鐵型脫氮技術(shù)及其微生物學特性研究.pdf

1、我國水體氮素污染嚴重，亟待治理。傳統(tǒng)反硝化技術(shù)以有機物作為電子供體，脫氮效能高但投資成本大。尤其是在全國實施“控源減排”后，水體有機污染得到有效控制，水體中C/N比大幅降低，自養(yǎng)反硝化技術(shù)逐步受到人們的青睞。較之硫型、氫型自養(yǎng)反硝化，鐵型自養(yǎng)反硝化具有安全性高、無毒害、價格低廉等優(yōu)勢，同時鐵鹽脫氮產(chǎn)物三價鐵還可用于化學除磷及吸附重金屬。本論文以研發(fā)高效、穩(wěn)定的連續(xù)流鐵鹽脫氮技術(shù)為宗旨，通過運行反應(yīng)器，探究微生物學機理，不斷改進技術(shù)，強化

2、鐵鹽脫氮效能。主要結(jié)論如下:
　　1)探究了投加反硝化污泥(Denitrification Sludge，DeS)對鐵鹽脫氮(Ferrous-dependent Nitrate Reduction，F(xiàn)eNiR)技術(shù)的強化效應(yīng)，優(yōu)化了FeNiR技術(shù)菌源。
　　以DiS(Digested Sludge，DiS)為接種污泥，F(xiàn)eNiR反應(yīng)器的硝氮去除負荷是0.08±0.004kg-N/(m3·d)，亞鐵去除負荷是0.74±0.00

3、9kg-Fe/(m3·d)。投加DeS(6％，V/V)可使FeNiR技術(shù)效能倍增，F(xiàn)eNiR反應(yīng)器的硝氮去除負荷增至0.18±0.013kg-N/(m3·d)，亞鐵去除負荷增至1.62±0.062kg-Fe/(m3·d)，是初始硝氮去除負荷和亞鐵去處負荷的2.4倍和2.2倍，且該現(xiàn)象具有重現(xiàn)性。追蹤研究DeS在FeNiR反應(yīng)器中的性狀變化，考察了不同取樣時間下的DeS活細胞比例和堿性磷酸酯酶(Alkaline Phosphatase，A

4、LP)活性，結(jié)合反應(yīng)器脫氮除鐵速率和DeS比活性，發(fā)現(xiàn)占總污泥體積6％的DeS對FeNiR反應(yīng)器脫氮效能的直接貢獻率達到82.3％，對FeNiR反應(yīng)器去鐵效能的直接貢獻率達到84.7％，說明DeS對FeNiR技術(shù)效能的強化主要歸因于DeS的高FeNiR活性。采用批次試驗考察DiS和DeS的比FeNiR活性，發(fā)現(xiàn)DeS的比FeNiR活性是DiS的11.36倍。對DeS進行菌群分析，發(fā)現(xiàn)居前三位的優(yōu)勢菌群有Thauera(陶厄氏菌屬)、Hy

5、phomicrobium（生絲微菌屬）和Azoarcus(固氮弓菌屬)。基于以上結(jié)果，DeS被認為是FeNiR技術(shù)的優(yōu)質(zhì)菌源。
　　2)研發(fā)了基于反硝化污泥的亞鐵型硝酸鹽還原(Ferrous-dependent Nitrate Reduction by"Professional Sludge"，F(xiàn)eNiR-Pro)技術(shù)，考察了FeNiR-Pro技術(shù)脫氮效能和FeNiR-Pro顆粒污泥特性。
　　以DeS為接種污泥運行FeNi

6、R-Pro反應(yīng)器，設(shè)定水力停留時間為4.4h，污泥VSS含量為0.11g/(g污泥)，進水硝氮、亞鐵濃度分別為130mg-N/L和2600mg-Fe/L，硝氮、亞鐵去除率達98.00％和80.00％，去除負荷達0.70kg-N/(m3·d)和9.29kg-Fe/(m3·d)，反應(yīng)器脫氮具有高效性。在反應(yīng)器的最佳運行狀態(tài)下，顆粒污泥的活細胞比例維持在60％以上，ALP活性維持在0.45mmol/(g VSS·min)以上，比反硝化活性維持

7、在0.2mg-N/(g VSS·h)，比鐵氧化活性維持在2.2mg-Fe/(g VSS·h)，顆粒污泥的高活性是FeNiR-Pro技術(shù)高效能的保障。FeNiR產(chǎn)物三價鐵堆積在細胞表面形成鐵殼，鐵殼包被增加傳質(zhì)阻力，阻礙了顆粒污泥內(nèi)微生物與外界的物質(zhì)交流從而使得污泥活性下降;當對顆粒污泥進行促溶處理后，顆粒污泥表面鐵殼變薄，部分區(qū)域重新暴露，污泥活性得以恢復(fù);鐵殼包被是污泥失活的重要致因，探尋“去殼”或避免鐵殼形成方法，維持反應(yīng)器的總污泥

8、活性是FeNiR-Pro技術(shù)的發(fā)展方向。
　　3)研發(fā)了基于反硝化污泥的流加式亞鐵型硝酸鹽還原(the advanced Ferrous-dependent Nitrate Reduction by"Professional Sludge",FeNiR-Pro-Plus)技術(shù)，確定了FeNiR-Pro-Plus技術(shù)的操作條件，揭示了FeNiR-Pro-Plus技術(shù)的工作機理。
　　污泥VSS含量為0.12g/(g污泥)，采用

9、菌種流加操作，運行了FeNiR-Pro-Plus反應(yīng)器，設(shè)定反應(yīng)器水力停留時間為4.5h，進水硝氮、亞鐵濃度分別為128.96±12.65mg-N/L和1211.99±126.96mg-Fe/L，硝氮、亞鐵的去除率達70.00％和88.22％，去除負荷分別為0.70kg-N/(m3·d)和8.69kg-N/(m3·d)，相對標準偏差分別為5.7％(N)和8.1％(Fe)，實現(xiàn)了鐵鹽脫氮技術(shù)的高效穩(wěn)定。菌種流加操作是實現(xiàn)鐵鹽脫氮技術(shù)高效穩(wěn)

10、定的關(guān)鍵，F(xiàn)eNiR-Pro-Plus技術(shù)的優(yōu)化操作條件為:種泥流加量為污泥持有量為10.6％(V/V)，種泥流加周期為4天。新老更替是實現(xiàn)鐵鹽脫氮技術(shù)高效穩(wěn)定的根本。鐵殼包被是污泥老化的重要致因，也是造成顆粒污泥有效生物量和生物活性衰減的根本原因;通過流加新鮮種泥，替代老化污泥，“對沖”反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)有效生物量的減少和生物活性的降低，滿足“補加量=衰減量”關(guān)系，可以保障在一個流加周期內(nèi)反應(yīng)效能維持在較高水平。
　　4)分離了一株Fe

11、NiR菌，探究了FeNiR菌形貌特性、生理生化特性及比活性，揭示了FeNiR過程機理，構(gòu)建了FeNiR過程模型。
　　從穩(wěn)定運行的FeNiR反應(yīng)器中分離獲得了一株FeNiR菌株，命名為菌株F1。該菌株菌體呈桿狀，兩端鈍圓，大小為(0.3～0.5)μm×(0.8～1.0)μm，革蘭氏陰性;經(jīng)生化鑒定、16SrRNA基因序列測定，將菌株F1歸入Shewanella sp.（希瓦式菌屬）。菌株F1具有高活性，最大反硝化速率為3.24mg