活性污泥异化Fe(Ⅲ)还原协同除磷特性及影响因素研究

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城市污水处理厂对水体中磷的贡献是引起水体富营养化的主要途径,为了减轻排入环境中磷造成的负面影响,应严格限制污水处理厂的出水中TP浓度。在一些厌氧群落生境中存在异化Fe(III)还原的过程,其反应的主体是铁还原菌(Iron-reducing bacteria,IRB),因此,有关异化Fe(III)还原及其在环境污染治理中的作用逐渐引起了人们的关注。铁还原菌也是活性污泥的重要组成部分,约占微生物总量的3%左右,由于微生物异化Fe(III)还原过程产生的Fe(II)能和废水中的HPO2-4、H-3-2PO4及PO4等反应生成沉淀,从而可以增强厌氧环境中P的移除。因此,通过外加Fe(III)源的方式,在厌氧条件下利用活性污泥的异化Fe(III)还原协同除磷作用,将生物与化学技术相结合,对提高污水除磷效果意义非凡。本文以活性污泥为接种污泥,采用恒温厌氧(兼性厌氧/严格厌氧)培养方式,在考察不同活性污泥、碳源、初始pH值和温度对活性污泥体系异化Fe(III)还原过程影响的基础上,选择对普通活性污泥进行铁还原菌富集培养后,分别进行了影响因素的正交试验和单因素实验,重点研究了体系异化Fe(III)还原协同除磷过程和影响因素,并通过体系污泥不同形态磷的测定分析探讨了异化Fe(III)还原过程的除磷机制。同时还对体系的微生物进行了鉴定。研究得出主要结论如下:(1)不同活性污泥Fe(III)还原能力相差较大,生物铁泥的Fe(Ⅲ)还原性能明显优于普通活性污泥,在兼性厌氧与严格厌氧条件下,分别是普通活性污泥的1.87和1.76倍;碳源对生物铁泥的Fe(III)还原影响较小,而对普通活性污泥的Fe(III)还原过程呈现出较明显的负影响;在试验控制的兼氧/厌氧条件下,两种活性污泥厌氧条件下Fe(Ⅲ)还原能力均大于兼氧条件。(2)兼性厌氧/严格厌氧条件下,活性污泥体系初始pH为中性偏碱性条件更有利于活性污泥的异化Fe(III)还原过程,且各体系的pH值随反应时间的延长逐渐趋于中性;在15~35℃范围内,温度升高则更有利于活性污泥异化Fe(III)还原过程的进行。(3)通过Fe(III)投加量、初始磷浓度及体系初始pH对活性污泥异化Fe(III)还原协同除磷影响研究发现,随着Fe(III)投加量的增大,体系表现出更好的异化Fe(III)还原性能和除磷效果;体系初始磷浓度的增加对微生物异化Fe(III)还原有明显的抑制作用;而初始pH为中性偏碱性的条件下更有利于活性污泥异化Fe(III)还原协同除磷。(4)正交实验结果表明,活性污泥异化Fe(III)还原除磷过程中影响因素重要性顺序为碳源>初始磷浓度>菌量>初始pH;方差分析结果表明初始磷浓度和碳源投加量对系统除磷效果有显著影响,且除磷率随着初始磷浓度和碳源投加量的增大均呈下降趋势。(5)活性污泥体系异化Fe(III)还原协同除磷过程中过程中铁还原菌作用下的除磷占主导地位,另外也存在一定的Fe(III)源表面的吸附除磷作用。(6)对富集培养前后污泥进行了分子生物学鉴定,厚壁菌门占25%、拟杆菌占25%、变形菌占35%、绿弯菌门占10%和互养菌占5%。经对照活性污泥体系内存在的Bacteroides sp. W7、Macellibacteroides fermentans、Desulfomicrobium hypogeium、Fusibacter sp. SA1和Azospira sp. IHB B2277均为已确定的铁还原菌。另从中分离出了具有较强铁还原能力的纯菌株,经鉴定为克雷伯氏杆菌,为丰富活性污泥体系铁还原菌的种类做出贡献。反应体系选择廉价、易得的氧化铁皮为外加Fe(III)源,为体系内异化Fe(III)还原过程提供电子受体从而达到良好的除磷效果,达到以废治废的目的。有望开发一种经济、高效的新型厌氧生物除磷技术,在水处理过程中还是有很广阔的发展前景。
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