剩余污泥减量化污水处理工艺及微生物群落特征研究

【摘要】： 以活性污泥和生物膜为代表的污水生物处理以高效低耗的突出优点广泛应用于城市污水和工业废水处理。然而,产生大量剩余污泥以及高昂的污泥处理费用已成为污水生物处理技术最大弊端之一。因此,如何从根本上解决剩余污泥问题已成为当今环境工程界面临的挑战。在污水处理过程中减少剩余污泥排放,从源头上降低剩余污泥产量的各种污泥减量技术已成为废水生物处理研究的热点和发展方向。具有代表性的好氧-沉淀-厌氧(OSA)工艺在传统活性污泥工艺污泥回流段增加污泥厌氧环节,不需要添加任何化学药剂和贵重设备,有利于降低运行和投资成本,符合可持续污水处理模式,具有良好的工业化应用前景。 本论文系统研究了好氧-沉淀-厌氧工艺污水处理效能和污泥减量效果以及影响因素,探索了工艺污泥减量机制,首次利用变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术和荧光原位(FISH)技术分析了OSA工艺微生物种群特征、多样性以及运行条件变化对优势种群更替的影响。开发了具有内源反硝化除磷功能的污泥减量新工艺,探讨了内源反硝化除磷污泥减量新工艺污水处理效能和污泥减量效果以及相关的影响因子,着重对工艺反硝化除磷效能和特征进行了分析和研究,并利用DGGE和FISH技术从微生物生态学角度探讨了微生物种群特征与工艺处理效能间的关系。 以传统活性污泥(CAS)工艺为参照,在分析探讨厌氧-沉淀-好氧(OSA)工艺污泥减量和污水处理效能以及相关影响因子的基础上,着重研究了OSA工艺污泥减量的内在控制机制。研究结果表明,由于微生物维持代谢和内源代谢增加引起的污泥衰减和慢速生长微生物是OSA工艺污泥减量的主要原因,其中大约2/3的污泥减量是由污泥衰减引起的,慢速生长微生物对OSA工艺污泥减量的贡献为23%左右;10%左右污泥减量是由能量解偶联机制引起的。 利用DGGE和FISH技术对OSA工艺微生物种群多样性和群落特征进行研究分析,得到OSA工艺微生物种群多样性比CAS工艺更加丰富,增加有机负荷和废水水质复杂化都会使微生物种群多样性增加,但优势微生物群落基本不受影响,OSA工艺微生物群落结构相对稳定的这一特点决定了OSA工艺具有良好稳定的运行效能。从DGGE优势条带中分离到的11个优势菌与GenBank中已有微生种属比对发现,其中7个优势菌与GenBank统计的在反硝化污泥、EBPR污泥中出现的种属相似性非常高,表明OSA工艺中插入污泥厌氧池为内源反硝化菌和生物聚磷菌创造有利的生长条件。系统进化树分析结果表明,β-proteobacteria种属的微生物是OSA污泥系统的主要种群。 开发了内源反硝化除磷污泥减量工艺,在好氧池有机负荷Ns约为0.87 kgCOD/kgMLSS·d,系统污泥回流比为25%,反硝化污泥回流比为35%的条件下稳定运行,污泥产量为4.78g/d,污泥产率为0.30gMLSS/gCOD,COD平均去除率为90%,NH4+-N、TN的去除率分别稳定在86%和84%左右,TP去除率达到80%左右。内源反硝化除磷工艺中缺氧反硝化聚污泥约占总聚磷污泥的35%~44%。提高SRT,可提高生物吸磷效率,增加污泥中磷含量,这一定程度上缓解了剩余污泥排放量和TP去除率之间的矛盾。 利用DGGE技术,对代表性优势条带测序相似性比对,并构建系统进化树,分析内源反硝化除磷工艺微生物群落特征。内源反硝化除磷工艺中的微生物主要由α-proteobacteria、β-proteobacteria、γ-proteobacteria、CFB-group bacteria、low G+C gram-positive bacteria五大菌群构成,其中β-proteobacteria种属的微生物在整个工艺微生物菌群数量中占绝对优势,达到48%左右。以DAPI为背景,用PAOmix探针FISH杂交证实了聚磷菌在内源反硝化除磷工艺缺氧污泥和厌氧污泥中都占有优势,分别占微生物总量的40%和33%左右。 【关键词】：污泥减量 好氧-沉淀-厌氧工艺 内源反硝化除磷工艺 生物除磷 DG-DGGE FISH
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：X703.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-19
• 第1章 绪论19-37
• 1.1 污泥减量化技术的理论基础20-22
• 1.1.1 维持代谢和内源呼吸污泥减量理论20-21
• 1.1.2 解偶联代谢理论21
• 1.1.3 溶胞-隐性生长理论21-22
• 1.1.4 生物捕食理论22
• 1.2 基于维持代谢和内源呼吸理论的污泥减量工艺研究现状22-24
• 1.2.1 高溶解氧工艺22-23
• 1.2.2 提高污泥停留时间的相关工艺23
• 1.2.3 好氧-沉淀-厌氧（OSA）污泥减量工艺23-24
• 1.3 能量解偶联污泥减量技术研究现状24-26
• 1.3.1 投加化学解偶联剂工艺24-25
• 1.3.2 高S_0/X_0比工艺25-26
• 1.4 溶胞-隐性生长污泥减量技术研究现状26-29
• 1.4.1 化学溶胞技术26-28
• 1.4.2 物理溶胞技术28-29
• 1.4.3 生物溶胞技术29
• 1.5 生物捕食污泥减量技术研究现状29-31
• 1.6 PCR-DGGE和FISH技术在环境生态学中的应用31-34
• 1.6.1 DGGE应用于分析环境微生物31-33
• 1.6.2 FISH在环境微生物生态学解析中的应用33-34
• 1.7 研究目的意义和主要研究内容34-37
• 1.7.1 研究目的和意义34-36
• 1.7.2 主要研究内容36-37
• 第2章 材料与方法37-54
• 2.1 实验废水水质37-38
• 2.2 主要仪器和常规分析检测方法38-40
• 2.2.1 主要仪器设备38-39
• 2.2.2 水质检测指标及方法39
• 2.2.3 污泥性能的检测指标及方法39-40
• 2.3 微生物相分析方法40-42
• 2.3.1 光学显微镜镜检方法40-41
• 2.3.2 平板菌落计数法41
• 2.3.3 微生物染色法41-42
• 2.4 提取污泥中的总DNA42-44
• 2.4.1 污泥预处理43
• 2.4.2 污泥中总DNA的提取43-44
• 2.4.3 总DNA的含量和纯度分析44
• 2.4.4 总DNA纯化44
• 2.5 聚合酶链反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)44-48
• 2.5.1 16S rDNA-PCR扩增44-45
• 2.5.2 DG-DGGE45-48
• 2.5.3 DGGE条带回收和重新扩增48
• 2.5.4 DGGE条带的克隆和转化48
• 2.5.5 DGGE条带测序和同源性比较48
• 2.6 荧光原位杂交(FISH)48-54
• 2.6.1 FISH杂交缓冲液和杂交洗脱液的配制49-50
• 2.6.2 污泥样品预处理50-51
• 2.6.3 显微镜玻片的准备51
• 2.6.4 样品固定51
• 2.6.5 杂交探针51-52
• 2.6.6 FISH杂交52-54
• 第3章 好氧-沉淀-厌氧工艺污泥减量效果及机制54-83
• 3.1 反应器运行启动54-56
• 3.1.1 连续流实验运行条件54-55
• 3.1.2 间歇实验运行条件55-56
• 3.2 OSA工艺污泥减量效果研究56-57
• 3.3 OSA工艺污水处理效果及污泥性能的影响57-62
• 3.3.1 污水处理效果57-60
• 3.3.2 对污泥性能和污泥活性的影响60-62
• 3.4 OSA系统抗冲击负荷效果62-65
• 3.4.1 温度波动对系统性能的影响62-63
• 3.4.2 对硝基苯酚对系统冲击的影响63-65
• 3.5 OSA工艺污泥减量影响因素及系统运行效能的影响65-72
• 3.5.1 间歇实验设计65
• 3.5.2 ORP对污泥产率的影响65-68
• 3.5.3 回流比R对污泥产率的影响68-69
• 3.5.4 厌氧污泥停留时间和厌氧污泥浓度69-70
• 3.5.5 有机负荷对污泥产率的影响70-72
• 3.5.6 废水水质类型对污泥产率的影响72
• 3.6 OSA工艺污泥减量机制72-81
• 3.6.1 间歇实验设计72-73
• 3.6.2 污泥衰减73-78
• 3.6.3 能量解偶联78-79
• 3.6.4 低污泥产率厌氧反应79-81
• 3.7 本章小结81-83
• 第4章 好氧-沉淀-厌氧工艺微生物的群落结构83-107
• 4.1 污泥微生物群落的主要影响因素83-85
• 4.1.1 微生物代谢选择的影响84
• 4.1.2 动力学选择的影响84
• 4.1.3 物理性选择的影响84
• 4.1.4 工艺设计和运行方式对微生物选择的影响84-85
• 4.2 OSA污泥和CAS污泥生物相及污泥特征85-88
• 4.3 活性污泥总DNA提取结果分析88-89
• 4.4 16S rRNA-PCR产物分析89-90
• 4.5 DG-DGGE微生物多样性探讨90-95
• 4.5.1 OSA和CAS工艺污泥微生物多样性90-92
• 4.5.2 有机负荷对微生物群落多样性的影响92-93
• 4.5.3 废水种类对微生物群落多样性的影响93-95
• 4.6 DG-DGGE微生物群落结构和功能微生物解析95-97
• 4.7 原位微生物群落结构和功能解析97-103
• 4.7.1 PHB染色和DAPI染色结果分析98-100
• 4.7.2 荧光原位杂交结果分析100-103
• 4.8 污泥特征与系统污水处理效能间的关系103-105
• 4.9 OSA污泥减量工艺的特点与不足105
• 4.10 本章小结105-107
• 第5章 内源反硝化除磷污泥减量工艺107-131
• 5.1 内源反硝化除磷污泥减量工艺流程和系统启动107-113
• 5.1.1 内源反硝化工艺流程107-109
• 5.1.2 内源反硝化工艺特征109
• 5.1.3 系统污泥培养及反应器启动109-113
• 5.2 内源反硝化除磷工艺稳定运行效果113-120
• 5.2.1 内源反硝化除磷工艺污泥产率113-115
• 5.2.2 内源反硝化除磷工艺污水处理效能115-118
• 5.2.3 内源反硝化除磷工艺污泥性能118-120
• 5.3 内源反硝化除磷污泥减量工艺的影响因素120-129
• 5.3.1 SRT对内源反硝化工艺的影响120-122
• 5.3.2 污泥回流比对内源反硝化工艺的影响122-126
• 5.3.3 pH值对内源反硝化效果的影响126-128
• 5.3.4 碳源类型对内源反硝化效果的影响128-129
• 5.4 本章小结129-131
• 第6章 内源反硝化除磷污泥减量工艺微生物群落结构和功能分析131-153
• 6.1 内源反硝化除磷工艺污泥特征132-134
• 6.2 内源反硝化除磷工艺微生物染色结果分析134-139
• 6.2.1 聚磷菌PHB染色结果分析135-136
• 6.2.2 Poly-P颗粒染色结果分析136-139
• 6.3 内源反硝化除磷工艺DG-DGGE微生物多样性解析139-148
• 6.3.1 污泥总DNA的提取和PCR扩增结果分析139
• 6.3.2 DG-DGGE微生物多样性解析139-143
• 6.3.3 DG-DGGE微生物群落结构和功能微生物解析143-148
• 6.4 FISH分析内源反硝化除磷工艺微生物群落结构148-151
• 6.5 本章小结151-153
• 结论153-155
• 参考文献155-169
• 攻读学位期间发表的学术论文169-171
• 致谢171-172
• 个人简历172

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