单级自养脱氮污泥颗粒化过程中EPS作用机制及微生物菌群演变研究

Due to the drawback of completely autotrophic nitrogen removal through nitrite process in its delicate control and instability, forming granular in the reactor plays an important role in enhancing nitrogen removal efficiency and stability of process. Firstly, the fast start-up strategy and influencing factors of this process are studied in the SBR. Influencing operation parameters for granulation are also studied in the SBR, and the effect of Extracellular Polymer Substances(EPS) is investigated, the forming mechanisms of granular is discussed. Secondly, the proportion of floc and granular, distribution of size under different operating parameters are studied. The classified extract method of EPS is used to studied the effect of content and types of EPS over the stability of the microbial aggregates and microenvironment in granular. The influencing mechanism of DO concentration, NH3-N concentration and the size of granular is expected to established. Thirdly, the sludge morphology, distribution and variation of microorganisms during granulation are studied, it is helpful to explain the forming mechanism of granulation from microbial ecology angle. Thus the optimizing factors of the process will be founded and the fundamental theory of nitrogen removal mechanism will be deepened,the development and application of process will be advanced through the investigation of this project.

单级活性污泥法自养脱氮工艺存在过程控制要求高、工艺运行不稳定等缺点，在反应器内形成颗粒污泥，对提高工艺的脱氮效率及运行稳定性有重要作用。本课题以单级自养脱氮污泥颗粒化过程为研究对象，采用正交试验研究水流剪切力、最小沉降速率及HRT等条件对颗粒污泥形成的影响，分析污泥颗粒化过程中EPS合成量及成分变化，探讨单级自养脱氮颗粒污泥形成机理；采用分类提取EPS的方法，探明附着型EPS产生量及分布对颗粒污泥微环境形成的作用机制及稳定性的影响，阐明SMP与自养菌及异养菌的相互关系。通过FISH-CLSM、PCR-DGGE等分子生物学技术考察单级自养脱氮颗粒污泥中各种微生物菌群的种类、数量、分布的演变过程，揭示单级自养脱氮污泥颗粒化的微生态特性机理。研究成果可深化单级自养脱氮机理的基础研究，为单级自养脱氮颗粒污泥技术进一步的规模化应用提供科学依据和技术支持。

相对于传统的硝化反硝化工艺，单级自养脱氮工艺能节省60%供氧量,节约100%有机物，同时污泥处理费节省90%。然而由于厌氧氨氧化菌的低生长速率以及低产率，单级自养脱氮工艺通常启动时间较长，运行不稳定，极大限制了其工艺的推广应用。本课题分别在序批式生物膜反应器（SBBR）、序批式反应器（SBR）及序批式膜生物反应器（SBMBR）内研究了单级自养脱氮工艺的启动、曝气量、曝气方式及有机物浓度对脱氮性能的影响，同时还研究了有机物增加过程中污泥的胞外多聚物(EPS)的特性，对不同反应器在不同时期的污泥进行了微生物菌群分析。实验结果表明，在SBBR系统内单级自养脱氮工艺的启动，不必经历长期稳定的部分亚硝化阶段，减少部分亚硝化阶段可以有效缩短单级自养脱氮工艺的启动时间，50天成功启动。在SBR及SBMR反应器内采取实现部分短程硝化后，接种少量含有厌氧氨氧化菌的污泥能缩短活性污泥法单级自养脱氮工艺的启动时间的方法；随着有机物浓度的增加，两种反应器内的脱氮效率呈现先升高后降低的规律。微生物菌群研究结果表明当有机物添加后，两个反应器内的Candidatus Anammoxoglobus菌属及Nitrosomonas 菌属所占总菌比例均呈下降趋势，而以Thauera菌属为代表的反硝化菌的数量大大增加。SBR反应器内EPS的测定结果表明：当COD/N的平均值由0增加到0.9的过程中，系统内TB-EPS的含量先增加后降低；胞外聚合物中多糖及DNA的含量逐渐升高，蛋白质含量减少,TB-EPS对污泥的凝聚沉降性能产生的影响较小。而SBMBR反应器内EPS的测定结果表明：未添加COD时，反应器中的总EPS含量最高，在C/N比为0.5、0.8、1的条件下，反应器内总EPS含量逐渐减少，SMP 和LB-EPS含量减少，TB-EPS含量增长；SMP、LB-EPS的蛋白质含量减小，但TB-EPS中蛋白质缓慢增加；各EPS中的多糖含量变化不大。课题以普通活性污泥为接种污泥，在不同类型的反应器内都成功实现了单级自养脱氮的启动；并研究了工艺的影响因素。这些研究成果对单级自养脱氮工艺的推广应用具有一定的参考价值；在不断增加有机物的同时测定了脱氮效率，EPS及微生物菌群变化，为从微生物学和污泥絮体结构角度分析有机物存在条件下脱氮工艺运行不稳定的原因提供实验基础。