厭氧氨氧化(ANaerobic AMMonium Oxidation，ANAMMOX)是一種新型的高效生物脫氮工藝，其脫氮效率優(yōu)于傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)，具有較好的工業(yè)化應(yīng)用前景。但是厭氧氨氧化菌倍增時間長，對反應(yīng)器運行條件較為敏感，從而一定程度上限制了ANAMMOX工藝的穩(wěn)定性和實際應(yīng)用潛力。因此進一步了解ANAMMOX工藝的運行特性及其對環(huán)境條件變化的響應(yīng)，有助于推動ANAMMOX的理論發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用。有鑒于此，本論文以閑置兩年的厭氧氨氧化污泥為研究對象，采用UASB反應(yīng)器研究ANAMMOX工藝的啟動過程和運行特性。在此基礎(chǔ)上，從微生物群落結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵中間代謝產(chǎn)物、胞外多聚物(EPS)等多維水平解析ANAMMOX系統(tǒng)對反應(yīng)器控制條件變化的響應(yīng)及其受抑機理。 主要研究結(jié)果如下： (1)將常溫下閑置兩年的厭氧氨氧化污泥接種至UASB反應(yīng)器，以人工配水為原水，通過逐步提高水力壓力，在運行68天后成功地實現(xiàn)了ANAMMOX工藝的啟動。反應(yīng)器運行穩(wěn)定，在水力停留時間(HRT)為4h，進水總氮負荷為1.2kg N·m-3·d-1的條件下，氨氮、亞硝酸鹽氮和總氮的去除負荷分別達到了0.52kg N·m-3·d-1、0.59kg N·m-3·d-1和1.01kg N·m-3·d-1。穩(wěn)定運行的ANAMMOX反應(yīng)器內(nèi)的氨氮、亞硝酸鹽氮消耗量與硝酸鹽氮生成量之比約為1：1.08：0.26。污泥表觀特性可以直觀地描述厭氧氨氧化菌群的快速富集過程。隨著水力壓力的增加，顆粒污泥顏色逐漸由黑色變?yōu)榧t棕色。反應(yīng)器啟動成功后的厭氧氨氧化污泥平均粒徑為3-4mm，沉降速度在20-78m·h-1之間，具備較好的污泥沉降性能。酶學(xué)分析結(jié)果表明，厭氧氨氧化比活性、聯(lián)氨氧化酶比活性與氨氮去除負荷之間呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，兩者能夠較好地表征ANAMMOX的啟動過程。在HRT為4h時厭氧氨氧化比活性和聯(lián)氨氧化酶比活性分別達到了125.38±3.01mg N·gVSS-1·d-1和339.42±6.83μmol·g VSS-1·min-1。高通量測序結(jié)果顯示，隨著ANAMMOX的逐漸恢復(fù)，種群豐富度和多樣性下降，微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯演替。啟動成功的ANAMMOX反應(yīng)器中，優(yōu)勢菌群主要隸屬于變形菌門(Proteobacteria)、綠菌門(Chlorobi)，未分類細菌(Unclassified Bacteria)和放線菌門(Actinobacteria)。 (2)在不同進水氮濃度下，研究了水力壓力對ANAMMOX工藝運行效能的影響。在進水總氮濃度較低的情況下(200mg·L-1)，水力壓力對反應(yīng)器氮去除能力影響不大，總氮去除率都在90%以上。當進水總氮濃度為400mg·L-1，HRT為6h時，反應(yīng)器達到最佳的處理能力。此時總氮、氨氮和亞硝酸鹽氮的去除負荷分別為1.32kg N·m-3·d-1、0.76kg N·m-3·d-1和0.75kg N·m-3·d-1，氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率分別達到95%和94%；進一步將HRT縮短至4h，雖然總氮去除負荷可以達到最大值1.39kg N·m-3·d-1，但是氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率卻分別下降至58%和71%。在進水總氮濃度較高的情況下(600mg·L-1)，當HRT為6h時，氨氮和亞硝酸氮的去除率分別為58%和40%；而HRT降低至4h時，氨氮和亞硝酸氮去除率僅為34%和18%，處理效能明顯降低。以上結(jié)果表明，相較于水力壓力的變化，進水氮濃度變化對ANAMMOX效能的影響更為顯著。基于聚合酶鏈反應(yīng)-變形梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)指紋圖譜的聚類分析結(jié)果表明，當進水總氮濃度為200mg·L-1和400mg·L-1時，隨著HRT不斷縮短，微生物群落結(jié)構(gòu)的差異度較小，菌群穩(wěn)定性較好；多樣性指數(shù)計算表明，微生物種群Shannon多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)與優(yōu)勢度指數(shù)均升高，而豐富度指數(shù)則有所下降。當進水總氮濃度為600mg·L-1時，隨著HRT的變化，微生物群落結(jié)構(gòu)差異明顯，菌群穩(wěn)定性減弱；同時微生物種群Shannon多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)，均勻度指數(shù)均有所下降。以上結(jié)果表明，在一定的進水氮濃度下，通過控制反應(yīng)器水力壓力和氮負荷，可以實現(xiàn)厭氧氨氧化菌群的富集；但是過高的氮濃度會影響群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和作用效能。隨著進水負荷的提高，反應(yīng)器中優(yōu)勢微生物菌群主要隸屬于藍藻門(Cyanobacteria)、浮霉菌門(Planctomycetes)和變形菌門。 (3)在不同進水氮負荷下，研究了COD對反應(yīng)器運行效能的影響。結(jié)果表明，在合適的COD濃度下，厭氧氨氧化菌的活性和豐度沒有受到顯著影響，反應(yīng)器的脫氮效能均優(yōu)于對應(yīng)的空白對照試驗(無COD添加)，且ANAMMOX對氮去除的貢獻率在80%以上。此時的優(yōu)勢菌群主要隸屬于綠菌門、綠彎菌門(Chloroflexi)、浮霉菌門、放線菌門和厚壁菌門。但是當進水COD濃度過高時，厭氧氨氧化菌的活性和豐度受到明顯抑制，反硝化作用貢獻率顯著上升。此時反應(yīng)器運行主要表現(xiàn)為氨氮去除率急劇下降，而亞硝酸鹽和硝酸鹽氮幾近完全去除。系統(tǒng)中優(yōu)勢微生物菌群主要隸屬于綠菌門、變形菌門，厚壁菌門(Firmicutes)和放線菌門。基于PCR-DGGE指紋圖譜的聚類分析研究表明，在一定的進水氮負荷下，隨著COD濃度的逐漸增加，微生物群落結(jié)構(gòu)差異越發(fā)顯著。而在COD濃度一定的情況下，逐漸提高進水氨氮和亞硝酸鹽氮濃度，微生物種群結(jié)構(gòu)則更趨于穩(wěn)定。以上結(jié)果表明，進水COD濃度變化會顯著影響微生物群落結(jié)構(gòu)和脫氮效能。此外一定的進水COD濃度可以在維持較高的ANAMMOX貢獻率的同時，進一步強化反應(yīng)器的脫氮能力。 (4)將反應(yīng)器HRT固定為6h，通過逐漸提高進水氨氮和亞硝酸鹽氮濃度，考察基質(zhì)濃度變化對ANAMMOX脫氮效能的影響。結(jié)果表明，隨著進水總氮濃度的逐漸升高，總氮去除負荷逐漸增加。當進水總氮濃度達到400mg·L-1時，氮去除負荷達到1.43kgN·m-3·d-1，總氮去除率達到90%左右。當總氮濃度繼續(xù)增加時，氮去除負荷沒有明顯變化，但是總氮去除率則顯著降低。當進水總氮濃度為800mg·L-1時，氨氮和亞硝態(tài)氮的去除率僅為51%和34%。以上結(jié)果表明，本研究中反應(yīng)器的最大處理負荷在1.43kgN·m-3·d-1左右，而過高的進水氮濃度反而會對ANAMMOX系統(tǒng)產(chǎn)生一定的抑制作用。關(guān)鍵中間代謝產(chǎn)物的分析表明，無論進水總氮濃度的高低，羥氨濃度都會維持在較低的水平。但是較高的總氮濃度會造成一定程度的聯(lián)氨積累。通過研究中間代謝產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化過程，證實了本研究中ANAMMOX菌群的代謝多樣性，其存在著羥氨歧化反應(yīng)、聯(lián)氨歧化反應(yīng)以及氨氮和羥氨的歸中反應(yīng)。研究關(guān)鍵代謝產(chǎn)物濃度對ANAMMOX菌群代謝的影響，結(jié)果表明高濃度的羥氨不會導(dǎo)致聯(lián)氨的累積，但是會產(chǎn)生一定量的氨氮；而隨著聯(lián)氨添加濃度的升高，聯(lián)氨轉(zhuǎn)化率逐漸降低，且氨氮累積更加明顯。由此可見，聯(lián)氨積累的主要途徑是氨氮和羥氨的歸中反應(yīng)而不是羥氨的歧化反應(yīng)；而當聯(lián)氨合成量增加時，聯(lián)氨還原酶催化的還原反應(yīng)并不能及時將聯(lián)氨轉(zhuǎn)化成N2，成為主要的限速步驟。聯(lián)氨積累則可能是抑制ANAMMOX效能的主要因素之一。論文進一步研究了COD干擾下中間代謝產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化過程。結(jié)果表明，添加一定濃度COD沒有對ANAMMOX代謝途徑產(chǎn)生顯著影響，因此可以認為COD對ANAMMOX菌群的影響機制主要發(fā)生在微生物群落結(jié)構(gòu)水平而并非厭氧氨氧化菌的代謝水平�？疾霢NAMMOX菌群在不同受抑情況后的恢復(fù)過程，結(jié)果表明高基質(zhì)濃度引起的ANAMMOX活性抑制可通過降低進水氮濃度來快速恢復(fù)，而高濃度COD(900mg·L-1)引起的ANAMMOX活性抑制現(xiàn)象則很難通過降低進水COD濃度來有效恢復(fù)。 (5)論文研究了COD濃度對ANAMMOX污泥顆粒化的影響。污泥特性研究表明，在無COD添加的反應(yīng)器中，顆粒污泥粒徑以0.4-0.6mm為主，當COD濃度為100mg·L-1和200mg·L-1時，顆粒污泥粒徑范圍主要在1.39-1.65mm。通過研究污泥EPS的分布和組成揭示COD對ANAMMOX污泥顆�；挠绊憴C制。結(jié)果表明，添加COD可以增加EPS合成以促進顆�；�，其中蛋白質(zhì)的增加更明顯；此外COD還可以增加緊密型EPS的比例，結(jié)合熒光共聚焦顯微鏡的觀察，可以發(fā)現(xiàn)此時顆粒污泥結(jié)構(gòu)更為緊密。而緊密的污泥結(jié)構(gòu)可以強化ANAMMOX菌的固定，從而有利于維持其在反應(yīng)器整體脫氮過程中的優(yōu)勢地位和貢獻率。研究還發(fā)現(xiàn)合適的COD濃度在促進顆�；耐瑫r，并不影響ANAMMOX的效能。但是過高的COD濃度會破壞菌群的生物相結(jié)構(gòu)，在強化異養(yǎng)反硝化菌作用的同時，顯著降低和弱化了ANAMMOX菌的豐度和貢獻，因此反應(yīng)器中氨氮和總氮去除率明顯下降。由此可見，合適的COD濃度不僅能夠促進ANAMMOX污泥的顆粒化，而且更有利于總氮的去除。
【學(xué)位單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

第一章 緒論捷徑。硝酸鹽還原成亞硝酸鹽后，不是繼續(xù)還原成氣體物質(zhì)，而原成氨，這個過程簡稱為 DNRA(Dissimilatory Nitrate Reduction此過程還伴有亞硝酸鹽氮的短暫積累和 N2O 排放。在 90 年代初下同樣可以進行反硝化，稱之為好氧反硝化。在微生物研究方面化菌的嚴格界限。此外，厭氧氨氧化菌亦存在于各種淡水河海洋唯一起固氮作用的菌群[11]。.1.1 中公式 1.1 和 1.2 可知，1 摩爾氨氮完全氧化成硝酸鹽氮需要氨氧化與亞硝化耦合，需要在前處理階段將一半氨氮氧化為亞硝，需氧量減少，所需能耗減少 60%，運行成本降低[12]。與反硝化要外加碳源[13]，節(jié)省了操作成本和 CO2的產(chǎn)量。Jetten[11]指出，將會使運行成本降低 90%。Van Dongen[14]的研究表明，厭氧氨氧濟的工藝。因而，對于常規(guī)污水處理廠的氮去除率說，厭氧氨氧、節(jié)能、對環(huán)境友好的脫氮技術(shù)。

ANAMMOX菌的細胞結(jié)構(gòu)圖

11圖 1-3 基于 16 rRNA 隸屬于浮霉菌門的五種厭氧氨氧化菌系統(tǒng)發(fā)育樹圖[54]gure 1-3 Phylogenetic tree of the phylum Planctomycetes based on the 16S rRNA gene of the anammox families within the anaerobic ammonium oxidizing bacteria genera于 16 S rRNA 系統(tǒng)發(fā)育樹分析，厭氧氨氧化細菌位于單系群，序列相似性在 之間�；趨捬醢毖趸毦纳鷳B(tài)環(huán)境和棲息地，可將其分為 5 類，即 Broca，Scalindua，Kuenenia，Anammoxoglobus，實驗室條件下不可純培養(yǎng)[56]。截 1 月，尚未成功分離出厭氧氨氧化菌[57]。ANAMMOX 存在于各種氧不充足利用硝態(tài)氮[59]的人工或自然系統(tǒng)中，如廢水處理系統(tǒng)[36, 40, 60, 61]，海洋生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)[63, 64]，陸地生態(tài)系統(tǒng)[65]，甚至海冰地區(qū)[59]。Scalindua 主要出現(xiàn)在中[63]。 Brocadia 和 Kuenenia 主要出現(xiàn)在廢水處理及大規(guī)模的 ANAMMOX 反。有趣的是，在分批培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)了隨著丙酸鹽濃度增加的 Candidatusoxoglobus propionicus[50]。
【參考文獻】

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本文編號：2866052