论文部分内容阅读
本研究利用微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）和膜生物反应器（membrane bioreactor,MBR）对污染物去除及能耗方面的优势互补,并采用膜曝气取代传统MBR的曝气方式,构建了新型的一体化微生物燃料电池耦合膜曝气膜生物反应器（microbial fuel cell-membrane aerated membrane bioreactor,MFC-MAMBR）,并在MFC-MAMBR的阴极接入高厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation,Anammox）活性的自养脱氮污泥。为污水传统生物脱氮长期面临碳源不足的问题提供了新思路及理论依据,同时也为微生物燃料电池耦合膜生物反应器提供了新的耦合方式及应用前景。主要研究成果包括以下两部分:第一部分:Anammox活性自养脱氮污泥富集培养本研究利用ESGB反应器接种厌氧颗粒污泥,以模拟无机人工废水为进水。经过200天运行,Anammox-EGSB反应器最高TN去除率达89.0%,容积氮去除负荷达0.6 kg-N/（m3·d）。在启动过程中,反应器主要经历了4个阶段:活性迟滞期,活性展现期,负荷提升期以及活性提升期。培养过程中,结合系统中DO、pH及污泥表观特征分析,采取以下措施促进厌氧氨氧化细菌快速富集:（1）增大NaHCO3投加量以稳定pH;（2）增加进水氮基质浓度,对污泥颗粒态进行优化;（3）在新颗粒态污泥尚未形成之前严格曝氮气除氧,而颗粒态形成后则避免过量氮曝气导致pH上升。微生物分析结果显示,在成熟污泥中检测到Planctomycetes浮霉菌门Brocadia菌属的AnAOB,丰度为25.4%,并有少量反硝化菌属Denitratisoma检出,丰度为2.0%。污泥为厌氧氨氧化细菌与其他细菌（如硝化细菌、反硝化细菌等）协同作用的微生物生态系统,颜色呈深棕色并伴有大量血红色颗粒。第二部分:MFC-MAMBR运行特性及污染物去除效果研究将培养成熟的Anammox-EGSB污泥接种至MFC-MAMBR阴极,启动至电压稳定后,研究了阴极DO对MFC-MAMBR运行特性的影响。结果显示,DO浓度为0.20.6mg/L条件下,MFC-MAMBR的污染物去除效率最佳,COD和TN的去除率分别达到86.16%和56.03%;该DO条件对应的曝气强度为75150kPa。与开路装置的对比研究发现,电化学体系的介入,从提供电子转移路径和微生物电刺激两个方面强化了污染物去除效果。在最佳DO条件下,通过污染物空间去除特性及微生物群落结构及空间分布分析发现,MFC-MAMBR中阳极是COD代谢的主要场所,阴极是自养脱氮的主要场所。接种到MFC-MAMBR装置阴极污泥的微生物群落发生了较大改变,原优势Firmicutes厚壁菌门、Atribacteria菌门转变为以Proteobacteria变形菌门,Bacteroidetes拟杆菌门,Chloroflexi绿弯菌门为优势菌种的群落结构。Candidatus Brocadia是MFC-MAMBR装置中Anammox细菌主要菌属,主要分布于阴极电极和悬浮污泥中;氨氧化细菌（ammonia oxidizing bacteria,AOB）主要来自于Nitrosomonadaceae亚硝化单胞菌科,且检出少量亚硝酸盐氧化细菌（nitrite oxidizing bacteria,NOB）,来自Nitrospira硝化螺旋菌属,AOB与NOB主要分布于膜曝气管表面。反硝化细菌（denitrifying bacteria,DNB）方面,丰度最高的DNB来自于Pseudomonas假单胞菌,主要分布于阴极电极。