【摘 要】
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相比于传统活性污泥,好氧颗粒污泥具有结构致密、生物持留量高、多功能菌群分区定殖等优点,是污水处理领域的一项创新技术。然而,我国城镇生活污水中有机物浓度普遍偏低,污水处理厂原水碳氮比低,这将是限制好氧颗粒污泥系统同步脱氮除磷效果的最重要因素。因此,探讨实际生活污水中碳氮比对好氧颗粒污泥系统脱氮除磷影响具有重要的科学意义和应用价值。本实验以实际低碳氮比生活污水为进水培养好氧颗粒污泥,探究不同碳氮比对好
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相比于传统活性污泥,好氧颗粒污泥具有结构致密、生物持留量高、多功能菌群分区定殖等优点,是污水处理领域的一项创新技术。然而,我国城镇生活污水中有机物浓度普遍偏低,污水处理厂原水碳氮比低,这将是限制好氧颗粒污泥系统同步脱氮除磷效果的最重要因素。因此,探讨实际生活污水中碳氮比对好氧颗粒污泥系统脱氮除磷影响具有重要的科学意义和应用价值。本实验以实际低碳氮比生活污水为进水培养好氧颗粒污泥,探究不同碳氮比对好氧颗粒污泥形成、长期稳定运行及污染物去除的影响,对不同好氧颗粒污泥系统中微生物菌群结构、多样性以及主要功能菌活性进行分析,并进一步探究好氧颗粒污泥系统脱氮除磷性能的优化策略,同时探究改变进水碳氮比对成熟好氧颗粒污泥系统脱氮除磷的影响,对好氧颗粒污泥工艺处理低碳氮比实际生活污水具有指示意义。主要实验结果如下:同步运行三套序批式反应器（SBR）,以实际生活污水为基质,通过向原水中加入乙酸钠模拟三种不同碳氮比进水,分别进行好氧颗粒污泥培养。三个反应体系平均进水碳氮比分别为4.29、5.19和7.93。处理不同碳氮比进水的反应体系（R1、R2和R3）在60天内均可成功实现颗粒化,颗粒污泥呈球形或椭球形,具有良好沉降性能,SV5和SV30差值均小于5%。混合液悬浮固体浓度MLSS分别约为5000、5000和7000 mg·L-1,平均粒径分别为351.5μm、294.4μm和454.5μm。处理碳源充足且高碳氮比污水的反应器好氧颗粒污泥粒径最大,且生物量浓度更高。在稳定运行阶段,通过批次实验探讨三套好氧颗粒污泥系统主要功能菌活性,同时在分子生物学水平分析好氧颗粒污泥系统微生物多样性及群落结构。相比于传统活性污泥系统,好氧颗粒污泥系统中AOB、NOB、和反硝化菌活性更高。进水中添加碳源的R2、R3系统成功富集除磷功能微生物（PAOs）,生物除磷效率是传统活性污泥的2～2.5倍,而未添加碳源的R1系统生物除磷性能与传统活性污泥基本一致。在分子生物学水平上,好氧颗粒污泥系统微生物多样性高于传统活性污泥,且微生物多样性及丰富度均呈现R1＞R2＞R3。在门水平群落结构上,Proteobacteria、Chloroflexi、Bacteroidota及Actinobacteriota为主要优势菌种,且培养过程中系统富集了与硝化反应有关的Nitrospirota。纲水平群落结构中,与除磷功能相关的Gammaproteobacteria在R3中相对丰度最高,约是R1的3倍。属水平上聚糖原菌Candidatus＿Competibacter相对丰度R3是R2的5倍,而R1中基本没有。进水碳源充足在富集PAOs的同时也会导致GAOs大量增殖,可见选择合适的运行策略直接影响颗粒污泥内部微生物群落结构,进而影响脱氮除磷效率。好氧颗粒污泥的层状结构能够富集不同种类的微生物,且增加进水碳氮比有利于特定功能微生物的富集,导致微生物丰富度降低。R1进水碳氮比低,PAOs丰度降低且活性较差。三套好氧颗粒污泥系统出水COD均低于50 mg·L-1,出水TN浓度均值分别在23 mg·L-1、14 mg·L-1和10 mg·L-1,TN去除率分别为54%、74%、80%。R2和R3系统TP去除率均高达100%,R1系统出水TP浓度均值为2.7 mg·L-1,TP去除率为26.6%。进一步提高R1进水碳氮比后,系统脱氮效率显著提升,而除磷功能未得到明显改善。优化运行工况后,系统碳源利用率提高,间歇曝气有利于同步硝化反硝化作用发生,但由于R1反应系统中在污泥颗粒化阶段未能富集足够PAOs,R1系统除磷功能恢复需要较长时间。对于低碳氮比生活污水,在启动培养添加适当量的碳源可以确保系统富集一定丰度的PAOs,强化系统除磷性能。
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