智能化控制SBBR处理城市污水脱氮除磷性能和微生物学研究

【摘要】：污水排放标准日趋严格,众多新建和原有污水处理厂都面临着氮、磷达标排放的压力,以防止富营养化为目的脱氮除磷已成为学术界的主要研究目标之一,我国的污水处理行业正面临着污水深度脱氮除磷的问题。本研究自主研发的城市污水脱氮除磷创新工艺——智能化控制序批性生物膜反应器(ICS-SBBR),与传统的生物脱氮除磷工艺相比,具有单池运行,不需物理分区,微生物浓度高等优点。ICS-SBBR工艺系统以独特的运行方式按照时间顺序形成交替运行的(好氧/缺氧)n环境,创造有利于硝化、反硝化、好氧吸磷和反硝化摄取磷的环境条件,实现高效脱氮除磷,曝气时间和水力停留时间短,既节约了能耗,又减小了占地面积,降低了基建投资。 本研究以混纺纤维填料计时器控制序批性生物膜反应器(TCS-SBBR)为参比,研究了不同进水C/N比下,混纺纤维填料ICS-SBBR工艺系统的脱氮除磷性能和微生物多样性；以悬浮填料TCS-SBBR为参比,研究了不同水力停留时间(HRT)、不同进水C/N比和C/P比时,悬浮填料ICS-SBBR工艺系统的脱氮除磷性能、反硝化菌和聚磷菌种属组成。主要研究成果如下： 不同的进水C/N比和控制模式对悬浮填料ICS系统和TCS系统COD和NH4+-N的去除影响不大；但对TN的去除影响显著,尤其是当C/N比为5.0和3.3时,ICS系统对TN的去除率分别比TCS系统高15.5%和12.1%。C/N比对磷去除的表观影响不明显,但ICS系统和TCS系统内磷的去除机理不同,ICS系统中没有厌氧释磷现象的发生,缺氧期内能发生反硝化除磷,TCS系统为传统的厌氧释磷好氧吸磷工艺。ICS系统比TCS系统节能40%,HRT缩短30%。ICS系统内生物膜微生物生长环境为(好氧／缺氧)n,Bacteroidetes(拟杆菌纲)类群占群落的45%,为优势菌群,而TCS系统内生物膜微生物生长环境为厌氧／好氧,Betaproteobacteria(β-变形杆菌纲)类群占群落的37%,为优势菌群；优势菌群的不同,导致ICS系统和TCS系统对氮的去除效果和除磷的机理不同。 以悬浮填料SBBR系统为研究对象,在一个运行周期内,调整TCS系统的‘厌氧+好氧’时间,共设置4种HRT工况：(3+5)h、(3+6)h、(4+5)h、(2+7)h。在4种HRT工况下,HRT对ICS系统去除有机物、氮和磷的性能没有影响,但对TCS系统NH4+-N、TN和TP的影响较大,尤其是当(4+5)h时,去除效果不显著(53.6%、82.9%和69.0%),而(2+7)h时,仅部分恢复(48.0%、68.4%和75.7%)。C/N比对悬浮填料ICS系统和TCS系统内TN的去除影响显著,ICS系统对TN的去除率分别为96.3%、89.7%和84.3%,而TCS系统则为89.2%、79.5%和76.8%；对TP去除的表观影响不明显,去除率均为100%。仅改变C/P比不影响ICS系统和TCS系统对TN和COD的去除。对悬浮填料ICS系统和TCS系统中反硝化菌和聚磷菌的研究发现,反硝化聚磷菌是聚磷菌中的重要组成部分,在缺氧环境下能够成为优势菌群；系统中存在着能直接好氧吸磷的聚磷菌,可不经过厌氧释磷阶段而直接除磷,且系统需要的HRT较短。 【关键词】：智能化控制 序批式生物膜反应器 城市污水 脱氮除磷 微生物学
【学位授予单位】：中国地质大学（北京）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 引言12-40
• 1.1 课题背景12-14
• 1.1.1 课题来源12
• 1.1.2 课题的目的和意义12-14
• 1.2 生物脱氮除磷原理及研究进展14-20
• 1.2.1 生物脱氮的基本原理及研究进展14-17
• 1.2.2 生物除磷的基本原理及研究进展17-20
• 1.3 生物脱氮除磷工艺研究现状及存在的问题20-27
• 1.3.1 生物脱氮除磷工艺研究现状20-25
• 1.3.2 生物脱氮除磷工艺存在的问题25-27
• 1.4 序批性生物膜工艺(SBBR)27-35
• 1.4.1 SBBR工作原理和工艺类型27-29
• 1.4.2 SBBR工艺特征29-30
• 1.4.3 SBBR工艺国内外研究现状30-33
• 1.4.4 污水生物处理智能化控制研究现状33-35
• 1.5 生物脱氮除磷工艺微生物多样性35-37
• 1.5.1 生物脱氮除磷工艺多种群的微生物群落35-36
• 1.5.2 反硝化聚磷菌微生物学研究36-37
• 1.6 研究内容与技术路线37-40
• 1.6.1 研究内容37-38
• 1.6.2 技术路线38-40
• 2 SBBR智能化控制系统的构建40-48
• 2.1 ICS系统的构建40-44
• 2.1.1 ICS软件系统40-43
• 2.1.2 ICS的硬件系统43
• 2.1.3 ICS系统面板模块显示功能43-44
• 2.2 ICS系统的特点44-48
• 3 混纺纤维填料SBBR系统脱氮除磷性能研究48-72
• 3.1 材料与方法48-54
• 3.1.1 试验材料48-53
• 3.1.2 试验方法53-54
• 3.2 启动期间SBBR系统的运行情况54-57
• 3.3 ICS系统和TCS系统运行期的除污性能57-71
• 3.3.1 ICS系统运行周期内的曝气和停止曝气时间57
• 3.3.2 进水C/N比对SBBR除污性能的影响57-62
• 3.3.3 总反应周期内ICS系统和TCS系统C、N、P的变化规律62-71
• 3.4 本章小结71-72
• 4 混纺纤维填料SBBR系统微生物多样性研究72-88
• 4.1 试验材料和设备72-73
• 4.1.1 试验试剂72-73
• 4.1.2 试验仪器73
• 4.2 试验方法73-76
• 4.2.1 样品采集及预处理73-74
• 4.2.2 生物膜细菌总DNA的提取74
• 4.2.3 16S rDNA基因全长PCR扩增74-75
• 4.2.4 16S rDNA基因文库的构建75-76
• 4.2.5 序列测定基于16S rDNA的系统发育分析76
• 4.3 结果和讨论76-86
• 4.3.1 ICS系统和TCS系统基因文库的分型结果76-77
• 4.3.2 ICS系统和TCS系统细菌多样性分析77-79
• 4.3.3 ICS系统和TCS系统细菌系统发育分析79-86
• 4.4 本章小结86-88
• 5 悬浮填料SBBR系统脱氮除磷性能研究88-116
• 5.1 材料与方法88-92
• 5.1.1 试验材料88-90
• 5.1.2 试验方法90-92
• 5.2 启动期SBBR系统的运行情况92-95
• 5.3 ICS系统和TCS系统除污性能95-114
• 5.3.1 HRT对ICS系统和TCS系统脱氮除磷性能的影响95-100
• 5.3.2 进水C/N比对ICS系统和TCS系统脱氮除磷性能的影响100-109
• 5.3.3 进水C/P比对ICS系统和TCS系统脱氮除磷性能的影响109-114
• 5.4 本章小结114-116
• 6 悬浮填料SBBR系统反硝化聚磷菌微生物学研究116-128
• 6.1 试验材料和设备116-117
• 6.1.1 试验材料116-117
• 6.1.2 试验仪器117
• 6.2 试验方法117-118
• 6.2.1 生物膜样品采集117
• 6.2.2 分离与鉴定方法117
• 6.2.3 16S rDNA的PCR扩增和序列测定117-118
• 6.2.4 测序与结果分析118
• 6.3 结果与讨论118-125
• 6.3.1 分离菌落形态观察118-120
• 6.3.2 16S rDNA全长扩增结果120
• 6.3.3 测序结果和分析120-123
• 6.3.4 ICS和TCS系统生物膜样品反硝化菌和聚磷菌菌种对比分析123-125
• 6.4 本章小结125-128
• 7 结论与建议128-131
• 7.1 结论128-129
• 7.2 建议129-131
• 致谢131-132
• 参考文献132-146
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文146-147

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