厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動及微生物群落結(jié)構(gòu)解析.pdf

1、厭氧氨氧化(ANAMMOX)技術(shù)是目前已知的最經(jīng)濟(jì)有效的生物脫氮途徑,相比較于傳統(tǒng)的硝化反硝化技術(shù)具有需氧量低、污泥產(chǎn)量少和無需外加碳源等優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。但是,厭氧氨氧化菌生長緩慢(世代周期約11d),對環(huán)境條件敏感,造成了厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動時(shí)間過長(據(jù)報(bào)道,采用普通活性污泥成功啟動厭氧氨氧化反應(yīng)器的時(shí)間長達(dá)數(shù)年之久),從而嚴(yán)重制約了厭氧氨氧化技術(shù)的工程應(yīng)用。
　　本課題從接種污泥、反應(yīng)器啟動方式和控制參數(shù)等角度出

2、發(fā),運(yùn)用現(xiàn)代分子生物學(xué)的一些技術(shù)手段,如末端限制性片段長度多態(tài)性技術(shù)(T-RFLP)、熒光定量PCR技術(shù)(Q-PCR),旨在攻克厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動周期過緩這一瓶頸性難題,為未來厭氧氨氧化技術(shù)在污水脫氮領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。主要研究成果如下:
　　(1)為了實(shí)現(xiàn)對樣品中厭氧氨氧化菌群結(jié)構(gòu)的快速解析,提出了一種基于末端限制性片段長度多態(tài)性技術(shù)(T-RFLP)對樣品中厭氧氨氧化菌群落組成的分析方法。通過對SILVA(R

3、108)SSURef數(shù)據(jù)庫中已知厭氧氨氧化菌16SrRNA基因序列的模擬PCR和酶切分析,選取合適的PCR引物(amx368f-amx820r)和限制性內(nèi)切酶(MspI&RsaI),使得不同厭氧氨氧化菌屬對應(yīng)不同的末端片段長度(T-RFs),從而完成對厭氧氨氧化菌群結(jié)構(gòu)的快速分析。經(jīng)過重復(fù)性和靈敏性檢驗(yàn)表明,該方法能夠有效地、穩(wěn)定地應(yīng)用于環(huán)境樣品中厭氧氨氧化菌群結(jié)構(gòu)的快速分析。
　　(2)選取4個(gè)不同污水處理工藝的污泥樣品為研究對

4、象,分別為哈高科大豆廢水處理EGSB工藝顆粒污泥、哈高科大豆廢水處理SBR工藝活性污泥、哈爾濱太平市政污水處理A/O工藝厭氧池和好氧池的活性污泥。運(yùn)用T-RFLP技術(shù)分析了其厭氧氨氧化菌群結(jié)構(gòu),結(jié)果顯示EGSB工藝顆粒污泥主要為Anammoxoglobus屬、Brocadia屬和Jettenia屬;SBR工藝活性污泥中厭氧氨氧化菌主要為Brocadia屬;A/O工藝厭氧池和好氧池活性污泥中厭氧氨氧化菌群結(jié)構(gòu)相似度較高,主要為Anammo

5、xoglobus屬、Brocadia屬和Scalindua屬。進(jìn)一步通過Q-PCR技術(shù)分析了污泥樣品中厭氧氨氧化菌16SrRNA基因拷貝數(shù),分別為1.50×107、1.05×108、6.80×107和8.20×107copies/mg-drysludge。另外,厭氧氨氧化菌間歇培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明SBR工藝活性污泥最早出現(xiàn)厭氧氨氧化現(xiàn)象。因此,本研究確定哈高科大豆廢水處理SBR工藝活性污泥為最適接種污泥。
　　(3)采用哈高科大豆廢水處理

6、SBR工藝活性污泥為接種污泥,以中溫低負(fù)荷方式(反應(yīng)區(qū)溫度為35℃,進(jìn)水總氮負(fù)荷為0.06kg(m3?d)?)成功啟動一個(gè)污泥全回流的完全混合(CSTR)型厭氧氨氧化反應(yīng)器。經(jīng)過127d的連續(xù)運(yùn)行,總氮去除率達(dá)到65％,略低于理論總氮去除率80%,可能是由于反應(yīng)器中存在亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽所致,具體原因還有待今后進(jìn)一步研究。進(jìn)一步通過對反應(yīng)器啟動過程中三氮(氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮)變化的分析,將厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動過程劃分為三個(gè)階段

7、,分別為反硝化活躍期、過渡期以及厭氧氨氧化活性提高期。另外,本研究提出了5個(gè)厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動過程的指示參數(shù),旨在為今后厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動提供參考和依據(jù)。它們分別為厭氧氨氧化菌16SrRNA基因拷貝數(shù)的變化(C0)、硝酸鹽氮(NO3--N)的生成量(δN)、pH值的變化、ORP的變化以及污泥性狀的變化。
　　(4)從微生物生態(tài)學(xué)的角度,應(yīng)用T-RFLP技術(shù)探討了厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動過程中目標(biāo)菌群(厭氧氨氧化菌)和總細(xì)菌群落組

8、成的動態(tài)演替。厭氧氨氧化特異性T-RFLP分析結(jié)果顯示,Brocadia屬隨著反應(yīng)器的運(yùn)行逐漸得到富集,并成為優(yōu)勢菌群。另外,從總細(xì)菌T-RFLP分析結(jié)果可以看出,反應(yīng)器啟動過程中微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化,末端片段長度320bp的出現(xiàn)和相對豐度的不斷增加,預(yù)示著厭氧氨氧化菌的不斷積累。進(jìn)一步對啟動過程中微生物多樣性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,香農(nóng)-維納指數(shù)分析結(jié)果顯示,在反應(yīng)器啟動過程中微生物群落多樣性逐漸降低;主成分分析結(jié)果顯示,在反應(yīng)器啟