菌藻共生好氧颗粒污泥系统构建及强化脱氮机制研究

马浩

西安理工大学

摘要：菌藻好氧颗粒污泥(ABGS)是一种以微生物菌藻颗粒为主体的高效生物处理系统。相对于传统的生物处理方法，菌藻颗粒污泥具有更好的脱氮、脱磷性能。目前，研究者们围绕ABGS展开了大量研究，在培养工艺条件以及出水水质优化方面取了较大进展，但不同培养条件下形成的菌藻颗粒污泥理化性质及污染物处理效能存在明显差异，这一方面的研究还未有系统研究。为此，本研究采用不同培养模式下构建菌藻共生好氧颗粒污泥系统，设置了无光对照组R1以及5个有光实验组:接种微藻并磁化进水高径比为10的R2系统、接种微藻高径比为10的R3系统、不接种微藻高径比为10的R4系统、不接种微藻高径比为5的R5系统、不接种微藻高径比为3的R6系统。考察了不同培养模式下的菌藻颗粒系统颗粒化进程、污染物去除效率以及微生物群落多样性规律，并结合优势微生物氮代谢研究，对其脱氮机制进行解析，主要结论如下：(1)不同培养条件下的ABGS物理特性相差较大。系统稳定时，菌藻颗粒污泥系统MLSS基本高于好氧颗粒污泥系统，其中接种藻源高径比为10的R3系统MLSS最高，为6940 mg/L，进水磁化会降低生物量导致MLSS浓度降低，随着高径比的降低，MLSS浓度也降低。添加磁化进水的R2系统定颗粒稳性及沉降性能最佳，说明磁化进水会使ABGS更加稳、定致密，且R3与R4系统沉降性能与颗粒稳定性差距不大，说明与是否接种藻源相关性不大，随着高径比的降低，ABGS的沉降性能与稳定性也降低。不同培养方式对颗粒污泥粒径的影响不大，但改变以工艺条件后，好氧颗粒污泥粒径减小，抗冲击能力较弱。以上结果说明较高高径比更适合ABGS的培养。(2)在污染物处理效能方面，各系统对TN的去除率为R3(65.38%)>R4(63.45%)>R5(62.91%)>R2(61.04%)>R6(57.34%)，表明ABGS系统总体的脱氮性能优于AGS，高径比越高，其脱氮性能越好，进水磁化会影响ABGS的脱氮性能。对于PO43--P盐而言R2(48.90%)>R3(47.06%)>R4(45.766%)>R6(45.5 1%)>R5(41.51%)>R1(41.29%)、因此ABGS系统总体的除磷性能同样优于AGS，而进水磁化会提高ABGS的除磷效率。ABGS与AGS对COD的去除效率差别不大。(3)静置段的添加使得菌藻颗粒污泥系统中物种丰度与生物多样性均有明显提升。对于同一高径比，菌藻颗粒污泥的物种丰度与多样性均优于好氧颗粒污泥。磁化进水会同时抑制物种丰度与生物多样性，不利于原核生物的生长。接种微藻的R3系统表现出更好的物种丰度，但多样性逊于不接种微藻的R4系统。高径比越高生物多样性及丰度也越高。原核生物系统群落差异显示，未添加静置段前接种了微藻的R2与R3系统相似性更高，说明是否接种微藻在菌藻颗粒污泥成熟前对微生物群落影响更大，在添加静置段后R3与R4系统相似度更高，说明是否接种微藻对成熟菌藻颗粒的微生物群落影响不大。(4)通过对菌藻颗粒污泥中典型微生物的氮代谢分析，发现在细菌混合培养物中，无论是以氨氮还是硝氮为氮源，γ-变形菌均是优势菌种；在藻类混合培养物中，小球藻与栅藻存在竞争抑制，使得混合物生长量、无机氮吸收速率均降低。在氨氮培养基中，平均每天单位细胞的氨氮吸收速率分别为4.48×10-9mg·Cell-1·day-1(α-变形菌纲)、3.38×10-9mg·Cell-1·day-1(γ-变形菌纲)、7.74×10-9mg·Ceill-1·day-1(小球藻)、1.35×10-8mg·Cell-1·day-1(栅藻)，其中栅藻的单位细胞氨氮吸收速率最高，比α-变形菌纲高9.02×10-9mg·Cell-1·day-1，比小球藻高5.76×10-9mg·Cell-1·day-1；DON的释放速率为2.70×10-11mg/Cell(α-变形菌纲)、5.86×10-12mg/Cell(γ-变形菌纲)、1.18×10-11mg/Cell(小球藻)、8.12×10-12mg/Cell(栅藻)；在以硝氮为氮源的培养基，平均每天单位细胞硝氮吸收速率为6.03×10-9mg·Cell-1·day-1(α-变形菌纲)、7.49×10-9mg·Cell-1·day-1(γ-变形菌纲)、5.80×10-9mg·Cell-1·day-1(小球藻)、8.18×10-9mg.Cell-1day-1(栅藻)，其中栅藻的单位细胞硝氮吸收速率最高，比γ-变形菌纲高6.9×10-10mg·Cell-1·day-1，比小球藻高2.38mg·Cell-1·day-1，DON的释放速率为8.90×10-12 mg/Cell(α-变形菌纲)、2.46×10-11mg/Cell(γ-变形菌纲)、2.45×10-11mg/Cell(小球藻)、1.02×10-11mg/Cell(栅藻)。