電-磁場強化厭氧氨氧化及多菌群協(xié)同自養(yǎng)生物脫氮.pdf

1、厭氧氨氧化(ANaerobic AMMonia OXidizing，ANAMMOX)技術由于具有高效、低耗和環(huán)境友好等特性已在廢水處理方面受到研究者們的廣泛關注。完成ANAMMOX過程的細菌能夠在厭氧條件下以亞硝酸氮為電子受體，將氨氮氧化生成氮氣。這種生物脫氮技術的研究歷程雖已有十余年的歷史，但至今仍未廣泛應用于工程實踐，而限制該技術應用的主要瓶頸在于ANAMMOX細菌生長速率較低所導致的工藝啟動時間漫長，以及ANAMMOX細菌生長條件

2、苛刻所導致的工藝應用范圍較窄等方面。 針對目前ANAMMOX研究中存在的問題，本文以在厭氧自養(yǎng)條件下長期培養(yǎng)的ANAMMOX菌群為研究對象，研究了通過采用外加電場和磁場提高ANAMMOX菌群活性來縮短工藝啟動時間，以及開發(fā)以ANAMMOX技術為基礎的多菌群耦合協(xié)同技術來擴大工藝應用范圍的可行性。論文取得了一些創(chuàng)新性的研究成果，主要包括： (1)研究發(fā)現(xiàn)，外加磁場能夠有效提高ANAMMOX菌群的厭氧氨氧化活性，進而縮短

3、ANAMMOX反應器的啟動時間。在磁場強度為16.8～95 mT范圍內(nèi)，ANAMMOX菌群的活性得到了顯著提高；當強度為75 mT時，ANAMMOX菌群活性的提高值最大，達到50％；然而，強度過高的磁場則對ANAMMOX菌群活性產(chǎn)生了抑制效應。60 mT磁場ANAMMOX反應器的連續(xù)運行實驗結果表明，和無磁場作用的對照實驗相比，反應器的最高NH4+-N去除負荷提高了30％，啟動時間縮短了1/4。分子生物學實驗分析結果表明在磁場作用下，A

4、NAMMOX菌群多樣性顯著下降，而進行厭氧氨氧化反應的Plactomycetes sp.得到了有效富集，其占全部真細菌的比重大約由60％上升到80％。 (2)研究表明，外加電場能夠有效增強ANAMMOX菌群活性，進而縮短ANAMMOX反應器的啟動時間。當電極電壓為-0.05 VSCE時，活性的提高值最大，達到20％。電場的作用也促進自養(yǎng)反硝化反應的發(fā)生，降低ANAMMOX反應副產(chǎn)物NO3--N的濃度。在-0.05 VSCE工作

5、電極電壓下，運行電極-生物膜ANAMMOX反應器，和無電極電壓作用的對照實驗相比，反應器的啟動時間縮短了1/5，總氮去除率也由80％提高到99.8％。分子生物學實驗分析結果表明，在-0.05 VSCE工作電極電壓下，能進行厭氧氨氧化反應的Planctomycetes sp.得到了有效富集；自養(yǎng)通電馴化富集了氫自養(yǎng)型反硝化細菌Pseudomonas sp.，使得電極-生物膜ANAMMOX反應器具有良好的自養(yǎng)反硝化性能。 (3)本

6、研究證實ANAMMOX反應器能夠實現(xiàn)尿素氮的有效去除。利用percoll密度梯度離心的方法得到了純ANAMMOX細菌，批式實驗結果表明其雖具有較高的厭氧氨氧化活性，但是并不具備尿素水解能力。采用平板稀釋涂布的方法分離得到了一株能在厭氧自養(yǎng)條件下水解尿素的細菌。分子生物學分析表明這株尿素水解細菌是Bacillus sp。中的一種，被命名為Bacillus sp．LST-1。反應器中(NH2)2CO-N的去除過程包括Bacillus sp。

7、參與的尿素水解生成NH4+-N的反應以及接下來的Plactomycetes sp.完成的厭氧氨氧化反應。尿素水解過程與厭氧氨氧化過程聯(lián)合工藝的開發(fā)，對于擴大ANAMMOX技術的應用范圍具有重要意義。 (4) ANAMMOX反應器可以同時去除NH4+-N和SO2-4。這種過程是由NH4+-N氧化和SO2-4還原反應，以及接下來的厭氧氨氧化反應兩步所組成。分子生物學實驗證實了一種和已知Planctomycetes sp.(DQ89

8、9895.1)序列相似性達92％的細菌在NH4+-N和SO2-4存在條件下得到了強烈的富集，被命名為Anammoxoglobus sulfate。Anammoxoglobussulfate細菌在NH4+-N氧化和SO2-4還原生成NO2--N的反應中起重要作用。此后，Planctomycetes sp.共同完成接下來的厭氧氨氧化反應以完成NH4+-N和SO2-4的完全去除。以SO2-4為底物的厭氧氨氧化工藝的開發(fā)，對于擴大ANAMMOX

9、技術的應用范圍具有重要意義。 (5)研究發(fā)現(xiàn)，ANAMMOX菌群能夠在有溶解氧的條件下進行厭氧氨氧化反應。ANAMMOX反應器生物膜的最大好氧氨氧化活性為1.38 mmoINH4+-N/(gVSS·day)，這對于消耗氧氣保持厭氧氨氧化反應所需的厭氧條件具有重要作用。在溶解氧存在條件下，菌群的最大厭氧氨氧化活性輕微下降，從21.23 mmoINH4+-N/(gVSS·day)下降到20.23mmolNH4+-N/(gVSS·d

10、ay)。分子生物學實驗分析發(fā)現(xiàn)兩株和Nitrosomonas eutropha(AY123795)序列相似性高達99％的細菌存在于反應器中，其在有氧條件下能轉變其代謝模式好氧生長，從而保證Planctomycetes sp.代謝所必須的厭氧條件。能在進水中含有溶解氧的條件下培養(yǎng)ANAMMOX菌群，為ANAMMOX技術的工業(yè)化應用節(jié)省必要的曝惰性氣體排氧的能源消耗費用。 (6)鹽度可以作為CANON工藝穩(wěn)定運行的關鍵性控制因素之

11、一。批式實驗結果表明，10 g/L的NaCl在限氧條件下能較好的抑制亞硝酸氧化活性，進而增強好氧氨氧化活性和厭氧氨氧化活性。在反應器進水加入10 g/L的NaCl之后，出水NH4+-N和NO3--N濃度降低，反應器的總氮去除負荷從0.4 kgN/(m3·day)提高到0.6 kgN/(m3·day)，總氮去除率從54％提高到80％。分子生物學實驗分析結果表明，和已知Nitrospira sp。(AY224041、DQ414438)基因序