（环境工程专业论文）同步厌氧脱氮除硫工艺及微生物学特性的研究.pdf

分类号：x 7 0 3 单位代码：1 0 3 3 5 同步厌氧脱氮除硫工艺及微生物学特性的研究 论文作者签名： 指导教师签名： 论文评阅人1 ：黄霞麴援( 渲堡太堂2 评阅人2 ： 呈趑数援( 睑筮渲王些态堂2 评阅人3 ： 割塑选教援( 虫型院邀生物压2 评阅人4 ： 盒这壹熬援( 虫国型堂撞盔太堂2 评阅人5 ： 基直塞麴援( 上漫交适太堂2 答辩委员会主席：途囱田数援( 逝迤太堂2 委员1 ： 孙擅徨数援( 逝江王直太堂2 委员2 ： 沈塞荭数援( 逝江王直太堂2 委员3 ： 圈光明数援( 浙江太堂2 委员4 ： 塑垩数援( 逝江太堂2 答辩日期：一2 0 1 0 6 5 p r o c e s sp e r f o r m a n c ea n dm i c r o b i a lp r o p e r t yo f s i m u l t a n e o u sa n a e r o b i cs u l f i d ea n dn i t r a t er e m o v a l a u t h o r ss i g n a t u r e ： 一 s u p e r v i s o r 7 ss i g n a t u r e ： e x t e r n a lr e v i e w e r s ：p r o f e s s o r x i ah u a n g e x a m i n i n gc o m m i t t e ec h a i r p e r s o n ： d a t eo fo r a ld e f e n c e ： 2 0l0 6 5 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：京泰啸签字日期：加p 年7 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 逝江基鲎 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝至三盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名赫靖 导师签名学位论文作者签名： 钓弋菊 导师签名： 勺刀 il 磊 哩a 砷 i 签字日期： 如o 年7 月日 签字日期： 加。年7 月 同步厌氧脱氮除硫工艺及微生物学特性的研究 致谢 在博士生活即将结束之际，回想九年来在浙江大学的求学之路，感慨万千! 这九年的浙大生活让我在学业、生活、个人意志等多方面得到了提升，受益匪浅。 而我的博士论文也是在许许多多人的帮助下完成的，在此我谨对他们无私的帮助 表示最诚挚的感谢! 感谢我的导师郑平教授在学习和科研方面的悉心指导和谆谆教诲。在论文选 题、开题报告、试验方案和论文撰写等多个环节，郑老师均倾注了大量的心血。 在此，我向郑老师表示最衷心的感谢! 此外，作为郑平教授的学生，我感到十分 荣幸。郑老师扎实的科学素养、深入浅出的教学方式，让我在基础知识和实验技 能方面得到了大幅提高；而他他严谨细致的治学态度、一丝不苟的工作作风、求 真踏实的研究精神以及宽厚平和的人生态度，更让我终身受益! 感谢胡宝兰老师和吴东雷老师给我的帮助和关怀。谢谢孙建平、李金页、金 仁村、q a i s a rm a h m o o d 、张蕾、胡安辉、唐崇俭、陈建伟、陈小光、屠展、谢作 甫、黄可谈、汪彩华、余一、陈婷婷、季军远、丁爽、张吉强、沈李东、陆慧锋、 张萌、何睿等实验室兄弟姐妹们对我的帮助和支持。 感谢父母的关心与鼓励。是他们失败时给我鼓励、痛苦时给我安慰、困难时 给我帮助! 感谢父母，给予我勇气与信心! 蔡靖 于华家池畔 浙江大学博士论文 序言 本论文的完成受到了 国家8 6 3 项目( 2 0 0 6 a a 0 6 z z 3 3 2 ) 国家自然科学基金( 3 0 7 7 0 0 3 9 ) 浙江省重大科技攻关项 | ( 2 0 0 3 c 1 3 0 0 5 ) 的资助， 谨此致谢! 谨以此文献给所有关心支持我的人们! 同步厌氧脱氮除硫工艺及微生物学特性的研究 摘要 随着工农业的发展与人类生活水平的提高，废水产生量不断增加。其中，许 多工业废水、农业污水和城市污水中都有含硫污染物，废水排放所致的硫素污染 严重威胁着人类健康和生态安全。这类废水的有效治理技术已成为环保界急需攻 克的难题。研究证明，一些微生物能够以硝酸盐为电子受体将硫化物氧化成单质 硫。据此，笔者提出了用废水生物处理系统中硝化段产生的硝酸盐来氧化厌氧段 产生的硫化物，达到氮硫同时去除的设想，并对同步厌氧生物脱氮除硫工艺的运 行性能和微生物特性进行了较为全面而深入的研究，主要结论如下： 1 ) 研发了自养型同步厌氧生物脱氮除硫工艺。该工艺启动时间较短，运行 2 6 天，硫化物和硝酸盐的容积去除率分别达到文献报道水平；该工艺容积效率 较高，稳态运行时，容积硫化物去除速率和容积硝酸盐去除速率分别为3 7 3 k g m - 3 - d - 1 和0 8 0k g m - 3 d - 1 ；该工艺基质耐受性较好，当进水硫化物浓度高于5 8 0 m g l - 1 时，硫化物去除率仍可保持在9 0 以上；该工艺水力适应性较强，当h r t 从l 天缩短到0 1 3 天时，硫化物去除率保持在9 9 以上，硝酸盐去除率保持在 9 2 以上。 2 ) 优化了同步厌氧生物脱氮除硫工艺的操作条件。 揭示了不同氮素基质对工艺性能的影响。以硝酸盐作为电子受体优于亚硝 酸盐。硝酸盐型脱氮除硫工艺所能耐受的最大进水硫化物浓度和硫化物去除速率 均优于亚硝酸盐型脱氮除硫工艺。同步脱氮除硫污泥对电子供体的耐受性强于电 子受体。以灵敏度比作为判据，同步脱氮除硫菌受硫化物的影响不显著；而受硝 酸盐亚硝酸盐的影响较大，其中受亚硝酸盐的影响更大。同步脱氮除硫污泥对 亚硝酸盐的亲和力略高于硝酸盐，其半饱和常数分别为0 2 6 - 4 - o 0 8m g l - 1 和0 3 5 + 0 0 9m g l 一。 揭示了硫氮比对工艺性能的影响。从高效性、稳定性及选择性方面看，单 质硫型厌氧生物同步脱氮除硫工艺( 硫氮摩尔比为5 ：2 ) 明显优于混合型和硫酸 盐型( 硫氮摩尔比分别为5 ：5 和5 ：8 ) 。在所试范围内，单质硫型厌氧生物同步脱 浙江大学博士论文 氮除硫工艺效能明显高于混合型和硫酸盐型，其硫化物和硝酸盐的容积去除速率 高达4 8 6k g m - 3 d 1 和0 9 9k g m - 3 d 。单质硫型脱氮除硫工艺稳定性好，各项出 水指标的波动相对较小。将硫氮摩尔比调控在较高水平( 如5 ：2 ) ，可提高同步厌 氧生物同步脱氮除硫反应对单质硫和氮气的选择性。且在所试的3 种进水硫氮摩 尔比下，实际反应的硫氮摩尔比有靠拢5 ：2 的趋势。 揭示了p h 和碱度对工艺运行性能的影响。控制反应液p h 在7 0 士o 1 范 围时的容积效能高于控制进水p h 时的相应值。维持反应所需的中性条件时，碱 度宜控制在4 5 4 1 士4 0 5m gc a c 0 3 l 。反应过程中的碱度变化( 增量) 可以指示 反应器内主导反应的类型及其反应进度。单质硫型、硫酸盐型和混合型生物脱氮 除硫反应的硫化物去除量与碱度减少量之比分别为2 2 7 、2 0 0 和5 0 0 。 揭示了冲击负荷对工艺运行性能的影响。同步厌氧生物脱氮除硫反应器对 基质浓度冲击的响应过程可分为冲击期、惯性期和恢复期。其中出水硫化物浓度 对基质浓度冲击的响应较为灵敏，可用作反应器性能变化的指示参数。同步厌氧 生物脱氮除硫反应器对基质浓度冲击的响应与其冲击强度有关，出水p h 值及基 质浓度显著升高，且各性能指标的响应强度与冲击强度呈正相关。同步厌氧生物 脱氮除硫反应器对基质浓度的冲击具有良好的恢复能力，所需的恢复时间短于 3 0h ( 7 5h r t ) 。 3 ) 研究了同步厌氧生物脱氮除硫工艺的微生物学特性。 考察了同步脱氮除硫反应器稳态运行时的污泥特性与微生物生态学特性。 同步脱氮除硫污泥沉降性能优良。在稳态运行的同步脱氮除硫反应器中，污泥粒 径在0 5 4 3 9 9m m 之间，其中6 2 5 污泥直径在1 6 7 2 8 3m m 范围。颗粒污泥湿 密度为1 0 8k g m 一，沉降速度在5 6 1 3 1 7 1 4 3m h 1 之间。同步脱氮除硫污泥结构 性能优良。同步脱氮除硫颗粒污泥由污泥亚单位( 菌胶团和絮体污泥) 复合而成， 污泥表面微生物以杆菌为主，内部微生物形态多样。同步脱氮除硫污泥生物种群 丰富。运用p c r d g g e 技术分析表明，同步脱氮除硫污泥中特征性条带较多，微 生物种类多样性较高，其中以变形菌门的微生物为主。 分离研究了脱氮除硫功能菌。从长期运行的脱氮除硫污泥中，分离获得了 两个菌株( 菌株c b 和菌株c s ) ，经形态学观察和1 6 sr d n a 序列比对，将其归 同步厌氧脱氮除硫工艺及微生物学特性的研究 入芽孢杆菌属，菌株c b 与b a c i l l u sp s e u d o f i r m u so f 4 最为接近，菌株c s 与 b a c i l l u sh e m i c e l l u l o s i l y t u s 、b a c i l l u sh a l o d u r a n s 最为接近。首次试验证明芽孢杆菌 菌株具有脱氮除硫功能，其中菌株c b 对硝酸盐、硫化物的转化能力及亲和力大 于菌株c s 。经b i o l o g 板检测，菌株c b 的基质多样性不明显，菌株c s 则可利 用b i o l o g 板中多种碳源。 关键词：厌氧脱氮除硫；工艺条件；运行性能；微生物特性 v 浙江大学博士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to fs t a n d a r dl i v i n g ，l a r g e a m o u n to fw a s t e w a t e r sa r eg e n e r a t e d t h ew a s t e w a t e r sf r o mi n d u s t r y ，a g r i c u l t u r ea n d h o u s i n gs e t t l e m e n t sc o n t a i ns u l f u rc o m p o u n d s s u l f u rp o l l u t i o nh a sa l r e a d yp o s e d h a z a r d o u se f f e c t so nh u m a nh e a l t ha n de c o l o g i c a ls a f e t y h e n c e ，h o wt ot r e a ts u c h w a s t e w a t e re c o n o m i c a l l ya n de f f i c i e n t l yi so n eo ft h em o s tp o p u l a re n v i r o n m e n t a l t o p i c si nr e c e n ty e a r s i th a sb e e ns h o w nt h a ts o m eb a c t e r i a ls p e c i e sl i k et h i o b a c i l l u s d e n i t r i f i c a n sc a no x i d i z es u l f i d et oe l e m e n t a ls u l f u rs i m u l t a n e o u s l yr e d u c i n gn i t r a t et o d i n i t r o g e n f o rs u c hr e a s o n s ，t h es i m u l t a n e o u sa n a e r o b i cs u l f i d ea n dn i t r a t er e m o v a l p r o c e s sh a sb e e nd e v e l o p e d i nt h i sr e s e a r c h ，t h ep r o c e s sw a ss t u d i e df r o mo p e r a t i n g c o n d i t i o n sa n dm i c r o b i a lp r o p e r t i e s m a j o rr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h es i m u l t a n e o u sa n a e r o b i cs u l f i d ea n dn i t r a t er e m o v a lp r o c e s si ni n o r g a n i c c o n d i t i o nw a ss t u d i e d i tw a sd i s c o v e r e dt h a tt h es t a r t - u pc o u r s eo ft h ep r o c e s sw a s f a s t b yu s i n gu p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t ( u a s b ) r e a c t o r t h ev o l u m e t r i c r e m o v a lr a t e so fs u l f i d ea n dn i t r a t ew e r e0 3 2 3 k g m - 3 d a n d0 0 7 1k g m - 3 d - 1a f t e r 2 6d a y s o p e r a t i o n ，w h i c hh a dr e a c h e dt h er e p o s e dl e v e li nl i t e a t u r e t h er e s u l t sa l s o s h o w e dt h a tt h ep r o c e s sc o u l dh o l da h i g hs u l f i d ea n dn i t r a t er e m o v a ll o a d i n gr a t eo f 3 7 3k g m - 3 d a n d0 8 0k g m - 3 d 一，r e s p e c t i v e l y ，u n d e rs t e a d ys t a t e i tw a s c a p a b l eo f t o l e r a t i n gh i g hi n f l u e n ts u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o n ( 5 8 0m g l a n d110m g l _ 1 1 i tw a s c a p a b l eo ft o l e r a t i n gs h o r th y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) w h e nh r tw a s0 13d ，t h e r e m o v a lp e r c e n t a g eo fs u l f i d ea n dn i t r a t ew e r eh i g h e rt h a n9 9 a n d9 2 r e s p e c t i v e l y 同步厌氧脱氮除硫工艺及微生物学特性的研究 p r o c e s su s i n gn i t r a t ea se l e c t r o na c c e p t e rw a sb e t t e rt h a nt h a tu s i n gn i t r i t ea se l e c t r o n a c c e p t e r t h em a x i m u ma c c e p t a b l es u l f i d ec o n c e n t r a t i o na n dv o l u m e t r i cr e m o v a lr a t e o fs i m u l t a n e o u sa n a e r o b i cs u l f i d ea n dn i t r a t er e m o v a lp r o c e s sw e r eh i g h e rt h a nt h o s e o fs i m u l t a n e o u sa n a e r o b i cs u l f i d ea n dn i t r i t er e m o v a lp r o c e s s t h es l u d g eh a db e t t e r t o l e r a n c et oe l e c t r o nd o n o rt h a ne l e c t r o na c c e p t e r j u d g e db ys e n s i t i v i t yr a t i o ，t h e a c t i v a t e ds l u d g ew a sm o r et o l e r a n tt os u l f i d e ，w h i l en os i g n i f i c a n td i f f e r e n c e sw e r e f o u n di nr e s p e c to fu s i n gn i t r a t eo rn i t r i t ea si n f l u e n ts u b s t r a t e t h ea c t i v a t e ds l u d g e w a sl e s st o l e r a n tt on i t r a t e ，t h el e a s tt o l e r a n tt on i t r i t e t h es l u d g eh a ds l i g h t l yb e t t e r a f f i n i t yo nn i t r i t et h a nn i t r a t e ，w h o s eh a l fs a t u r a t i o nv a l u e sw e r e0 2 6 土0 0 8m g l 一1 a n d0 3 5 士0 0 9m g r 1 ，r e s p e c t i v e l y t h em i n i m u mr e a c t i o nt i m e ( 5 h ) f o rn i t r a t ea n d s u l f i d ew a sr e l a t i v e l y l o n g e rt h a nt h a tf o rn i t r i t ea n ds u l f i d ea si n f l u e n ts u b s t r a t e s ( 4 h 1 t h ee f f e c to fs u l f i d et on i t r a t e ( s n ) m o l a rr a t i oo nt h ep e r f o r m a n c eo f s i m u l t a n e o u sa n a e r o b i cs u l f i d ea n dn i t r a t er e m o v a lp r o c e s sw a si n v e s t i g a t e d i tw a s d i s c o v e r e dt h a tt h ep r o c e s sp e r f o r m a n c ea tm o l a rs n r a t i oo f5 ：2w a ss i g n i f i c a n t l y b e t t e rt h a nt h o s ea ts nm o l a rr a t i o so f5 ：5a n d5 ：8 ，b a s e do nc a p a c i t y ，s t a b i l i t ya n d s e l e c t i v i t y t h ev o l u m e t r i cs u l f i d ea n d n i t r a t er e m o v a lr a t e sa tm o l a rs nr a t i 6o f5 ：2 w e r e4 8 6k g m - 3 d - 1a n d0 9 9k g m - 3 d ，r e s p e c t i v e l y , w h i c hw e r eh i g h e rt h a nt h o s e a tt h eo t h e rs nm o l a rr a t i o s m o r e o v e r , t h ef l u c t u a t i o n si nt h ee f f l u e n ta ts nr a t i oo f 5 ：2w e r el e s st h a nt h o s ea tt h eo t h e rt w ot e s t e dr a t i o s ，w h i c hs h o w e db e t t e rs t a b il i t y t h es e l e c t i v i t yf o re l e m e n t a ls u l f u ra n dd i n i t r o g e nw a si m p r o v e dw h e nt h es nm o l a r r a t i ow a ss e ta t5 ：2r a t h e rt h a n5 ：5o r5 ：8 m o r e o v e r , t h er a t i oo fc o n v e n e ds u l f i d et o c o n v e r t e dn i t r a t et e n d e dt oa p p r o a c h5 ：2d u r i n gt h eo p e r a t i o n ( 蓟t h ee f f e c to fp ha n da l k a l i n i t yo nt h ep e r f o r m a n c eo fs i m u l t a n e o u sa n a e r o b i c s u l f i d ea n dn i t r a t er e m o v a lp r o c e s sw a si n v e s t i g a t e d i tw a sd i s c o v e r e dt h a tt h e p r o c e s sp e r f o r m a n c ew a sb e t t e rw h e nt h er e a c t i o np hw a s c o n t r o l l e db e t w e e n6 9a n d 7 1t h a nt h a tw h e nt h ei n f l u e n tp hw a sc o n t r o l l e db e t w e e n7 5a n d8 0 i no r d e rt o k e e pan e u t r a lc o n d i t i o n t h ea l k a l i n i t y s h o u l db ea d j u s t e da t4 5 4 1 士4 0 5m g 1 浙江大学博士论文 c a c 0 3 l 。1 t h ea l k a l i n i t yc h a n g ei nt h ep r o c e s sc a ni n d i c a t et h es t y i ea n de x t e n to f t h ed o m i n a n tr e a c t i o n w h e ns nr a t i o sw e r e5 ：2 ，5 ：8a n d5 ：5 ，t h er a t i o so fr e m o v e d s u l f i d et od e c r e a s e da l k a l i n i t yw e r e2 9 8 ，2 5 6a n d6 41 ，r e s p e c t i v e l y t h ee f f e c to fs u b s t r a t es h o c ko nt h ep e r f o r m a n c eo fs i m u l t a n e o u sa n a e r o b i c s u l f i d ea n dn i t r a t er e m o v a lp r o c e s sw a si n v e s t i g a t e d i tw a sd i s c o v e r e dt h a tb a s e do n t h er e s p o n s et ot h es h o c kl o a d s ，t h er e a c t o rp e r f o r m a n c ec o u l db ed i v i d e di n t ot h r e e s t a g e s ：d i s t u r b a n c e ，i n e r t i aa n dr e c o v e r yp e r i o d s t h ee f f l u e n ts u l f i d ec o n c e n t r a t i o n w a sas e n s i t i v ep a r a m e t e r , w h i c hi n c r e a s e du pt o18t i m e so ft h a ta t s t e a d ys t a t ea n d c o u l db eu s e da sa ni n d i c a t o ro ft h er e a c t o rp e r f o r m a n c e t h ee f f e c to ft h es h o c kl o a d s o nt h er e a c t o rp e r f o r m a n c ew a sr e l a t e dt ot h ei n t e n s i t yo ft h es h o c kl o a d s t h e r e s p o n s i v es t r e n g t h i n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s i n gi n t e n s i t yo fs h o c kl o a d s t h e p e r f o r m a n c ew a sa b l et or e c o v e rf r o md i s t u r b a n c e sa ta l lt h et e s t e ds h o c kl o a d s i n3 0 h o u r s ( 7 5 h ) ，a l lt h ep e r f o r m a n c ei n d i c e so ft h er e a c t o rc o u l dr e t u r nt ot h ei n i t i a ls t a b l e s t a t e 3 ) t h em i c r o b i a lp r o p e r t i e so fs i m u l t a n e o u sa n a e r o b i cs u l f i d ea n dn i t r a t e r e m o v a l p r o c e s sw e r es t u d i e d o t h e p h y s i c a l a n d e c o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fc u l t i v a t e d s l u d g e f o r s i m u l t a n e o u sa n a e r o b i cs u l f i d ea n dn i t r a t er e m o v a lw e r es t u d i e d i tw a sd i s c o v e r e d t h a tt h ec u l t i v a t e d s l u d g e s h o w e dg o o d s e t t l a b i l i t y ，w h o s ed i a m e t e r s ，s e t t l i n g v e l o c i t i e sa n dd e n s i t yw e r e0 5 4 3 9 9 m m ，5 6 1 3 - 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