生物菌剂的构建及其在污水处理中的生物强化效能

博士学位论文生物菌剂的构建及其在污水处理中的生物强化效能CONSTRUCTIONOFBACTERIALAGENTANDITSBIOAUGMENTATIONEFFICIENCYINTHEWASTEWATERTREATMENT郭静波2010年1月国内图书分类号：X703学校代码：10213国际图书分类号：628.25密级：公开工学博士学位论文生物菌剂的构建及其在污水处理中的生物强化效能博士研究生：郭静波导师：马放教授申请学位：工学博士学科：环境科学与工程所在单位：市政环境工程学院答辩日期：2010年1月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:X703U.D.C:628.25DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringCONSTRUCTIONOFBACTERIALAGENTANDITSBIOAUGMENTATIONEFFICIENCYINTHEWASTEWATERTREATMENTCandidate：GuoJingboSupervisor：Prof.MaFangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：EnvironmentalScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineeringDateofDefence：January,2010Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要-I-摘要东北地区是我国石化行业发展的重点区域，部分企业由于长期环保投入不足和技术落后，已经成为重大的工业污染源。另外，低气温、低水温是影响东北寒冷地区新建城市污水处理厂启动周期的主要因素。通过生物菌剂的投加，生物强化技术可显著缩短污水生化处理系统的启动周期，改善生化处理系统的运行效果和稳定性。本研究运用微生物生理生态学、分子生态学与环境工程学的方法与理论，系统地阐明了生物菌剂构建的原则、生产工艺及评价方法。同时依托工程实践，以优化生物强化工艺设计和实现生物强化技术产业化为目标，开展了投加生物菌剂的生物强化技术在城市污水生化处理工艺低温快速启动以及石化废水生化处理设施升级改造的工程应用研究。通过对东北三省32家城市污水处理厂运营现状的调查，确定城市污水处理生物菌剂的构建目标主要是实现城市污水生化处理系统在低温条件下的快速启动与稳定运行；通过对出水污染物含量比重、有机物COD贡献值和可生物降解性三个方面的分析，确定石化废水中处理生物菌剂构建的目标主要是提高石化废水生化处理系统对难降解有机污染物的降解效果和抵抗水质水量冲击负荷的能力。基于微生物协同代谢原则、生态位分离原则及微生物的自适应原则，通过反复进行菌株的筛选、重组和驯化，分别针对石化废水特征污染物高效降解菌和城市污水低温快速启动所需冷适应菌进行了生物菌剂的构建。经评价，所构建的生物菌剂安全无毒、经济适用性好，城市污水处理生物菌剂能很快在低温条件下实现城市污水处理系统各项指标的达标；而投加生物菌剂的石化废水处理中试装置在进水水质波动较大(COD=370~910mg/L，NH4+-N=10~70mg/L)、水温低于13℃时，出水COD和NH4+-N平均浓度分别在80mg/L和8mg/L左右，出水中的有机物种类由未进行生物强化的69种减少到经过强化处理后的32种。基于生物菌剂在石化废水生化处理系统中的稳定存在及效能发挥，对生物强化系统的工艺及生物接触氧化系统的挂膜方法进行了对比研究。结果表明，生物强化体系中固定化生物膜工艺在污染物去除效果和微生物的活性上均优于传统的活性污泥工艺及经过生物强化的活性污泥工艺。另外，采取间接挂膜法，即采用投加颗粒状物质活性炭、电气石及酵母粉的方式，对聚氨酯泡沫球形载体进行预挂膜后，再投加生物处理剂的挂膜方法可有效地避免载体的堵塞哈尔滨工业大学工学博士学位论文-II-问题，从而在石化废水进水COD和NH4+-N浓度在280~420mg/L和5~25mg/L时，出水COD和NH4+-N浓度分别稳定在70mg/L和3mg/L以下。无机颗粒载体和有机颗粒营养物质的投加为有机污染物的生物降解创造了良好的条件。在小试及中试试验的基础上，将原有传统活性污泥A/O工艺升级为以聚氨酯泡沫悬浮球为填料的二级A/O接触氧化工艺，并对系统实施了投加生物菌剂的生物强化技术。PCR-DGGE分析结果表明，生物强化系统内形成了稳定而多样性丰富的微生物群落结构，生化处理系统对难降解有机污染物的去除效果及抗冲击负荷能力都显著增强。同时，石化废水生化处理系统启动所需时间也缩短了10d左右。采用投加生物菌剂的生物强化技术，在水温低于15°C的条件下，成功解决了黑龙江省3个不同工艺类型城市污水生化处理系统的低温快速启动问题，在系统启动后的12~15d，3个污水厂的出水水质均达到甚至优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B的标准。工艺成功启动后，3个生化处理系统的出水水质并未随温度变化出现剧烈的波动，不同工艺类型的生物强化系统在低温条件下维持相似的微生物代谢活性。冬季及春季的生化处理系统中约有50%的微生物与系统低温快速启动时期投加的生物强化菌株相似，主要包括金黄杆菌属(Chryseobacterium)、生丝微菌属(Hyphomicrobium)、硝化螺菌属(Nitrospirasp.)、黄单胞菌属(Xanthomonadaceae)、黄杆菌纲(Flavobacteriales)及拟杆菌属(Bacteroidessp.)。生物强化系统中，有36%与变形细菌亚群的β和γ-Proteobacteria相似，有18%与拟杆菌门的Flavobacteria和Sphingobacteria相似，有23%与硝化螺菌目(Nitrospirales)相似，这些菌群始终在系统中占有绝对的优势，代表了生物强化系统的优势菌群结构。同时，为了适应不同的工艺类型及水质水量等环境条件的变化，某些种群的优势度始终呈现动态波动的状态。优势菌的长期存在以及潜在功能菌的出现保证了冬季低温运行期及季节过渡期城市污水的稳定达标排放。本文大量的工程实践经验以及理论研究成果系统地阐述了生物菌剂的构建原则、生产工艺及评价方法、生物强化系统工艺类型的选择和优化以及工艺参数的调控，为生物强化技术的推广应用提供了有力的指导和借鉴。生物菌剂的应用出色地完成了不同工艺类型城市污水生化处理工艺的低温快速启动和石化废水生化系统的升级改造任务，为污水处理厂节约了大量的调试启动费用和工艺升级改造投资，对于寒冷地区污水处理厂污水的稳定达标排放，尤其是东北地区冰封期的污染物削减意义重大。关键词：生物菌剂；生物强化；低温启动；难降解有机物；微生物群落Abstract-III-AbstractNortheastChinaisthemainareaforpetrochemicalindustrydevelopment.Duetolong-termshortageofenvironmentalinvestmentsandlaggardtechnology,someenterpriseshadbecomevitalindustrialpollutionsoures.Besides,lowambientandwastewatertemperatureisthekeyfactorinfluencingthestart-upofthenewly-builtedmunicipalwastewatertreatmentplants(WWTPs).Throughtheadditionofbacterialagent,bioaugmentationcouldeffectivelyshortenthestart-upofbiologicalwastewatertreatmentsystemsandimproveitsperformancesandstability.Basedonmethodsandtheoriesofmicrobialphysiologicalecology,molecularecologyandenvrionmentalengineering,thepresentstudygaveasystematicexpatiationonbacterialagentconstruction.Furthermore,practicalbioaugmenationprojectswereconductedinthelow-temperaturerapidstart-upofthemunicipalWWTPsandtheupgradeofpetrochemicalwastewaterbiologicalsystem.Basedonasurveyof32municipalWWTPsinNortheastChina,theconstructionobjectiveofbacterialagentformunicipalwastewatertreatmentwastorealizetherapidstart-upandstableoperationofthebiologicalsystemsunderlowtemperatures.Accordingtotheanalysisofpollutantscontents,CODcontributionoforganicsandtheirbiodegradability,theconstructionobjectiveofbacterialagentforpetrochemicalwastewatertreatmentwastoenhancethedegradationofrefractoryorganicsandtheresistencetoshockloadings.Basedonmicrobialcometabolism,nicheseparationandself-adaptiveacclimatizationandthroughrepeatedselection,combinationandacclimatization,bacterialagentsagainsttherefractoryorganicsinpetrochemicalwastewaterandlowtemperaturemunicipalwastewaterwereconstructed.Itshowedthattheconstructedbacterialagentsweresafeandeconomical.Besides,withtheadditionofbacterialagent,municipalwastewatertreatmentmetthedischargestandandsrapidly;inbiaugmentedpilot-scalepetrochemicalwastewatertreatmentfacility,theaverageconcentrationofeffluentCODandNH4+-Nwasaround80mg/Land8mg/L,respectively.Thenumberoftheorganicsintheeffluentofthebioaugmentedsystemreducedto32comparedto69oftheoriginalA/Oprocesswithoutbioaugmentation.哈尔滨工业大学工学博士学位论文-IV-Basedonthestableexistenceandefficientperformanceofthebacterialagentforpetrochemicalwastewatertreatment,efficienciesofdifferentbioaugmen