论文部分内容阅读
稀土矿山开采与冶炼过程中产生大量的高氨氮废水，对水体与土壤环境造成严重污染。因此，经济有效地处理稀土氨氮废水，对减轻企业环保压力、降低环境污染损害以及保障企业和社会的可持续发展等都具有重要意义。然而，目前所采用的吹脱、化学沉淀、电渗析等物理化学处理方法存在能耗高、操作复杂等不足，生物法也常因稀土氨氮废水可生化性差、高氨氮负荷等存在启动缓慢、不能稳定运行且需外加碳源等问题。为此，本文采用价廉效优的序批式反应器(SBR)工艺，研究稀土氨氮废水的硝化过程，为反应器的快速启动和稳定运行提供理论支撑。
1.首先，以逐步增加SBR进水氨氮浓度(160~425.5mg·L-1)的方式启动硝化系统，考察反应器从启动到稳定运行过程中氨氮的去除率和微生物量的变化；进一步采用高通量测序分析了SBR运行阶段污泥中硝化细菌和氨氧化古菌的种类组成和数量结构，从微生物生态学的角度解析微生物群落演替与硝化作用和总无机氮脱除的关系。结果表明：SBR稳定运行后污泥出现了Aridibacter(14.65%)、Zavarzinella(6.86%)和Nitrobactria(5.58%)等新的菌属，而且与氨转化密切相关的氨氧化菌(AOB)Nitrosomonas、硝化菌(NOB)Nitrobactria和氨氧化古菌(AOA)Nitrososphaera也逐步成为优势菌。SBR运行过程中总无机氮去除率(TINra)平均为24.6%，这不仅归因于污泥中不断富集的Nitrososphaera以特有的脱氮方式参与了TIN的去除，还与相对丰度急剧增加的未分类菌属的脱氮贡献有关。从微生物优势菌群构成角度揭示SBR启动、稳定运行的微观机理，有助于优化调控种子污泥的微生物种群结构，提高SBR的脱氮效能。
2.针对稀土高氨氮废水原水低C/N的特点，以上述硝化性能良好的污泥接种构建SBR，研究零碳源投入高氨氮冲击条件下废水的硝化过程。高通量测序结果表明：处理实际废水的SBR1稳定运行后优势菌属为Nitrosomonas，相对丰度高达20.6%，而且栖居有Armatimonadates_gp5(10.09%)、Truepera(7.77%)和Afipia(4.93%)等新的菌属。在外加碳源条件下处理高氨氮模拟废水的SBR2反应器稳定运行后的优势菌仍为Nitrosomonas，相对丰度高达29.9%，但新栖居的菌属与SBR1中不同，主要为Leptolyngbya(7.36%)、Truepera(2.52%)和Phycisphaera(2.08%)等。SBR1和SBR2都有一定的脱氮效果，TINra分别为4.9~29.1%和17~39.7%，但二者的功能菌群有差异，前者是因于好氧反硝化菌Hyphomicrobium(1.24%)以及含nirK和nirS基因的反硝化菌群的脱氮作用，而后者归因于好氧反硝化菌Pseudomonas(1.19%)以及少量反硝化菌群的脱氮贡献。这表明SBR不仅可以处理富营养的废水，还可以有效处理贫营养高氨氮稀土废水。
3.为了进一步缩短SBR硝化作用启动时间，从上述驯化良好的活性污泥中分离纯化可培养的优良脱氮菌种，以改善稀土废水的脱氮性能。从污泥中筛选的具有良好脱氮特性的菌种为Trichodermaasperellum，在处理含144mg·L-1NH4+-N、78mg·L-1NO3--N、0.25mg·L-1NO2--N的稀土废水时，接种量为0.4g·L-1、C/N为22.5:1、28℃条件下，72h后NH4+-N、NO3--N、NO2--N和COD的平均去除率为75.8%、29.5%、78.6%和85%，生物量达到1.912g·L-1。说明该菌种可以实现有机物和“三氮”的同步去除，为后续原位投菌的SBR稀土氨氮废水处理提供理论依据。
1.首先，以逐步增加SBR进水氨氮浓度(160~425.5mg·L-1)的方式启动硝化系统，考察反应器从启动到稳定运行过程中氨氮的去除率和微生物量的变化；进一步采用高通量测序分析了SBR运行阶段污泥中硝化细菌和氨氧化古菌的种类组成和数量结构，从微生物生态学的角度解析微生物群落演替与硝化作用和总无机氮脱除的关系。结果表明：SBR稳定运行后污泥出现了Aridibacter(14.65%)、Zavarzinella(6.86%)和Nitrobactria(5.58%)等新的菌属，而且与氨转化密切相关的氨氧化菌(AOB)Nitrosomonas、硝化菌(NOB)Nitrobactria和氨氧化古菌(AOA)Nitrososphaera也逐步成为优势菌。SBR运行过程中总无机氮去除率(TINra)平均为24.6%，这不仅归因于污泥中不断富集的Nitrososphaera以特有的脱氮方式参与了TIN的去除，还与相对丰度急剧增加的未分类菌属的脱氮贡献有关。从微生物优势菌群构成角度揭示SBR启动、稳定运行的微观机理，有助于优化调控种子污泥的微生物种群结构，提高SBR的脱氮效能。
2.针对稀土高氨氮废水原水低C/N的特点，以上述硝化性能良好的污泥接种构建SBR，研究零碳源投入高氨氮冲击条件下废水的硝化过程。高通量测序结果表明：处理实际废水的SBR1稳定运行后优势菌属为Nitrosomonas，相对丰度高达20.6%，而且栖居有Armatimonadates_gp5(10.09%)、Truepera(7.77%)和Afipia(4.93%)等新的菌属。在外加碳源条件下处理高氨氮模拟废水的SBR2反应器稳定运行后的优势菌仍为Nitrosomonas，相对丰度高达29.9%，但新栖居的菌属与SBR1中不同，主要为Leptolyngbya(7.36%)、Truepera(2.52%)和Phycisphaera(2.08%)等。SBR1和SBR2都有一定的脱氮效果，TINra分别为4.9~29.1%和17~39.7%，但二者的功能菌群有差异，前者是因于好氧反硝化菌Hyphomicrobium(1.24%)以及含nirK和nirS基因的反硝化菌群的脱氮作用，而后者归因于好氧反硝化菌Pseudomonas(1.19%)以及少量反硝化菌群的脱氮贡献。这表明SBR不仅可以处理富营养的废水，还可以有效处理贫营养高氨氮稀土废水。
3.为了进一步缩短SBR硝化作用启动时间，从上述驯化良好的活性污泥中分离纯化可培养的优良脱氮菌种，以改善稀土废水的脱氮性能。从污泥中筛选的具有良好脱氮特性的菌种为Trichodermaasperellum，在处理含144mg·L-1NH4+-N、78mg·L-1NO3--N、0.25mg·L-1NO2--N的稀土废水时，接种量为0.4g·L-1、C/N为22.5:1、28℃条件下，72h后NH4+-N、NO3--N、NO2--N和COD的平均去除率为75.8%、29.5%、78.6%和85%，生物量达到1.912g·L-1。说明该菌种可以实现有机物和“三氮”的同步去除，为后续原位投菌的SBR稀土氨氮废水处理提供理论依据。