基于异养硝化—好氧反硝化的餐厨垃圾发酵废水脱氮技术研究

来源 :重庆大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:shiqiuqiu100
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针对高温高氨氮餐厨垃圾发酵废水生物脱氮系统构建困难、处理效能低等问题,研发餐厨垃圾发酵废水异养硝化脱氮技术。系统研究了微生物生长状态、种源、填料种类、氨氮负荷提升方式对高温高氨氮废水脱氮系统构建效能和微生物种群的影响,得出了系统构建方法;考察了温度、C/N、DO、p H等环境因子对高氨氮废水异养硝化系统脱氮效能的影响,确定了系统高效运行的工况参数;并利用分子生物学技术,探究了系统的微生物种群结构和功能菌属;揭示了系统的微生物作用机制。研究得出如下主要结论:微生物生长状态、种源对高温高氨氮废水脱氮系统构建和微生物种群结构影响显著。利用生物膜和接种城镇污水厂脱水污泥构建的脱氮系统处理效能较优,异养硝化-好氧反硝化菌属(Halomonas、Paracoccus)的相对丰度较高;同时,好氧反硝化菌属(Tepidimonas)及缺氧反硝化菌属(Natronincola_Anaerovirgula和Caldilinea)也参与了反硝化过程。填料种类和氨氮负荷提升方式对构建的高氨氮废水脱氮系统处理效能和微生物种群结构影响显著。利用天然纤维填料构建的系统脱氮处理效能更优;有利于异养硝化-好氧反硝化菌属(Acinetobacter、Paracoccus和Halomonas)的富集(丰度20.41%);逐步提升进水氨氮负荷方式构建出的系统脱氮效能较优,NH4+-N和TN降解速率分别为21.64 mg/(L·h)和21.94 mg/(L·h),构建系统优势脱氮功能能菌属主要有异养硝化-好氧反硝化菌属(Halomonas和Acinetobacter)、好氧反硝化菌属(Tepidimonas)和缺氧反硝化菌属(Natronincola_Anaerovirgula)。温度对高氨氮废水处理效能、微生物种群结构和脱氮路径的影响显著。当温度为50℃时,系统脱氮效能较优,出水NH4+-N、TN和COD平均浓度分别为3.99mg/L、5.37 mg/L和360 mg/L;去除率分别为99.60%、99.46%和98.80%。16S r RNA amplicon高通量测序结果表明:不同温度下优势硝化功能菌属均为异养硝化-好氧反硝化菌。在50℃系统中,优势脱氮功能菌属主要有异养硝化-好氧反硝化菌属(Rhodobacter和Halomonas)和好氧反硝化菌属(Tepidamorphus和Nesterenkonia)。温度30℃、40℃和50℃下的脱氮系统的主要的硝化路径为异养硝化和自养硝化,并随着温度的升高占比显著下降;主要的反硝化路径为好氧反硝化和缺氧反硝化,不同温度系统的好氧反硝化路径对脱氮的贡献率分别为66.77%、20.76%和49.00%。C/N对高温高氨氮废水处理效能、微生物种群结构、脱氮路径的影响显著。C/N为30的系统脱氮效能较优,NH4+-N、TN和COD平均去除率分别为99.60%、99.46%、98.80%,系统实现了异养硝化-好氧反硝化菌属的高效富集,异养硝化速率达到6.59 mg/(L·h),同时,氨氧化古菌(Candidatus_Nitrosocosmicus和Candidatus_Nitrosopumilus)参与了氨氧化过程;系统中好氧反硝化菌属主要有Tepidamorphus、Nesterenkonia和Bacillus。不同C/N系统中硝化路径为异养硝化和自养硝化,其中,自养硝化路径随着C/N的增加对系统脱氮贡献率占比下降;同时,好氧反硝化与缺氧反硝化路径均存在于系统中,好氧反硝化路径在C/N为5、10、15、20、15和30的系统中脱氮贡献率分别为42.45%、38.35%、46.72%、46.28%、54.47%和57.17%。DO对高温高氨氮废水处理效能、微生物种群结构、脱氮路径的影响显著。不同DO系统中的硝化路径主要为异养硝化,并随着DO的增加占比提高,DO为6.0mg/L的系统异养硝化速率和脱氮效能较高,NH4+-N、TN和COD平均去除率分别为99.61%、99.46%、98.80%,系统中异养硝化-好氧反硝化菌属得到有效富集(丰度60.61%);同时,系统中好氧反硝化和缺氧反硝化路径并存在,DO为2.0 mg/L和4.0 mg/L系统的反硝化路径主要为缺氧反硝化,DO为6.0 mg/L系统的反硝化路径主要为好氧反硝化,好氧反硝化菌属主要有Bacillus、Corynebacterium、Tepidamorphus和Nesterenkonia(5.11%)。pH对高温高氨氮废水处理效能、脱氮路径的影响显著。p H为7.0的系统脱氮效能较优,NH4+-N、TN和COD去除率分别为99.61%、99.46%和98.80%。不同p H的系统,硝化路径主要为异养硝化,随着温度的升高,氨吹脱贡献率占比上升,自养硝化基本不存在于系统中。p H为7.0的系统异养硝化速率与好氧反硝化速率较高,分别为6.59 mg/(L·h)和3.92 mg/(L·h)。在最优工况下,餐厨垃圾发酵废水实现了高效脱氮,系统COD、NH4+-N、TN的降解速率分别为27.69 mg/(L·h)、32.65 mg/(L·h)和830.78 mg/(L·h),出水NH4+-N、TN、COD平均浓度分别为4.54 mg/L、7.66 mg/L、293 mg/L;去除率分别为99.53%、99.24%、99.04%。系统主要的氨氮去除路径是异养硝化(速率为3.79mg/(L·h));同时,好氧反硝化与缺氧反硝化路径共存于系统中,速率分别为4.22mg/(L·h)和3.62 mg/(L·h)。
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