi nt h er e a c t o r ( 3 ) d u r i n gt h eh y d r a u l i cs h o c kt e x t ，t h eh r t o fm b rw a sg r a d u a l l ys h o r t e df r o m1 4t o 7 9h ，t h en h 4 十na n dn o l 2 - nr e m o v a le 伯c i e n c i e sw e r es t a b l ea ta b o u t7 5 a n d8 5 ， r e s p e c t i v e l y a n a m m o xa c t i v i t i e sw e r eg o o dw h e nt e m p e r a t u r ew a s3 0 3 5 * ca n dp hw a s7 - 8 t h eo p t i m a la s c e n dv e l o c i t yo ff l o wi s1 8 2 3r n hi nt h i ss t u d y c o n s i d e r a t i o no fn i t r o g e n r e m o v a l ，o p e r a t i n gc o s t s ，t h es i m p l i c i t yo fo p e r a t i o n ，t h eo p t i m a lo p e r a t i o nm o d ew a st h a tt h e r e a c t o rw a so p e r a t e di nc y c l e so f6h ，f e df o r0 5 5h ，m i x e df o r5h s e t t l e m e n tf o r0 3l l ，d r a w f o r 0 1 5h ( 4 ) t h ep h o t o g r a p h ss h o w e dt h a tt h es e e d i n gs l u d g ew e r em o s t l yr o db a c t e r i aw h i l e a n a m m o xs l u d g ew a sm o s t l ys p h e r i c a la n dr o di ns h a p e b a s e do nt e r m i n a lr e s t r i c t i o n f r a g m e n tl e n g t hp o l y m o r p h i s m ( t - r f l p ) a n a l y s i s ，t h ec o m p o s i t i o na n dr e l a t i v ep o p u l a t i o n s o ft h em i c r o b i a lc o m m u n i t yc h a n g e do b v i o u s l yi na s s o c i a t i o nw i lt h ee n r i c ho fa n a m m m o x t h ee n r i c h m e n to fa n a m m o xs t r a i n ss u c ha sp l a n c t o m y c e , p i r e l l u l a ，g e m m a t a ，p s e u d o m o n a s w e r ef o u n da f t e re n r i c h m e n ti nm b r k e y w o r d s ：a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ； m e m b r a n e b i o r e a c t o r ；g r a n u l a rs l u d g e ； i n o c u l a t i o ns l u d g e ；p l a n c t o m y c e t e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是拳人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我- - n 工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名： 匠垡 日 期：竺翌 ! 星 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：崖釜l 导师签名：垂吾趔移一 日 期：群，白x 一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1水体中氮素污染状况、危害及控制标准 据中国环境状况公报显示，湖泊、海洋富营养化问题突出，造成这一问题的根 源是n 、p 等营养元素过剩。近十年来，我国富营养化湖泊、水库的比例已从5 o 上 升到了5 5 左右。2 0 0 6 年，全国近岸海域四类、劣四类海水为2 4 3 ，比去年上升o 4 。太湖、滇池、巢湖的蓝藻接连暴发，标志着我国进入了水体n 、p 污染密集暴发阶 段。 在自然界，氮主要以有机氮化合物( 动物蛋白、植物蛋白) 、氨氮( n h 4 + - n ) 、亚硝 基氮( n o z - n ) 、硝基氮( n 0 3 。n ) 、氮气( n 2 ) 以及氮氧化物( n 2 0 、n 0 2 ) 等形式存在。n h 4 + n 在水中以n h 4 + 和n h 3 形式存在，浓度为0 1 1 0m g l 的n h 3 会造成鲫鱼等鱼类的急性中 毒【l 】。进入水体的1m gn h 4 + - n 被完全氧化约需4 6m g 溶解氧( d o ) ，影响水体的生态环 境【i 】。以n o 、n 0 2 为主的氮氧化物是形成光化学烟雾和酸雨的一个重要原因。氮氧化 物也是危害人体健康的物质。n o z - - n 进入血液后可与血红蛋白作用生成高铁血红蛋白， 引起组织缺氧。n 0 3 - - n 在人体中还会转化成亚硝胺，具有致畸、致癌、致突变作用。 在政策上，我国1 9 9 6 年颁布实施的污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) ，在保留 原二级氨氮排放标准的基础上，制定了更加严格的氨氮一级排放标准( 1 5m g l ) 。合 成氨工业水污染物排放标准( g b l 3 4 5 8 9 2 ) 规定现有处理设施氨氮排放标准为2 5m g l ， 新改造工程氨氮排放标准为1 5m g l 。2 0 0 2 年颁布的城镇污水处理厂污染物排放标准 ( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) ，更为严格的规定了企业单位排出的氨氮浓度，并新增规定了排放的总 氮浓度。城市污水处理及污染防治技术政策中明确指出：为防治富营养化，城市污 水应进行二级强化处理，增强除磷脱氮的效果。由此看出，废水脱氮已成为水污染控制 中的一个重要研究方向。 1 1 2传统脱氮技术 1 ) 物化法 空气吹脱法：就是在碱性条件下，用空气或蒸汽汽提技术使n h 4 + - n 等挥发性物质 从液相转移到气相；折点氯化法：向废水中投入足量的氯气或次氯酸钠，将废水中的 n h 4 + - n 氧化成n 2 。理论上，当氯投加量与n h 4 + n 的重量比( c i n ) 为7 6 ：1 时，化 合余氯量最小，称为折点；选择性离子交换法：利用沸石和离子交换树脂等选择性阳离 子交换剂，置换出废水中n h 4 + - n ；磷酸氨镁沉淀法：通过投加m d + 和p 0 4 3 。使之与废水 中的n h 4 + n 结合生成不溶性的m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0 沉淀物。此外，还有乳化液膜分离及 超重力脱氮等物化脱氮法。采用上述物化技术脱氮，具有快速高效的优点，但物化法一 般需要投加药剂，费用昂贵，并且易产生二次污染。 江南大学硕士论文 2 ) 生物法 就当前技术水平和工程实践来看，生物脱氮技术是目前应用最广的废水脱氮技术【i 】。 它通常由硝化过程和反硝化过程组成。硝化过程是在自养菌或异养菌作用下，将n h 4 + n 氧化成n 0 2 - n ，再氧化成n 0 3 - - n 的生物过程。反硝化过程是在反硝化菌的作用下， n 0 3 - - n 经n 0 2 - n 、n o 、n 2 0 还原为n 2 的过程。传统统生物脱氮方法处理效果好、处 理过程稳定可靠、操作管理较方便、不会造成二次污染。但硝化过程需要大量的能耗； 反硝化过程需要一定的有机物，增加了运行费用。 1 1 3新型脱氮技术 最近，研究表明1 1 棚生物脱氮过程中存在一些超出人们传统认识的新现象，如硝化 过程不仅由自养菌完成，异养菌也可以参与硝化作用。某些微生物如亚硝化细菌在好氧 的条件下也可以进行反硝化作用，有些研究者【3 】在实验室中观察到在厌氧反应器中 n h 4 + - n 减少，即厌氧氨氧化( a n a e r o b i ca m m o n i ao x i d a t i o n ，a n a m m o x ) 现象等。参于 a n a m m o x 过程的微生物是自养型微生物，无需添加有机碳源、无需氧气参与、产碱量 为零、减轻二次污染。a n a m m o x 菌具有极高的脱氮能力。据报道1 7 , 8 】，实验室规模处理 模拟废水基质氮去除速率最高达2 6 0k g ( m 3 - d ) ，生产性a n a m m o x 反应器处理污泥压滤 液，基质氮去除速率最高达9 5k g ( m 3 d ) 。另外，a n a m m o x 还具有较高的经济效益，对 厌氧消化污泥分离液，若采用物理化学法处理，单位处理费用3 3 8 3 $ k gn ，采用传统 生物脱氮技术( 全程硝化一反硝化工艺) 处理，单位处理费用估计为1 7 3 3 $ k g n ，若 采用a n a m m o x 工艺单位处理费用估计为7 1 0 $ k gn 】。 1 2a n a m m o x 技术 1 2 1a n a n u n o x 的发现 1 9 7 7 年，奥地利理论化学家b r o d a 2 】从化学热力学角度出发，大胆地预言了自然界 存在以n 0 3 - 或n 0 2 - 为氧化剂的氨氧化反应。直到2 0 世纪9 0 年代初，荷兰d e l f t 工业大 学在运行三级生物处理系统期间，m u l d e 3 】等人在其中的厌氧生物脱氮反应器中发现， n h 4 + 也在此条件下消失。由于n h 4 + 和n 0 3 - 的消失同时发生且成正相关，他们认为反应 器内存在如下反应：5 n h 4 + + 3 n 0 3 _ 4 n 2 + 9 h 2 0 + 2 i - i +( 1 1 ) ；v a nd eg r a a f 4 j 等进一步做 了分批实验证实，a n a m m o x 的确是一个微生物反应，n h 4 + 和n 0 3 被同步去除，反应产 物为n 2 ；v a nd eg r a a t 6 】等随后通过n 1 5 标记的n h 4 + 做研究，证明n 0 2 - 才是关键的电子 受体的自养生物脱氮反应，其反应式：n h + 4 + n o 2 _ n 2 + 2 h 2 0g 0 = 3 3 5k j m o l d ( 1 2 ) ；s t r o u s 5 】等根据化学计量和物料衡算估算出a n a m m o x 总的反应式： n h 4 + + i 3 1 n 0 2 - + 0 0 6 6 h c 0 3 一+ o 1 3 h + - - - , n 2 + 0 2 6 n 0 3 一+ 0 0 6 6 c h 2 0 0 5 n 0 1 5 + 2 h 2 0 ( 1 - 3 ) 2 第一章绪论 1 2 2a n a m m o x 反应机理 根据对脱氮流化床反应器中a n a m m o x 的示踪研究，v a nd eg f a a f 6 , 9 等人提出了 a n a m m o x 化学模型。他们认n 0 2 。首先还原产生羟安( n h e o h ) ，然后a n a m m o x 菌以n h 2 0 h 为电子受体将n h 4 氧化为联氨( n 2 h 0 ，n 2 i - i , 又进一步被还原成n 2 ，同时产生的2 旷。 接着k u c n e n i o 】在实验的基础上提出了a n a m m o x 生化模型。即，首先，在n 0 2 。还 原酶( n i r ) 作用下将n 0 2 - 转化为n h 2 0 h ：其次，n h 4 + 和n h 2 0 h 在肼水解酶( h h ) 的作 用下形成n 2 h 4 ；最后n 2 h 4 在n 2 h 4 氧化酶( h z o ) 作用下被氧化产生n 2 、4 个质子和4 个电子。这4 个电子和来自核糖体的5 个电子再在n 0 2 。还原酶( n 瓜) 的作用下把n 0 2 还原为羟氨，依此循环。a n a m m o x 过程形成一跨膜的质子梯度，由质子梯度形成的化 学势能和电势能驱动质子结合a n a m m o x 小体膜上的a t p 合酶产生a t p 。 1 2 3a n a m m o x 启动运行过程中的影响因素 1 ) 环境因素 p h 值、温度、溶解氧等变化直接或间接改变a n a m m o x 菌的生理活动，进而影响 a n a m m o x 反应f 1 1 - 1 3 】。而稳定运行时，a n a m m o x 菌对环境条件要求不那么苛刻。 2 ) 基质浓度 初始n 0 2 - - n v s s ( s 0 x 0 ) h f i 值高，微生物活性高，但是过高也会抑制微生物活性【1 4 】。 进水n 0 2 。- n 浓度连续1 2h 超过7 0 m g l 则抑制a n a m m o x 反应【5 1 。 3 ) 有机碳 a n a m m o x 污泥中存在着异养反硝化菌，有机物的存在会抑制a n a m m o x 反应，一般 以h c 0 3 - 等无机碳作为唯一碳源。此外研究【l5 】发现a n a m m o x 菌能够利用丙酸盐进行生 长。a n a m m o x 菌以n 0 2 。- n 、n 0 3 - n 作为电子受体将丙酸盐氧化成c 0 2 。该发现对提高 a n a m m o x 菌生长速率提供了有力支持。 4 1 污泥源 接种污泥源会影响a n a m m o x 过程的启动、运行的稳定性和处理效果。厌氧颗粒污 泥单位容积生物量高，有较高的脱氮效率，但其a n a m m o x 菌含量相对较低，启动时间 相对较长【1 6 ，1 刀；市政污泥来源广泛，可以解决a n a m m o x 工程接种污泥问题【1 8 】；采用好 氧和厌氧污泥混合接种的方法，可以降低a n a m m o x 微生物对氧气等抑制因素的敏感程 度【1 8 】；以硝化污泥为污泥源启动a n a m m o x 反应器所需时问最短，但总氮去除率较低【1 9 】； 用水体底泥富集a n a m m o x 菌，总氮去除率不高，反应器启动时间也较长【2 0 2 。 5 1 富集装置 实验采用的反应器也会影响a n a m m o x 过程的脱氮效果。膜生物反应反应器将几乎 全部的微生物截留在反应器，其氮去除负荷高达1 7 5 9 ( g v s s d ) 【捌；上流式软性填料的 生物膜反应器克服了填料堵塞等问题，氮去除负荷达1 6 9 ( g v s s d ) 【7 】；上流式厌氧污泥 床( u a s b ) 的氮去除负荷为0 3 0 4 9g ( g v s s d ) 【2 1 2 3 之4 】，其氮去除负荷的差异可能源自 反应器的高径比及内部结构；气提式反应器内部结构精细，氮去除负荷达1 1 5 ( g v s s d ) 江南大学硕十论文 【2 5 】；厌氧序批式反应器( a s b r ) 生物截流量高、设备简单，氮去除负荷达o s g ( g v s s d ) t 2 5 】； 流化床反应器生物持留量大，氮去除负荷可达0 1 8 9 ( g v s s d ) 【2 6 1 。 1 3a n a m m o x 的微生物学基础 1 3 1a n a m m o x 茵的分布 发生a n a m m o x 的前提是在缺氧的条件下，有n h 4 + - n 、n 0 2 - - n 的存在。在自然生 态系统中，由于氧供应不足，或者电子受体有限，常常发生氨氧化成亚硝基氮，硝基氮 还原成亚硝基氮的情况【2 7 1 。在河水底泥的好氧和缺氧界面上，氨氮和亚硝基氮常常共存， 它是a n a m m o x 菌生长的理想环境。近年来越来越多的文献【2 7 。3 2 】表明，在海洋底泥、海 洋深水缺氧区、厌氧污水处理装置、市政污泥中均存在a n a m m o x 菌。这些研究表明 a n a m m o x 菌广泛存在自然界。 1 3 2a n a m m o x 菌分离鉴定 为了从富集培养物中分离出a n a m m o x 菌，先后采用了系列稀释分离、显微单细胞 分离等多种方法，但均没成功。最终v a nd eg r a a f f 9 】采用密度梯度离心技术成功地纯化 了a n a m m o x 菌。经过优化后，采用这种技术获得的细胞悬液可达到很高的纯度，每 2 0 0 8 0 0 个细胞中只含1 个污染细胞。另外，分子生物学技术也是鉴定a n a m m o x 菌的 重要工具。v a nd eg r a a f 3 2 】经过核酸提取、1 6 sr d n a 的p c r 扩增与纯化、扩增产物载 体表达、基因测序等步骤，最终确定出他们所发现的a n a m m o x 茵在细菌进化树上的位 置，该种细菌属于浮霉状菌目，并命名为c a n d i d a t u sb r o e a d i aa n a m m o x i d a n s 。接着人们 设计出来l8 个特异性寡核苷酸探针，用于荧光原位杂交( f i s h ) 实验。这些探针无论是 在纯细菌悬浮物还是细菌混合物中都能与目标菌特定杂交，这为a n a m m o x 菌的鉴定提 供了新的工具。目前f i s h 、q p c r 等技术常用来用来鉴定a n a m m o x 菌的存在。根据 1 6 sr d n a 谱系分析，已确定了三种a n a m m o x 菌，即b r o c a d i a 包括b a n a m m o x i d a n s 、 b r o c a d i a f u t g i d a ；k u e n e n i a 包括k s t u t t g a r t i e n s i s ：s c a l i n d u a 包括s w a g n e r i 、s b r o d a e 和 s s o r o k i 玎打。 1 3 3a n a m m o x 运行过程中微生物群落变化 由于a n a m m o x 菌的一些生长特性使其分离的难度大。如：1 ) a n a m m o x 细菌的代时 长，生长缓慢，易受杂菌污染。2 ) a n a m m o x 细菌易受温度、p h 、溶氧和一些化学因子 等环境因素的抑制。3 1a n a m m o x 细菌的生长伴随着其它细菌的生长，目前还没有分离 到纯a n a m m o x 菌。传统的显微方法难于获得微生物群落结构和空间分布的相关信息， 因而不利于根据微生物群落多样性的变化以迅速判断环境的变化。术端限制性酶切片段 长度多态性( t i 心l p ) 技术是近年来发展起来的、不依赖于培养的微生物群落分析方法 之一。t - r f l p 技术不但可以对微生物种类进行定性分析，还可以进行定量分析。在基 因扫描的图谱上，每一个末端限制性酶切片段代表至少一种类型的微生物，峰的相对面 4 第一章绪论 积反映出该种类的相对数量。t - r f l p 技术在微生物群落结构分析方面具有分辨率高、 易于实现自动化及互联网海量数据共享等优势，与变性梯度胶凝电泳( d g g e ) 相比， 其具有更高的分辨率3 3 1 。目前，t - r f l p 技术已广泛应用于菌种鉴定、群落对比分析、 群落中系统发育种群多样性的评估等领域【3 3 。蚓。t - r f l p 技术的发展为分析a n a m m o x 过程中微生物群落结构的变化提供了强有力的工具。 1 a 本论文研究的目的、意义和内容 i a 1 研究目的和意义 a n a m m o x 菌较低生长速率导致产泥量少，符合我国对污染物处理污泥减量化的要 求；a n a m m o x 菌具有极高的脱氮能力；a n a m m o x 工艺具有较高的经济效能。然而把 a n a m m o x 技术工程化，仍存在一些急需要解决的技术难题。首先需要解决的是接种污 泥的来源问题，因为作为a n a m m o x 技术主体的a n a m m o x 菌生长极其缓慢，己成为限 制该技术推广应用的瓶颈。因而，本研究在普通污泥中进行筛选接种的基础上，进而启 动运行a n a m m o x 反应器，可以解决处理工艺中污泥源难获得的局面。反应器运行过程 中微生物的流失，是目f i ；j n 约a n a m m o x 工程化的另一难题。通过对膜生物反应器 a n a m m o x 运行特性的研究，旨在探寻一个既能满足a n a m m o x 菌的生长条件，又能在装 置中积累足够生物量的生物反应器。通过对a n a m m o x 膜生物反应器运行条件的研究， 将有助于更好地指导a n a m m o x 膜生物反应器工艺的运行，进一步推动a n a m m o x 工艺 的发展。利用分子生物学技术( t r f l p ) 对反应器运行过程中微生物菌群结构和相对数 量变化进行分析，为厌氧氨氧化运行前后微生物群落结构变化提供理论依据。 1 4 2研究内容 针对目前a n a m m o x 工艺研究中存在的某些不足，在江苏省自然科学基金( 编号： b 勉0 0 7 0 2 2 ) 资助下，本论文做了如下研究： 1 ) 通过考察接种污泥对a n a m m o x 反应器启动过程中的影响，确定a n a m m o x 启动过 程中最适污泥源。 2 ) 研究接种普通污泥的a n a m m o x 膜生物反应器运行特性。 3 ) 考察a n a m m o x 膜生物反应器运行过程中的最佳工况。 4 ) 使用分子生物学的方法( t r f l p 技术) 对a n a m m o x 运行过程中微生物群落结构和 相对数量变化进行考察。 江南大学硕+ 学位论文 第二章实验材料与方法 2 1 实验装置及原料 厌氧氨氧化( a n 觚吼o x ) 污泥源选择、a n a m m o x 运行、微生物群落结构及a n a m m o x 工艺最佳工况研究阶段的实验装置及原料见表2 1 至表2 3 及图2 一l 和2 - 2 。 表2 - 1 实验装置及接种污泥 t a b l e2 - 1r e a c t o rc o n f i g u r a t i o na n dm a t e r i a l 2 1 1 厌氧序批式反应器及原料 考察不同污泥源对a n a m m o x 启动效能的影h 向时，采用三套相同装置的有机玻璃制 成的厌氧序批式反应器( a s b r ) 。内径1 0 0 c m ，高4 6 0 c m ，总体积3 l ，图2 1 图2 1 a l m m n o x 富集装置 f i g 2 - 1 r e a c t o rc o n f i g u r a t i o nf o ra n a m m o xe n r i c h m e n t 反应器l ( r 1 ) 接种污泥来自无锡芦村污水处理厂好氧硝化池污泥，m l s s ：3 1 6 9 l ， m l v s s ：1 5 8 9 l ，m l v s s m l s s ：0 5 。s v h3 7 2m l s s 反应器2 ( r 2 ) 接种污泥来自无锡柠檬酸厂污水处理反应器的厌氧颗粒污泥， m l s s ：1 9g l ，m l v s s ：1 2 8g l ，m l v s s m l s s ：o 6 7 。s v h1 1 3m l s s ，沉降速 度8 5 8 m h ，粒径分布： 1 5 m m ：1 4 反应器3 ( r 3 ) 接种污泥来自无锡芦村污水处理厂污泥消化池污泥，m l s s ：3 4 9 l ， m l v s s ：1 3g l ，m l v s s m l s s ：0 3 8 。s v h5 8 8m u s s 6 第二章实验材料与方法 表2 - 2 模拟废水组成 t a b l e2 - 2c o n s t i t u t e so fs y n t h e t i c a lw a s t e w a t e r 备注：微量元素1 m l l 2 1 2 膜生物反应器及原料 考察a n a m m o x 运行特性、最佳工况特性及微生态结构变化时，采用有机玻璃制成的 m b r ，其有效容积为1 l ，内径为8 0i r l r n ，高为2 2 0m n l 。u 型中空纤维膜组件由杭州浙大 凯华公司生产，孔径为0 1 0 2l x m ，材质为聚丙烯，图2 2 1 进水瓶 2 进水泵 3 反麻器 4 膜组件 5f h 水瓶 6 湿式流量汁 图2 - 2 实验装置图 f i g 2 2r e a c t o rc o n f i g u r a t i o nf o ra n a m m o xe n r i c h m e n t 研究a n a m m o x 运行特性及微生态结构变化时，接种污泥来自无锡柠檬酸厂污水处理 反应器的厌氧颗粒污泥，t s s ：1 4 8g l ，v s s ：9 6g l ，v s s t s s ：0 6 5 。 a n a m m o x 运行特性研究时，取自第三章中稳定运行的a n a m r n o x 污泥，t s s ：5 6g l ， v s s ：4 2 9 l ， v s s t s s ：0 7 5 。 7 江南大学硕十学位论文 表2 - 3模拟废水组成 t a b l e2 - 3c o n s t i t u t e so fs y n t h e t i c a lw a s t e w a t e r 元素 浓度m g l 微量元素 浓度m g l 备注：微量元素l m l l 2 2 测定指标及方法 2 2 1 物理性质分析方法 1 ) 污泥粒径：从反应器内取一定量污泥，用水冲洗后使之依次通过为1 5 r a m 、l m m 、 0 8 m m 、0 5 m m 、和o 2m i l l 的分样，然后将各个分样筛截留的污泥收集，在1 0 5 下 烘干、称重，计算不同粒径范围的污泥所占比例( 质量比) 。 2 ) s v i 、t s s 、v s s ：重量法。 2 2 2 化学性质分析方法 1 ) a n a m m o x 污泥活性测定：在2 5 0m l 摇瓶中加入一定量待测污泥样品，n h 4 + - n 和 n 0 2 - - n 浓度均为7 0m g l 的模拟废水混合，用丁基橡胶塞密封，并用氮气置换摇瓶顶端 空气2 3m i n ，避光置于3 0 c 恒温水浴中，定时测定n h 4 + n 、n 0 2 - - n 禾u n 0 3 - n 的浓度。 2 ) 氨氮：水杨酸次氯酸盐光度法。 3 ) 亚硝基氮：n ( 1 萘基) 乙二胺光度法。 4 ) 总氮：紫外分光光度法。 5 ) p h ：d e l t a3 2 0p h 计。 6 1 微滤膜通量的测定 测试原理：膜通量指单位时间内透过单位面积微滤膜的透过液的体积数。 计算公式： ，：旦3 1 a t 式中：瑚通量，l ( m 2 h ) ； 9 一透过液体积，l ； 彳一超滤膜有效面积，m 2 ： f - 收集透过液所用时间，h 。 第二章实验材料与方法 2 2 3 生物学性质分析方法 1 ) 扫描电镜 扫描电镜样品制备方法： 固定：戊二醛酸双固定，2 5 戊二醛固定4 小时，磷酸缓冲液清洗3 次，每次1 5 分钟，1 饿酸固定2 小时，磷酸缓冲液清洗2 次，每次1 5 分钟。 脱水：乙醇系列3 0 、5 0 、7 0 、8 5 、9 5 乙醇各一次，每次1 5 分钟，1 0 0 乙醇2 次，每次1 5 分钟。 置换：乙酸异戊脂2 次，每次1 5 分钟；二氧化碳临界点干燥；离子溅射金 2 ) d n a 提取、纯化 d n a 提取的具体方法如下：各称取3 0 0m g 运行前后的污泥样品置于1 5m l 离心 管中，加入2 0 0g ls o l u t i o ns u s 将样品浸泡、悬浮，使样品软化分散；加入4 0 0g ls o l u t i o n l y s ，3 0 0m g 石英砂，盖上离心管盖，在细胞破碎仪6 0m s ，3 0s 两次；1 2 0 0 0r m i n ， 2 0 ，离心5m i n ，取上清液于1 5m l 无菌离心管中，加入1 2 0p ls o l u t i o nb i d ，盖上 盖，上下混匀，1m l 枪头转移至3 s 柱内，置于2m l 离心管中，不盖盖，室温放置2m i n 以上；盖盖，1 2 0 0 0r m i n ，2 0 ，离心1m i n ；取下3 s 柱，弃废液，柱放回，加6 0 0g l w a s hs o l u t i o n ，1 0 0 0 0r m i n ，2 0 ，离心1m i n ；重复上一步骤一次；取下3 s 柱，弃废 液，柱放回，1 0 0 0 0r m i n ，2 0 ，离心2m i n ，以去除残留的w a s hs o l u t i o n ；洗脱：柱 中间加1 0 0g l 的t e ，将柱置于新的1 5m l 无菌离心管中，室温静置2m i n