厌氧氨氧化关键技术及其机理的研究

【摘要】厌氧氨氧化(anaerobicammoniaoxidation,Anammox)工艺是高效、经济、节能的新型生物脱氮工艺,具良好的应用前景和很高商业价值。但该工艺赖以进行的厌氧氨氧化菌存在倍增时间长、细胞产率低且易受外界环境干扰等弱点,工程实践中易受接种物、基质性毒物以及外源性毒物的影响。有鉴于此,本论文针对厌氧氨氧化工艺应用中常遇的问题,开展了厌氧氨氧化关键技术及其机理的研究,主要结论如下：1)研究了厌氧氨氧化工艺的启动特性与污泥特性,提供了可行的厌氧氨氧化接种物的解决方法和简便的污泥比活性监测方法。①试验证明,厌氧产甲烷污泥、新鲜厌氧氨氧化污泥和储藏厌氧氨氧化污泥作为接种物均可成功启动厌氧氨氧化反应器。三种接种物启动厌氧氨氧化反应器呈现不同的过程特征：以厌氧产甲烷污泥为接种物的启动过程包含菌体水解期(15d)、活性迟滞期(54d)和活性提高期(40d)三个阶段；以新鲜厌氧氨氧化污泥和储藏厌氧氨氧化污泥为接种物的启动过程只有活性迟滞期(分别为2d和12d)和活性提高期(分别为15d和57d)两个阶段。三种接种物所启动的厌氧氨氧化反应器呈现不同的运行性能,其优劣次序为：R2(接种物为新鲜厌氧氨氧化污泥)>R3(接种物为储藏厌氧氨氧化污泥)>R1(接种物为厌氧产甲烷污泥)。三种接种物中以新鲜厌氧氨氧化污泥最佳,储藏厌氧氨氧化污泥次之,厌氧产甲烷污泥最差。②研究发现,三种供试接种物启动厌氧氨氧化反应器呈现相似的污泥性能变化过程：污泥物理指标色度值a*、粒径和沉降速度增大；污泥化学指标胞外多聚物和血红素含量升高；污泥生物指标脱氢酶活性和比厌氧氨氧化活性升高。污泥色度值a*,血红素含量、脱氢酶活性和比厌氧氨氧化活性之间存在定量关系。③研究表明,在厌氧氨氧化污泥匮乏时,将厌氧产甲烷污泥用作接种物是一种可行的解决方法；将获得的厌氧氨氧化污泥潜浴于反应器出水中,是储藏厌氧氨氧化接种物的有效方法；将储存的厌氧氨氧化污泥用作接种物是缩短启动时间的有效方法。④研究表明,以色度值a*、血红素含量和脱氢酶活性作为监测指标,可简化厌氧氨氧化启动过程的监测技术,其中以物理指标色度值a*最为简便。2)研究了基质性毒物对厌氧氨氧化反应性能和污泥性能的影响,揭示了基质性毒物对厌氧氨氧化的抑制特性。①试验表明,分批培养条件下,基质氨和亚硝酸对厌氧氨氧化菌的半抑制浓度及其95%置信区间分别为1670.0(1516.7-1820.0)mg·L-1和585.6(241.1～912.1)mg-L-1;两者相对毒性大小为：亚硝酸>氨；氨和亚硝酸的联合作用类型为独立作用,二者各自对厌氧氨氧化菌产生毒害。②试验表明,连续培养条件下,随着基质氨浓度的上升,三组厌氧氨氧化反应器(A1-A3)的容积氮去除速率和基质去除率均较为稳定,联氨积累少,基质氨对厌氧氨氧化反应性能影响不大。随着基质亚硝酸浓度的上升,三组厌氧氨氧化反应器(B1-B3)的性能下降,容积氮去除速率和基质去除率均不断下降,联氨大量积累,基质亚硝酸对厌氧氨氧化反应性能影响较大。③试验表明,连续培养条件下,随着基质氨浓度的上升,污泥色度值a*、血红素含量、脱氢酶活性、胞外多聚物含量、粒径和沉降速度均没有显著变化,基质氨对厌氧氨氧化污泥性能影响不大。随着基质亚硝酸浓度的上升,污泥色度值a*、血红素含量、脱氢酶活性、胞外多聚物含量、粒径和沉降速度均出现不同程度的下降,基质亚硝酸对厌氧氨氧化污泥性能影响较大。④研究揭示,基质亚硝酸的抑制机理为过量亚硝酸抑制厌氧氨氧化关键酶(联氨脱氢酶活)活性,一方面造成代谢受阻；另一方面中间产物联氨积累而毒害细胞,由此形成双重抑制效应。3)研究了外源性毒物(抗生素)对厌氧氨氧化的反应性能和污泥性能的影响,揭示了外源性毒物对厌氧氨氧化的抑制特性。①试验表明,分批培养条件下,青霉素G钠、硫酸多粘菌素B、氯霉素和硫酸卡那霉素对厌氧氨氧化菌的半抑制浓度及其95%置信区间分别为2215.8(1972.2-2611.1)mg·L-1、39.1(35.7-42.4)mg·L-1、441.2(431.8-445.5)mg·L-1和1188.6(1022.7-1318.1)mg·L-1。相对毒性大小为：硫酸多粘菌素B>氯霉素>硫酸卡那霉素>青霉素G钠。②试验表明,分批培养条件下,抗生素之间的复合毒性效应以及基质和抗生素之间的复合毒性效应多为相加作用,少部分为协同或独立作用。二元抗生素混合物中,青霉素G钠+硫酸卡那霉素、氯霉素+硫酸卡那霉素为独立作用；青霉素G钠+氯霉素、硫酸多粘菌素B+硫酸卡那霉素为协同作用；其余两组为相加作用。三元抗生素混合物中,硫酸多粘菌素B+氯霉素+硫酸卡那霉素为协同作用,其余三组均为相加作用。基质+抗生素的处理组均为相加作用。③试验表明,连续培养条件下,四种抗生素均对反应器性能产生不利影响,造成反应器容积氮去除速率和基质去除率下降,引起中间产物联氨积累。与分批培养试验结果相比,四种抗生素在较低浓度下即影响厌氧氨氧化反应器性能,四种抗生素的毒性强弱与分批培养试验一致。四种抗生素均对反应器的污泥活性产生不利影响,造成污泥色度值a+、血红素含量和脱氢酶活性下降。④研究揭示,在外源性毒物胁迫时,厌氧氨氧化菌会启动自我保护机制,通过超量合成胞外多聚物(尤其是胞外蛋白),屏蔽不良环境因素的影响。4)建立了厌氧氨氧化示范工程,探究了生产性厌氧氨氧化装置处理含氨制药废水的启动模式。①短程硝化-厌氧氨氧化工艺可成功实现制药废水生物脱氮。制药废水进水氨氮浓度平均为(430.40±55.43)mmg·L-1,出水氨氮浓度平均为(24.26±11.37)mg·L-1,氨氮去除率平均为(81.75+9.10)%,厌氧氨氧化系统的容积氮负荷平均为(4.31±1.07)kgN·m-3·d1,容积氮去除速率平均为(3.66±0.96)kgN·m-3·d-1。②“两步法”运行模式适用于短程硝化系统的工程调试。以制药废水启动短程硝化系统的时间约为74d,短程硝化系统的亚硝氮积累率平均为(52.11±9.13)%,实现半量硝化；最大容积氮负荷为0.26kgN·m-3·d1,最大容积氮去除速率为0.15kgN·m-3·d-1,可为后续厌氧氨氧化工艺提供基质。③“造血”结合“输血”的菌种流加式运行模式适用于厌氧氨氧化系统的工程调试。以制药废水启动厌氧氨氧化系统的时间约为145d,厌氧氨氧化系统的最大容积氮负荷为6.96kgN·m-3·d-1，最大容积氮去除速率为6.35kgN·m-3·d-1,容积效能处于生产性装置的领先水平。
【作者】丁爽；
【导师】郑平；
【作者基本信息】浙江大学，环境工程，2014，博士
【关键词】厌氧氨氧化；接种物；基质抑制；抗生素抑制；生产性装置；制药废水；

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