论文部分内容阅读
生物脱氮过程中经常发生污泥膨胀现象，国内外相关文献表明以微丝菌(Micro thrix parvicella,M.parvicella)、软发菌（Haliscomenobacter hydrossis,H.hydrossis）及Eikelboom Type0092等为代表优势丝状菌过度增殖引起的污泥膨胀问题经常出现，但目前此领域的研究主要集中于丝状菌与菌胶团细菌竞争生长条件方面，缺乏针对丝状菌微生物学菌群特征及迁移过程的研究，尤其是针对M.parvicella、H.hydrossis及Eikelboom Type0092等丝状菌菌群在生物脱氮过程中各环境因素条件下菌群迁移及竞争机理、生理特性及针对不同优势丝状菌特性的防治措施相关方面的整体研究。低碳氮比（Carbon/Nitrogen，C/N）生活污水中碳源的缺乏一直是影响其脱氮效果的重要因素，充分利用原水中碳源进行反硝化作用的工艺技术和方法一直是生物脱氮领域研究的重点。缺氧一好氧工艺（Anoxic/Oxic，A/O）中分段进水A/O工艺的缺氧/好氧交替布置可充分利用原水中的有机碳源进行反硝化，交替模式的序批式活性污泥工艺(Sequencing BatchReactor,SBR)利于短程硝化实现，适用于低C/N比生活污水的高效脱氮。 本课题选用多种A/O工艺（分段进水A/O、集中进水多级A/O和传统A/O工艺）和SBR工艺，主要采用实际的城市生活污水，进行低C/N比实际生活污水的脱氮特性研究，同时借助于荧光原位杂交技术(Fluorescence In SituHybridization，FISH)和聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)分子生物学技术开发和选取针对膨胀污泥中经常出现的M.parvicella、H.hydrossis及Eikelboom Type0092等优势丝状菌的PCR引物，建立其实时定量PCR方法，实现膨胀污泥中特定优势丝状菌菌群定量分析。在此基础上，研究污水处理脱氮过程中不同工艺和条件下各环境因素单独及协同对M.parvicella、H.hydrossis及Eikelboom Type0092等丝状菌群迁移竞争影响，提供针对不同优势丝状菌菌群特性的调控措施和方法，通过长期试验研究，主要研究内容和结论如下: (1)开发设计了H.hydrossis和Eikelboom Type0092丝状菌PCR试验特异性引物，确定了其不同引物PCR方法，建立了H.hydrossis、M.parvicella和Eikelboom Type0092丝状菌菌群发育树，实现了H.hydrossis、M.parvicella和Eikelboom Type0092丝状菌群定量分析。 针对H.hydrossis丝状菌开发了HF1和HR1、HF2和HR2两对特异性引物，并确定了HF1和HR1、HF2和HR2不同的PCR试验方法，最终选用HF2和HR2为其PCR试验引物;针对Eikelboom Type0092丝状菌开发的特异性引物为ET2F和ET2R，并确定了其相应的PCR试验方法。在此基础上将H.hydrossis、M.parvicella和Eikelboom Type0092丝状菌的核酸序列与NCBI数据库相关参比序列构建系统发育树，进行了菌群差异性相关分析。最终得到了H.hydrossis、M.parvicella和Eikelboom Type0092丝状菌群不同的实时定量PCR方法，实现了不同优势丝状菌群的定量分析。 (2)明确了本研究中不同工艺生物脱氮过程引起污泥膨胀的优势丝状菌菌种。 通过实时定量PCR试验发现本研究中以A/O为代表的连续流工艺和以SBR为代表的间歇式工艺发生的污泥膨胀中H.hydrossis均为优势菌种，其含量占全菌比例分别为3.64％和1.09％，Eikelboom Type0092为连续流工艺中的优势菌种，其含量占全菌比例为3.72％。 (3)明确了脱氮过程中优势丝状菌与硝化菌的竞争关系，脱氮过程与丝状菌发生竞争关系的硝化菌主要是氨氧化菌(Ammonia Oxidizing Bacteria，AOB)。 在本研究污泥膨胀阶段，AOB与优势丝状菌H.hydrossis和Eikelboom Type0092占全菌比例分别为0.88％、3.64％和3.72％，此时氨氮去除率为70.9％;膨胀恢复后AOB含量升高为1.83％，比膨胀阶段增加了1.08倍，同时氨氮去除率提高了29.1％，达到100％，优势丝状菌H.hydrossis和Eikelboom Type0092含量降低为0.09％和0.01％，AOB与膨胀污泥优势丝状菌存在显著竞争关系。 (4)首次发现在生物脱氮过程污泥膨胀系统中起主要硝化作用的亚硝酸盐氧化菌(Nitrite Oxidizing Bacteria，NOB)菌种为Nitrotoga。 在本研究污泥膨胀阶段，系统SVI值升高至300mL/g左右，参与硝化作用的Nitrotoga、Nitrospira和Nitrobacter占全菌含量分别为6.32％、0.03％和0.14％，Nitrotoga为膨胀污泥中优势NOB菌种;在污泥膨胀恢复后，系统SVI值稳定在100mL/g，三种菌含量都有提高，分别达到了7.49％、0.15％和0.41％，Nitrotoga依然为优势NOB菌种。 (5)优化了膨胀污泥和膨胀恢复污泥胞外聚合物(Extracellular PolymericSubstances，EPS)提取方法，发现膨胀污泥EPS总量比正常污泥低40.04mg/gVSS，且两种污泥不同分层EPS结构和组分不同。 研究发现膨胀污泥紧密黏附胞外聚合物（Tightly Bound EPS，TB-EPS）提取普通超声和甲醛超声优化方法为:超声强度为20％，超声时间为10min;膨胀恢复污泥TB-EPS提取的优化方法:超声强度为40％，超声时间20min。膨胀恢复污泥和膨胀污泥总EPS含量分别为120.98和80.94mg/gVSS，膨胀恢复污泥比膨胀污泥总EPS高40.04mg/gVSS。在污泥膨胀恢复过程中，污泥中松散附着胞外聚合物(Loosely Bound EPS，LB-EPS)含量由3.55mg/gVSS升高为9.65mg/gVSS，TB-EPS含量由25.17mg/gVSS升高为57.77mg/gVSS。 (6)在低温调控膨胀污泥丝状菌群系统中发现低温膨胀污泥中优势丝状菌群发生变化，由H.hydrossis和Eikelboom Type0092丝状菌转变为M.parvicella丝状菌。 在低温调控膨胀污泥菌群阶段，通过定量分析得到H.hydrossis、EikelboomType0092和M.parvicella丝状菌分别占全菌数量的1.37％、1.61％和3.34％，虽然系统的膨胀状态未发生较大改变，但系统的优势丝状菌已由前一阶段的H.hydrossis和Eikelboom Type0092丝状菌转变为M.parvicella丝状菌，同时随着温度降低，系统氨氮去除性能明显降低。 (7)相对于分段进水A/O工艺，集中进水多级A/O和传统A/O工艺更利于膨胀污泥菌群控制。 在集中进水多级A/O工艺调控丝状菌群试验中，系统中SVI值降低到300mL/g左右，H.hydrossis、EikelboomType0092和M.parvicella丝状菌占全菌比例降低为1.06％、0.84％和0.98％，最终在传统A/O工艺中实现了丝状菌群调控，系统的SVI维持在150mL/g以下，H.hydrossis、Eikelboom Type0092和M.parvicella丝状菌含量都处于较低水平，分别占全菌数量的0.09％、0.01％和0.07％。 (8)研究发现好氧/缺氧交替模式对H.hydrossis丝状菌群调控作用较弱。 在SBR工艺好氧/缺氧交替模式条件下污泥膨胀系统的H.hydrossis丝状菌是优势菌种，占全菌数量的1.09％。停止外碳源投加进行调控后，系统的SVI值从200mL/g降低为150mL/g左右，系统依然处于膨胀临界状态。