低温污水处理脱氮除磷复合菌群的选育.doc

国内图书分类号：Q93 国际图书分类号：579 学校代码：10213 密级：公开理学硕士学位论文低温污水处理脱氮除磷复合菌群的选育硕士研究生： 刘淑丽导师： 李建政 教授申请学位： 理学硕士学科、专业： 微生物学所在单位： 市政环境工程学院答辩日期：2012年 7月授予学位单位： 哈尔滨工业大学Classified Index: Q93 U.D.C:579 Dissertation for a Masters Degree in ScienceACCLIMATIZATION OF MULTIPLEMICROORGANISMS FOR NITROGEN ANDPHOSPHORUS REMOVAL IN WASTEWATER ATLOW TEMPERATURECandidate：Supervisor：Academic Degree Applied for：Specialty：Liu ShuliProf. Li JianzhengMaster of ScienceMicrobiologySchool of Muni. & Env. EngJuly, 2012Affiliation：Date of Defence：Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学理学硕士学位论文摘要北方冬季气温低，污水处理效率低，导致氮磷排放达标困难，有针对性地开发低温污水处理技术及产品具有重要的意义。本文借助于低温（15 ）序批式反应器（SBR）的运行，通过不同的调控方式驯化培养硝化功能菌群、同步脱氮除磷功能菌群及反硝化聚磷功能菌群，并为进一步筛选脱氮除磷效果良好的菌株提供种泥来源，为开发基于强化脱氮除磷功能菌群作用的高效低温污水处理技术奠定基础。低温硝化功能菌群的驯化培养及其氨氧化潜能测试结果表明，在（15 1）下，好氧活性污泥经驯化可获得良好的氨氧化能力。在初始氨氮（ NH4+-N）浓度为 46 mg/L左右时，其 NH4+-N去除速率和亚硝态氮（NO2-N）生成速率分别可达54.26 g/kg-MLSSd和 29.07 g/kg-MLSSd左右。菌群处理城镇污水的 NH4+-N去除率可达 85%以上，在初始 NH4+-N浓度分别为 91.01 mg/L和 163.37 mg/L左右时，其最高 NH4+-N去除速率分别可达 52.54 g/kg-MLSSd和 111.97 g/kg-MLSSd，具有处理高氨氮废水的潜力。该菌群中的硝酸菌比亚硝酸菌对 pH 更敏感，在初始 pH为 9.0和 8.0时氨氧化速率和硝化速率最大；Na2CO3可以作为污泥驯化的良好的促进剂，低 COD和一定的盐度可促进菌群的硝化效率的提高。通过厌氧-好氧-缺氧运行方式，可从常规活性污泥驯化出同步脱氮除磷功能菌群。该低温功能菌群在进水 COD为 400 mg/L（C:N:P=200:20:2.5）条件下处理效果最佳，其 NH4+-N、TN、TP、COD去除率分别可达 98.80%、90.83%、85.80%和93.56%；当进水 COD 提高到 500 mg/L时，可引发体系污泥发生丝状菌膨胀。经厌氧-好氧和厌氧-缺氧的递进驯化，可在 SBR中培养出低温反硝化聚磷功能菌群，在进水 COD 为 200 mg/L（C:N:P=200:15:2.5）条件下达到运行稳定时，体系的NH4+-N、TN、COD和 TP去除率分别为 97.62%、89.79%、94.12%和 81.11%，均达到国家一级 A 排放标准。对三大功能菌群不同运行时期的污泥进行生物相和群落变化分析，不同时期体系内微生物种群优势菌属不同，与水质和调控条件的影响对应。从驯化稳定的反硝化聚磷功能菌群中分离鉴定出一株高效的脱氮除磷菌株 J6，通过 16S rRNA鉴定该菌株属于不动杆菌属（Acinetobacter sp.）。关键词：低温；污水处理；脱氮除磷；SBR；功能菌群- I -哈尔滨工业大学理学硕士学位论文AbstractThe efficiency of sewage treatment is too low to meet standards of nitrogen and phosphorus emissions due to low temperature during winter in northern China. So it is significant to develop technologies and products about low-temperature wastewater treatment. The aim of the research was to acclimatize nitrification function flora, simultaneous nitrogen and phosphorus removal function flora and denitrifying phosphorus functional flora by means of different control methods in a sequencing batch reactor (SBR) at 15. Nitrogen and phosphorus removal function floras were studied for providing foundation for separatation of denitrifying phosphate-accumulating organisms further and developing enhanced nitrogen and phosphorus removal technologies based on efficient low-temperature sewage treatment. The results in acclimatizing low-temperature nitrification function flora and tests of ammonia oxidation activity showed inoculated activated sludge could obtain a better ammonia oxidation activity after acclimatized, with a specific ammonia nitrogen (NH4+-N) removal rate of 54.26 g/kg-MLSSd and specific nitrite nitrogen (NO2-N) producing rate of 29.07 g/kg-MLSSd at an initial NH 4+-N of 46 mgL-1 at 151. The NH4+-N removal was achieved more than 85% in the SBR when treating urban sewage. The acclimatized activated sludge also illustrated a better potential in treating high ammonia nitrogen wastewater. The specific NH4+-N removal rate could reach at 52.54 g/kg-MLSSd and 111.97 g/kg-MLSSd in the SBR when the initial NH4+-N concentrations were 91.01 mgL-1 and 163.37 mgL-1, respectively. Nitrite oxidizing bacteria (NOB) was more sensitive to pH than Ammonia oxidizing bacteria (AOB) in the function flora. The ammonia oxidation rate was the highest at an initial pH of 9.0 and nitration rate was the highest at an initial pH of 8.0. The Na2CO3 was a good catalyst in acclimatizing process of activated sludge and the nitrification efficiency of acclimatized activated sludge was increased by low concentration of COD and NaCl. Simultaneous nitrogen and phosphorus removal function flora was obtained from conventional activated sludge through operation of anaerobic-aerobic-anoxic mode. Nitrogen and phosphorus removal was highest, with NH 4+-N removal rate , TN removal rate, TP removal rate and COD removal rate were 98.80%, 90.83%, 85.80% and 93.56% , respectively at the influent COD of 400 mg/L (C:N:P=200:20:2.5). Phenomenon of sludge bulking appeared in SBR at influent COD of 500 mg/L. Denitrifying phosphorus function flora could be cultured by two stages of anaerobic-aerobic and anaerobic-anoxic in the SBR, the NH4+-N removal rate, TN removal rate, TP removal rate and COD removal rate were 97.62%, 89.79%, 94.12% and 81.11%, respectively at influent COD of 200 mg/L(C:N:P=200:20:2.5), meeting the national level emission standards of A . Biofacies and microbial population variation of - II -哈尔滨工业大学理学硕士学位论文different periods in three function flora were investigated, corresponding to the impact of water quality and regulatory conditions. A denitrifying phosphate-accumulating organisms named Strain J6 was isolated from low-temperature function flora, which belonged to Acinetobacter sp.by means of 16S rRNA. Keywords: low temperature, sewage treatment, nitrogen and phosphorus removal, SBR, function flora- III -哈尔滨工业大学理学硕士学位论文目录摘要. IABSTRACT . II目录. IV第 1章绪论 . 11.1 课题来源及研究的目的和意义 . 11.1.1 课题背景. 11.1.2 课题的来源 . 11.1.3 课题研究的目的和意义. 21.2 污水生物脱氮除磷理论与技术 . 21.2.1 生物脱氮机理 . 21.2.2 生物除磷机理 . 31.3 SBR工艺的研究进展 . 41.3.1 SBR工艺概述及优点 . 51.3.2 SBR工艺同步生物脱氮除磷研究进展 . 51.4 低温生物脱氮除磷的研究现状 . 51.4.1 低温生物脱氮的研究现状 . 61.4.2 低温生物除磷的研究现状 . 61.4.3 低温 SBR同步生物脱氮除磷的研究现状 . 61.5 课题研究的技术路线与主要内容 . 6第 2章试验材料与方法 . 92.1 试验装置设计与试验方法 . 92.1.1 试验装置与设备 . 92.1.2 试验用水与种泥来源 . 92.1.3 试验检测项目及检测方法 . 102.1.4 各功能菌群的 SBR工艺启动调控方法 . 102.2 分子生物学检测方法.112.2.1 样品基因组 DNA的提取及检测 .112.2.2 PCR 体系扩增及检测 . 122.2.3 DGGE、连接、转化及克隆 . 122.2.4 测序及序列解析 . 122.3 微生物形态学及生物相分析方法 . 122.3.1 光学显微镜镜检方法 . 12- IV -哈尔滨工业大学理学硕士学位论文2.3.2 原子力显微镜检测方法. 132.3.3 透射电镜检测方法 . 132.3.4 扫描电镜镜检方法 . 132.4 微生物试验方法 . 132.4.1 反硝化聚磷菌的分离筛选方法 . 142.4.2 生长曲线的测定及生理生化反应试验. 142.4.3 菌株的鉴定方法 . 15第 3章 SBR低温硝化功能菌群的培育与功能强化 . 163.1 硝化功能菌群的培育及效能评价 . 163.1.1 硝化功能菌群的培育 . 163.1.2 功能菌群的氨氧化功能强化 . 173.1.3 功能菌群处理实际污水的氨氧化性能. 183.1.4 功能菌群的氨氧化潜力分析 . 193.2 影响 SBR系统低温硝化功能的主要因素 . 203.2.1 pH . 203.2.2 氨氮浓度. 263.2.3 有机负荷. 263.2.4 碱度 . 283.2.5 盐度 . 293.2.6 微量元素. 303.3 SBR低温硝化系统的群落结构分析 . 313.3.1 生物相观察 . 313.3.2 群落结构分析 . 323.4 小结 . 34第 4章 SBR低温同步脱氮除磷功能菌群的培育与功能强化 . 354.1 SBR同步脱氮除磷系统的低温启动及效能 . 354.1.1 功能菌群的培育及氮磷去除效能强化. 354.1.2 典型周期内的各指标变化规律 . 394.2 污泥负荷提高对系统脱氮除磷效果的影响 . 404.2.1 氮素的去除 . 404.2.2 TP的去除 . 424.2.3 COD的去除 . 424.2.4 污泥膨胀分析 . 434.2.5 生物量及污泥活性分析. 444.3 同步脱氮除磷系统对实际废水的处理效果 . 46- V -哈尔滨工业大学理学硕士学位论文4.3.1 氮素的去除 . 464.3.2 TP的去除 . 484.3.3 COD的去除 . 494.3.4 生物量及污泥活性分析. 504.4 系统活性污泥的群落结构分析 . 504.4.1 生物相观察 . 504.4.2 群落结构分析 . 524.5 小结 . 54第 5章 SBR低温反硝化聚磷功能菌群的培育与功能强化 . 565.1 SBR反硝化聚磷系统的低温启动及效能 . 565.1.1 功能菌群的初步培育及氮磷去除效能的强化 . 565.1.2 典型周期内的主要指标变化 . 595.2 反硝化聚磷功能菌群的强化富集及效能分析 . 605.2.1 聚磷菌群的强化富集 . 615.2.2 反硝化聚磷菌群的富集强化 . 635.2.3 生物量及污泥活性分析. 655.3 低温反硝化聚磷系统的群落结构分析 . 665.3.1 生物相观察 . 665.3.2 群落结构分析 . 685.3.3 高效脱氮除磷菌株的分离鉴定 . 695.4 小结 . 72结论. 74参考文献 . 76攻读学位期间发表的学术论文及其他成果 . 81哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . 82致谢. 83- VI -哈尔滨工业大学理学硕士学位论文第 1章绪论1.1课题来源及研究的目的和意义1.1.1课题背景近年来，氮、磷等元素引起的水体富营养化已成为环境问题的焦点，我国北方寒冷地区的水体富营养化导致的水域污染问题尤为严重，亟待解决 1,2。松花江作为流经黑、吉、内三省的主干河流，是我国北方重要的多功能水体，但同时也接受多种污水的排放，造成了水域环境的严重污染，极大地障碍东北老工业基地的振兴和发展 3；加之松花江流域是我国粮食的重要产地，为达到大幅度地提高粮食产量的目的而加大施用化肥和农药的剂量、化肥的不合理施用等导致富含氮、磷的营养物、农药残剂等经过多种途径进入水体，这种农业生产方式是引起松花江水体污染的主要来源，加剧了水域的生态环境污染。松花江水域污染直接影响了供水城市的引用水水质；水体中的有毒害物质会危胁人体健康；水体中的污染物毒害江中的鱼类等水生生物，对渔业资源造成严重的破坏；水域环境生态平衡也面临着严峻的威胁。松花江水污染防治与治理问题在“十一五”和“十二五”期间都作为水域污染治理的主要任务之一，受到高度重视 4,5。松花江地处高寒地区，冰封期长达近半年。水体中的微生物受长期低温影响对污染物的降解速率明显下降甚至停止；冰封作用使水体富氧能力减弱，水体中好氧微生物代谢及有机物光解作用速率大幅度下降；松花江的枯水期（冰封期）水量极少，对有机污染物的稀释度较丰水期小得多，有机污染物浓度相对很高 6。综上的因素使得松花江冰封期污染最为严重。加之冬季低温对室外污水处理设施的污水处理效果产生严重地影响，出水水质不达标，导致松花江流域冰封期水体水质恶化而影响其功能的发挥。枯水期的水体富营养化污染已成为松花江环境污染最难攻克的难题之一。因此，从北方寒冷地区的地域和气候特征出发，有针对性地开发低温污水处理技术及产品，具有重要意义。1.1.2课题的来源本课题来源于国家水体污染控制与治理科技重大专项“河流水环境综合整治技术研究与综合示范”主题，隶属于“松花江水污染防治与水质安全保障关键技术及综合示范”子课题，即“冰封期复合污染高效去除技术研究与工程示- 1 -哈尔滨工业大学理学硕士学位论文范（2008ZX07207-005 ）”。1.1.3课题研究的目的和意义在松花江的沿江城市虽然建设并运行很多的城市污水处理设施，但是在水温下降的寒冷季节，利用传统的活性污泥法为主的工艺技术的处理效能大幅下降，出水水质达标保障率极低，特别是对氮、磷的去除尤为困难。因此驯化培养并构建耐冷微生物菌群，并通过生物强化技术来提高冰封期污水处理的脱氮除磷效果是一条可行的技术路线。对去除碳、氮、磷污染物的耐冷功能菌群及高效菌种的筛选成为本课题的主要研究内容。基于松花江黑龙江段城镇污水的特性，以脱氮除磷微生物学原理为指导，选育三大类耐冷脱氮除磷微生物优势菌群（包括低温硝化功能菌群、低温同步脱氮除磷功能菌群和低温反硝化聚磷功能菌群），并对其进行结构解析和群落生态学研究，以期为进一步开发低温污水脱氮除磷生物强化技术提供微生物种质资源，并为工程实践提供理论指导。低温生物脱氮除磷的研究旨在突破了温度对其功能发挥的限制，对寒冷地区冬季污水脱氮除磷处理的意义重大。从低温条件下开发微生物菌种方面进行研究，可为今后低温生物脱氮除磷的研究奠定基础和开辟新方向。1.2污水生物脱氮除磷理论与技术1.2.1生物脱氮机理1.2.1.1 传统脱氮理论传统脱氮理论认为污水的生物脱氮过程主要包括氨化作用、硝化作用和反硝化作用三个阶段 7，如图 1-1 所示。1.2.1.2 传统生物脱氮工艺及存在的问题传统的活性污泥工艺、缺氧 -好氧脱氮工艺、厌氧 -缺氧 -好氧脱氮工艺、UCT 工艺等对生活污水和含氮的工业废水的处理效果很差，存在诸多的问题。冬季水温低，加之硝化细菌的代时长、增殖慢，生物量增长慢，运行费用大大提高；氧化 NH4+-N 需大量的 O2的动力消耗，硝化过程中需消耗碱度去中和生成的酸的处理成本高，反硝化过程外加碳源使运行成本增加；系统耐抗冲击能力差，脱氮效果不稳定 8。1.2.1.3 生物脱氮新技术研究发现 9 ,10，硝化和反硝化作用可在好氧的条件下同时发生；在厌氧的条件下 NH4+-N会减少；异氧细菌也可进行硝化作用；一些硝化细菌可把 NH4+- 2 -哈尔滨工业大学理学硕士学位论文氧化成 NO2-，NO2-直接通过反硝化作用还原成氮气。传统生物脱氮理论已无法合理解释，具有很大的局限性，因此出现了一些生物脱氮的新理论和新技术，主要有：氨化作用氨氮有机氮氨氧化作用 有机碳反硝化氮气、氧化二氮硝化作用 作用有机碳硝态氮图 1-1 生物脱氮过程（1） 短程硝化反硝化（ SHARON）短程硝化反硝化是指在同一个反应体系内氨氧化细菌（ AOB）在有氧条件下将 NH4+氧化成 NO2-，再由反硝化细菌直接将 NO2-还原成 N2的过程，而不发生传统的 NO2-的氧化成 NO3-及 NO3-还原成 NO2-的转化过程，节省了 O2的动力消耗，无需补充碳源。（2） 同步硝化反硝化（ SND）同步硝化反硝化是指在特定的条件下硝化与反硝化反应同时完成脱氮的过程 11-14，其最大的优点就是实现了好氧条件下的反硝化作用，而传统的脱氮技术无法完成。（3） 厌氧氨氧化（ ANAMMOX）15-19 厌氧氨氧化是指在厌或缺氧条件下，厌氧氨氧化细菌以 NO2-作电子受体将NH4+氧化为氮气的过程。温度、 DO、pH、底物浓度等因素均对厌氧氨氧化菌的生长具有重要的影响。1.2.2生物除磷机理1.2.2.1 传统生物除磷理论传统生物除磷理论认为聚磷菌（ PAOs）能去除体系内的磷酸盐， PAOs 能从外界大量地摄取磷，以多聚磷酸盐（ poly-P）的形式贮存起来，通过排除剩- 3 -哈尔滨工业大学理学硕士学位论文余高磷污泥的方式而从废水中除磷。生物除磷包括厌氧释磷和好氧吸磷两个阶段20-22，如图 1-2 所示。厌氧段好氧段有机磷ADP无机磷ATPATP无机磷 O2ADP有机磷 H2O进水 聚 磷 菌 聚 磷 菌PHBADPPHB ADP无机物ATP溶解质ATP污泥回流剩余富磷污泥图 1-2 聚磷菌的作用机理1.2.2.2 生物除磷新理论生物除磷的深入研究发现一些 PAOs可在缺氧条件下将 NOx-作为最终电子受体，实现对水中磷的过量吸收，同时完成脱氮的作用，这种