短程反硝化除磷菌筛选与富集及其影响因素的研究-毕业论文

仲恺农业技术学院毕 业 论 文论文题目 短程反硝化除磷菌筛选与富集及其影响因素的研究姓 名 院（系） 资源环境与工程系专业班级 学 号 指导教师 职 称 论文答辩日期 年 月 日仲恺农业技术学院教务处制摘要：采用动态SBR反应器，在厌、缺氧交替环境对以亚硝酸盐为电子受体的反硝化除磷菌（Denitrifying Phosphorus removing Bacteria，简称DPB）筛选和富集，分析了亚硝酸盐浓度及其投加方式对反硝化聚磷过程的影响。结果表明，该种反硝化聚磷菌存在于传统污水处理工艺的活性污泥中。经过3个阶段的筛选和富集，在稳定运行的反硝化除磷体系具备良好的同步反硝化除磷性能。体系的出水浓度稳定在1mg/L左右，除磷、脱氮的效率分别在90、96以上；在缺氧的环境中，控制氮与磷的浓度比例为2：1、采用流加的方式向体系中投加亚硝酸盐，反硝化除磷的效果最佳。关键词SBR 反硝化除磷 反硝化除磷菌（DPB） 亚硝酸盐1.前言 废水中的磷和氮可以通过强化生物除磷体系去除，良好的经济和环境效益使其具有广泛的应用前景。强化生物除磷体系在缺氧条件下，利用反硝化聚磷菌（即DPB）的生理代谢，实现同时反硝化脱氮与生物除磷的目的。国内关于利用强化生物除磷脱氮的研究多集中于实验室基础理论研究，其反硝化除磷一般控制在利用硝酸盐为电子受体的水平1，2。国外，南非开普顿大学3、荷兰代尔夫工业大学和日本东京大学4-10的研究人员也展开了反硝化除磷领域的研究。Meinhold11和Lee12等人研究了亚硝酸盐对反硝化除磷过程中的影。Hu J Y等人13比较了以氧气、硝酸盐氮气和亚硝酸盐氮为电子受体的反硝化除磷效果，提出以利用亚硝酸盐为电子受体完成反硝化除磷过程，在解决反硝化过程和除磷过程对污水中COD争夺问题同时，实现了短程反硝化除磷目的。这样既节省炭源，又降低耗氧量和剩余污泥量。本研究试验用泥是取自某实际污水处理厂生物反应池厌氧段中段的污泥。采用SBR反应器和静态厌/好氧装置、静态厌/缺氧装置，以亚硝酸盐为电子受体进行反硝化除磷磷试验。详细研究了反硝化聚磷菌的筛选与富集方法，同时研究亚硝酸盐浓度、投加方式对反硝化除磷过程的影响。本实验的研究结果更贴近实际的污水处理生产。 1、 实验材料与方法1.1 实验设备与试验用水1.1.1 SBR动态反应器实验采用SBR动态反应器（不曝，气装置内设机械搅拌使活性污泥混合均匀），高45厘米，直径33厘米。有效容积35L(见图1)。1.1.2吸放磷装置（1） 静态厌/好氧装置(见图2)（2） 静态厌/缺氧装置(见图3)实验采用人工合成模拟废水（表 1）表1 实验模拟废水成分Table 1 waste water composition used during the experimental period模拟废水成分微量元素组成基质种类 浓度（mg/L） 组成 浓度（g/L）COD(NaAc) 150250 FeCl31.5N(NH4Cl)14CuSO4 0.03P(K2HPO4)812KI0.18MgSO4 45 MnCl2 0.12 KCl18ZnSO40.12碱度（CaCO3） 60CoCl30.15微量元素0.9mLEDTA10为了把水中过多的溶解氧排除从而得到更佳的厌（缺）氧效果，试验用水均采用煮沸的自来水，废水中COD和磷的浓度通过不同的乙酸钠和磷酸氢二钾的投加量来控制。缺氧段根据需要投加不同浓度的亚硝酸盐作为反硝化反应的电子受体。其他实验设备见表2表2设备详细资料表Table2 Detail Information About the Equipment设 备Equipments型 号Model number厂 家Factory电热鼓风干燥箱型CS101-1E中外合资重庆四达实验仪器有限公司上皿电子天平FA1004上海天平仪器厂Air CompressorPUMA微孔滤膜孔径：0.45m浙江省海宁市盐宫钱江医疗器材厂循环水式真空泵SHZ-D（）巩义市英峪予华仪器厂离子分析仪PXST-216型上海精密科学仪器有限公司磁力搅拌器JB-1A上海精密科学仪器有限公司铂电极213型上海精密科学仪器有限公司硝酸根选择电极手提式氧化还原测定仪TS-2上泰仪器（昆山）有限公司参比电极213型上海精密科学仪器有限公司紫外可见分光光度计752C型上海第三分析仪器厂冰箱BCD-215HC华凌表3 试剂详细资料表Table.3 Detail Information About the Agents试 剂Agents级 别Grade厂 家Company氯化钠分析纯汕头市光华化学厂抗坏血酸分析纯广东光华化学厂有限公司四水合钼酸铵分析纯汕头市光华化学厂酒石酸锑钾分析纯汕头市光华化学厂浓硫酸分析纯广州市东江化工厂磷酸二氢钾分析纯汕头市化学试剂厂磷酸二氢钠分析纯汕头市化学试剂厂硝酸钾分析纯广州化学试剂厂氯化钾化学纯广东台山化工厂1.2实验方法和步骤实验用活性污泥取自某污水处理厂生物反应池厌氧段中段的污泥（MLSS为3500mg/L，SV为25.6）。实验分为3个阶段对可以利用亚硝酸盐的反硝化聚磷菌在室温（2526。C）进行选择和富集。第一阶段以，厌氧/好氧方式启动运行（污泥浓度为35004000 mg/L，泥龄控制在8天左右，好氧ORP控制在80-100mV，厌氧ORP控制在-150-220mV），每天运行4周期，每个周期6小时（包括厌氧3小时、好氧2小时、其它约1小时），共运行20周期。目的是使系统中的活性污泥中在此条件下具有高效的好氧除磷效果污泥。第二阶段采用厌氧/缺氧方式运行，每天运行3周期，每个周期8小时（包括厌氧3小时、缺氧4小时、洗泥及其它约1小时，缺氧ORP控制在-100-150mV，厌氧ORP控制在-150-220mV），共运行103周期。该阶段的目的是对反硝化聚磷菌进行选择和富集。进入缺氧阶段时系统内氮源磷源的投加量按N:P=2:11投加。第二阶段污泥浓度为35004000 mg/L，污泥龄控制在16天左右。第三阶段采用厌氧/缺氧/沉淀运行方式，污泥浓度为35004000 mg/L泥龄控制在16天左右，每天运行3周期，每个周期8小时（包括厌氧3小时、缺氧4.5小时、其它约0.5小时），共运行20周期。该阶段的目的是，在第二阶段反硝化聚磷菌已经富集到一定量的基础上，检验体系稳定性，同时考察体系的反硝化除磷的性能。1.3实验分析方法 PO43-P采用钼锑抗分光光度法;NO2N采用N-(1-萘基)乙二胺光度法；MLSS采用滤纸重量法；COD采用快速测定法 ORP采用TS-2手提式氧化还原电位仪2、结果与讨论2.1第一阶段聚磷菌的活化以及磷酸盐去除率的变化由图4可知，经过四天的反应，体系在厌氧/好氧交替方式下运行，厌氧3小时后，体系中磷的浓度上升到29.01 mg/L，吐磷速率为2.19 mg/（h*MLSS）。厌氧反应过程中体系在氧化还原电位为-180 mV左右运行。好氧条件下，聚磷菌有良好的好氧吸磷性能，经过2小时的好氧反应，磷浓度下降到2.47 mg/L，去除率为91.47，好氧吸磷速率为2.53 mg/（h*MLSS）。系统中的活性污泥中在此条件下具有高效的好氧除磷效果污泥。 2.2以亚硝酸盐为电子受体的反硝化除磷菌的筛选与富集2.21第二阶段反硝化聚磷菌的筛选与富集经过第一阶段的厌氧/好氧培养后，体系具有良好的好氧吸磷的性能。进入第二阶段，对能够利用亚硝酸盐的反硝化聚磷菌进行筛选与富集，这是整个实验的关键。由图5可知，在第二阶段，PO43P的去除效果不断提高，当体系运行到第34天，磷的去除率达78.37，出水PO43P的浓度低至3.2mg/L，运行效果良好。这证明体系中的反硝化聚磷菌能够利用对微生物有毒害作用的亚硝酸盐作为电子受体，实现同步的反硝化聚磷。特别指出的是第10、12、22天，出现除磷效果不升反降的情况，这是由于虽然在厌氧结束后经过排水沉淀，但缺氧段开始时，体系中仍然残留一定量的COD，浓度均在50mg/L以上，这部分COD与亚硝酸盐同时存在，反硝化菌优先利用残余的COD进行反硝化反应，影响除磷效果，这一现象与李志勇发表的情况相符2。在第16、17、18、32天，除磷率的提升速度有所放缓，数据显示该些天缺氧段开始时COD的浓度分别为20.6、23.8、25.1、25.2mg/L，这部分COD同样会与亚硝酸盐竞争电子供体，对反硝化聚磷带来不利影响。其他运行的时间里，缺氧段的COD浓度均在10 mg/L左右，除磷率表现出较快的提高速度。如图6所示，当第二阶段结束，体系已经有良好的同步反硝化除磷的性能。具体表现为，缺氧段开始，以15mg/L的浓度向体系中投加亚硝酸盐，10分钟后，氮和磷的浓度分别下降到6.27mg/L和 12.42mg/L，反硝化和除磷的速率分别是2.26、0.25 mg/（h*MLSS），体系的反硝化除磷的效率较高。经过4小时充分的缺氧吸磷，体系中磷的浓度下降到3.24 mg/L，缺氧吸磷速率为1.12 mg/（h*MLSS），除磷率和脱氮率分别达到78.37和93.91。由图7可知，经过3小时的厌氧反应，体系的氧化还原电位达到-217mV，体系保持良好的厌氧运行状态。在投加硝酸盐后，由于电子受体存在，ORP有所升高，缺氧段氧化还原电位稳定在-150 mV左右，表明体系在缺氧环境运行。综上所述，缺氧条件下一定浓度的COD对反硝化除磷过程有不利的影响。经过第二阶段的筛选与富集，反硝化除磷体系在厌氧/缺氧条件下已经具有较好的反硝化除磷效果。反硝化及除磷效果分别有78.37和93.912.22第三阶段反硝化聚磷菌的筛选与富集由图8可知，经过3小时的厌氧，体系中磷的浓度为15.44mg/L，吐磷速率为1.47 mgP/（h*MLSS），COD全部消耗完。厌氧结束后加入亚硝酸盐，使缺氧段开始使亚硝态氮的浓度为30 mg/L。同步的反硝化聚磷在体系中发生，经4.5小时的缺氧反应，NO2-N和PO43P的浓度分别下降到1.03mg/L和 1.16mg/L，反硝化和除磷的速率分别是2.76、1.36 mgP/（h*MLSS），体系的反硝化除磷的效率较高。NO2-N和PO43P去除率分别96.55和92.44。又如图9所示，在第三阶段的筛选富集过程中，PO43P的去除率不断升高，从第三阶段初始的43.71上升到该阶段结束的92.44。出水浓度在1mg/L左右。体系具有良好的反硝化除磷性能。值得注意的是，该阶段初始PO43P的去除率只有43.71，较第二阶段结束的78.27低，其原因是，第三阶段初期，反硝化除磷菌处于一个对残余COD的适应期，去除率因残余的COD有所下降。综上所述，经过第三阶段的筛选与富集，体系能在低浓度COD的环境中稳定运行，基本解决反硝化与生物脱氮对COD的竞争，同时完成反硝化除磷过程，NO2-N和PO43P去除率分别达到96.55和92.44，出水PO43P浓度在1mg/L左右。具有较高的反硝化除磷性能。2.3 第一阶段和第二阶段驯化后的活性污泥在好氧、缺氧条件下的吸磷比较Wachtmeister 和Meinhold认为，缺氧吸磷和好氧吸磷速率的比值能够反映反硝化聚磷菌与全部聚磷菌的数量比例4。通过这个方法分别对第二阶段和第三阶段开始时体系中的反硝化聚磷菌的数量作估计，以考察反硝化聚磷菌富集的效果。厌氧结束后，把污泥平均分成两份，分别置与容积相同的两个静态反应器中。其中一份在好氧条件下运行，另外一份投加亚硝酸盐作为电子受体在缺氧条件中运行。2.3.1在进入第二阶段前，将经过第一阶段训化的活性污泥进行缺氧吸磷测试试验。由图10可知，体系中磷的浓度为25mg/L，吐磷速率为1.81 mgP/（h*MLSS）。在好氧环境中运行的反应器中出现了良好的好氧吸磷性能，经过4.5小时的好氧吸磷，体系中的PO43P浓度下降到1.1mg/L，好氧吸磷的速率为1.77 mg/h，出水PO43P浓度为1.10 mg/L，去除率到达95.6；而在缺氧条件运行的反应器，体系在缺氧结束后浓度为19 mg/L，有6 mg/L的磷被吸收，反硝化吸磷的速率为0.44 mgP/（h*MLSS）。反硝化除磷菌占全部聚磷菌的比例为24.5，这说明反硝化除磷菌在厌氧/好氧的运行中已存在，不过数量较少，未成为优势菌群2.3.2在进入第三阶段前，对经第二阶段驯化的活性污泥进行相同的试验图10可知，经过第二阶段驯化后的活性污泥在好氧的条件下仍然有良好的好氧吸磷性能，好氧吸磷速率为0.66 mg/h，去除率达79.5。比第一阶段驯化后的91.47降低12，这有可能因为好氧反应中，曝气量不够。这说明以亚硝酸盐作为电子受体的反硝化聚磷菌同样也能够利用氧作为电子受体。而在缺氧条件运行的反应器，经过4.5小时充分缺氧吸磷，体系中磷的浓度从15 mg/L降至3.24 mg/L，反硝化除磷率达到78.4，缺氧吸磷速率为1.12 mgP/（h*MLSS），表明体系中反硝化除磷菌占的比例高达76.57。高于有关文献所报道的6422.4体系运行的SV变化如图5所示，在整个第二阶段，SV不断下降，从开始的27.6下降到该阶段结束的9。这是由于第二阶段在厌氧或真缺氧的条件下运行，污泥中的丝状菌不能在该环境内生存，而使活性污泥菌胶团难以结合，泥快变小2.5 驯化过程中的影响因素2.6.1不同浓度亚硝酸盐氮对反硝化除磷过程得影响维持污泥浓度为3500 mg/L，加入模拟废水废水中COD浓度为200 mg/L，磷浓度为6 mg/L。经过3h充分厌氧，体系中磷浓度上升到15.11 mg/L，同时COD全部被吸收。厌氧放磷结束后，取相同体积悬浮液分别置于三个相同的静态厌/缺氧装置中。第一个装置中加入亚硝酸盐氮20 mg/L，第二个装置中加入亚硝酸盐氮30 mg/L，第二个装置中加入亚硝酸盐氮30 mg/L，观察缺氧条件中不同浓度亚硝酸盐氮对反硝化除磷性能的影响。 如图13所示，亚硝酸盐氮浓度为30mg/L时，缺氧结束时体系中磷的浓度为5.14mg/L，有9.98mg/L被吸收，去除率达66。体系表现出较好的反硝化除磷性能。亚硝酸盐氮浓度分别为20、60 mg/L时，体系中出水磷浓度分别为7.82、7.5 0mg/L，较亚硝酸盐氮浓度为30mg/L时高。由图14可见，亚硝酸盐氮初始浓度分别为20、30、60mg/L时，到缺氧结束，浓度又分别下降到6.01、14.87、4.23mg/L，亚硝酸盐氮的去除率分别为70、83、75.21。由此可见亚硝酸盐氮浓度在30mg/L时，体系获得较好的反硝化除磷性能。但应该注意到，体系当中还存在一定量不能利用亚硝酸盐氮作为电子受体的反硝化菌，导致在除磷率分别为48.3、50.4、66时，出现对应的亚硝酸盐氮去除率分别为70、75.21、83的反硝化除磷异步现象。综上所述，亚硝酸盐氮浓度为30 mg/L时，体系的反硝化除磷效果最好，最佳的氮/磷投加比例为2/1。2.6.2 不同投加方式对反硝化聚磷的影响在反硝化除磷过程中，反硝化除磷性能跟亚硝酸盐的投加方式有关，试验分两种情况分析亚硝酸盐的不同投加方式对反硝化聚磷的影响。在SBR反应器中维持污泥浓度为3500mg/L，加入模拟废水，经3小时充分厌氧，将一定量混合液平均置于在两个相同的静态厌/缺氧装置中。两个装置中初始亚硝酸盐浓度都为30mg/L，第一个装置采用一次性投加，第二个装置采用流加1h方式投加亚硝酸盐。试验结果如图15、16所示，两种投加方式的体系都取得了较理想的反硝化除磷效果，出水磷的浓度分别为5.32、3.24 mg/L，出去率分别达64.53、78.37。可见，采用1h流加的可取得更好的反硝化除磷效果。3、结论3.1 以亚硝酸盐为电子受体反硝化聚磷菌存在于传统的厌氧/好氧运行体系中。通过厌氧/缺氧的运行条件能够筛选及富集到具有反硝化聚磷性能的反硝化聚磷菌。未经驯化的运行体系中，反硝化聚磷菌占总聚磷菌数目的24.8，经过驯化后，体系中的反硝化聚磷菌可以达到总聚磷菌数目的98.5。3.2稳定运行的SBR反应体系具有良好的反硝化聚磷性能，磷的出水浓度在1 mg/L左右，磷的去除率达到90以上。3.3 缺氧条件下，亚硝酸盐的浓度及其投加方式对反硝化聚磷有很大的影响。当亚硝酸盐投加浓度在30 mg/L，与释磷量组成2：1的比例时，体系的反硝化聚磷效果最好。同样的投加浓度，采用1h流加的投加方式能获得比一次性投加更好的反硝化聚磷效果。3.4反硝化聚磷菌以亚硝酸盐为电子受体，使反硝化与聚磷能够在相同条件下完成，有效解决COD不足的问题，降低了污泥产量。同时反应时间的缩短，使处理负荷降可以提高，达到节能增效的目的。参考文献致 谢经过长时间的实验过程，论文终于顺利完成，在此非常感谢指导老师周康群老师与刘晖老师对我实验理论与实验过程的悉心指导，使我从中受益不少；感谢刘洁萍老师在实验仪器与用品上以及技术上的大力支持，此论文的完成还得益于本论文小组的全体成员共同努力，大家积极投身于实验工作。在完成论文的工程中，使我对水污染处理工艺调试方面和数据分析有了很大程度的了解，为我日后工作带有很大益处。最后还要感谢其他协助我的同学。