摘要
活性污泥法以其运行稳定、处理效果好、成本低廉等优点成为国内外主流的生物脱氮工艺，主要包括硝化作用和反硝化作用两个过程。但传统的活性污泥法也存在内外回流耗能、抗冲击负荷能力较差、硝化反硝化两者很难统一等不足。针对这一问题，将具有好氧反硝化特性的细菌添加到活性污泥中，使污泥进行硝化作用的同时能够进行反硝化作用，好氧池出水硝态氮的浓度有效降低，从而达到降低硝化液回流比，节约能耗的目的。近些年来许多研究学者发现了好氧反硝化细菌的存在。芽孢杆菌是一类具有抗逆性强、繁殖能力强、无致病性等特点的好氧细菌，耐酸碱，耐高温，许多研究已经证实芽孢杆菌具有异养硝化-好氧反硝化特性，但这些研究普遍停留在纯菌层面。本研究以上述纯菌实验为依托，在普通活性污泥中添加芽孢杆菌菌剂，研究芽孢杆菌活性污泥（以下简称Bacillus污泥）的反硝化特性，以及投加菌剂之后微生物菌群结构的变化，为芽孢杆菌的工程化应用奠定基础。 (1)BBR工艺是一种以Bacillus污泥为主体，集活性污泥法和生物膜为一体的新型生物脱氮工艺。通过调节pH、溶解氧、温度等因素优化BBR工艺出水水质，并分别研究了pH、温度、溶解氧的分布方式对设备出水水质的影响。研究表明，溶解氧的分布对出水效果影响较大，四格曝气池最适溶解氧分布为0.2mg/L-0.5mg/L-1.0mg/L-2.0mg/L。pH值在6.0-9.0范围内对该设备出水效果影响不大。此外污泥具有一定的耐低温特性，当水温为10℃时，污泥氨氮去除率、总氮去除率分别为同条件下水温为30℃时的87.55％和78.47％; (2)采用SBR工艺进行实验室规模小试，将芽孢杆菌菌剂添加到普通活性污泥中，分别研究氮源、溶解氧、碳氮比和pH对Bacillus污泥好氧反硝化性能的影响。研究表明，溶解氧和pH是影响Bacillus污泥好氧反硝化性能的主要因素。好氧反硝化最佳氮源为亚硝态氮，好氧反硝化适宜溶解氧范围为0.5-2.0mg/L，且反应速率随着溶解氧的升高而降低，最大好氧反硝化速率为19.15mg/(L·h)。当溶解氧浓度为2.0mg/L时好氧反硝化速率为6.788mg/(L·h)。Bacillus污泥具有一定的耐碱性，当pH=10时反硝化速率、比反硝化速率分别为13.841mg/(L·h)、4.613mgNO2--N/(gMLSS·h)。碳氮比对好氧反硝化影响较小，当碳氮比大于5-6时不再是好氧反硝化的决定因素; (3)研究了Bacillus污泥缺氧条件下的反硝化特性，以普通活性污泥为对照，分别研究碳氮比和pH对反硝化性能的影响。研究表明，相对于普通活性污泥，Bacillus污泥缺氧反硝化具有耐碱性和高效性。当pH=10时，Bacillus污泥反硝化速率、比反硝化速率分别为28.359mg/(L·h)、9.453mgNO2--N/(gMLSS·h)。当碳氮比由3逐渐增大到10时，反硝化速率随着碳氮比的增加而增大，而普通活性污泥在碳氮比大于6时反应速率不再增长。当碳氮比为10时Bacillus污泥反硝化速率、比反硝化速率分别为67.860mg/(L·h)、27.144mgTN/(gMLSS·h)，相同条件下反应速率可达普通活性污泥的2.7倍; (4)通过高通量测序手段，以添加菌剂之前的普通活性污泥为对照，分别对两组污泥进行菌群结构分析。研究表明，好氧条件下，添加菌剂之后污泥中芽孢杆菌(Bacilli)能成为主要优势菌属，相对丰度为30.18％，此外还有放线菌纲(Actinobacteria)、α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)、β-变形菌纲(Betaproteobacteria)、γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)、浮霉菌纲(Planctomycetia)等具有脱氮特性的主要菌群，其相对丰度共占总群落的83.82％，而普通活性污泥中主要包括α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)、β-变形菌纲(Betaproteobacteria)、γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)、厌氧绳菌纲(Anaerolineae)、拟杆菌纲(Bacteroidia)等，而芽孢杆菌(Bacilli)相对丰度不足1％。由此可见，添加菌剂后，活性污泥混合体系中芽孢杆菌能够起到好氧反硝化的作用; (5)缺氧条件下添加菌剂后，在细菌门、纲、目、科、属等层面，Bacillus污泥菌群多样性均优于普通活性污泥，芽孢杆菌的存在会促进其他异养菌的生长，主要包括芽殖杆菌属(Gemmobacter)、短单胞杆菌属(Brachymonas)、热单胞菌属(Thermomonas)、Defluviimonas、长绳菌属(Longilinea)、Ornatilinea、Aridibacter、微小杆菌属(Exiguobacterium)等优势菌属，形成稳定的共生系统。在碳源充足的条件下各细菌协同作用，使Bacillus污泥具有高效反硝化特性。
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