高氨氮和高鹽化工廢水處理的生物強(qiáng)化機(jī)理及其分子生態(tài)學(xué)研究.pdf

1、目前，我國(guó)的環(huán)保形勢(shì)依舊嚴(yán)峻，傳統(tǒng)的水處理工藝已無(wú)法應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的污染現(xiàn)狀和逐漸提高的排放標(biāo)準(zhǔn)。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)效能，生物強(qiáng)化被引入污水處理中。然而，強(qiáng)化過(guò)程中菌群變化的未知性制約了其廣泛應(yīng)用。
　　本研究設(shè)計(jì)并完成了針對(duì)高氨氮廢水和高鹽難降解化工廢水處理的生物強(qiáng)化方案，采用分子生態(tài)學(xué)手段對(duì)強(qiáng)化過(guò)程中的相關(guān)功能菌群進(jìn)行分析，探討菌群豐度、組成與代謝的耦聯(lián)關(guān)系及關(guān)鍵控制因子，為實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。
　　采用馴化獲得的氨氧

2、化細(xì)菌(ammonia-oxidizing bacteria，AOB)為主體的短程硝化菌劑對(duì)高氨氮廢水進(jìn)行生物強(qiáng)化。
　　在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模SBR裝置中進(jìn)行持續(xù)120天的自養(yǎng)馴化實(shí)驗(yàn)，探討高濃度氨氮底物、低濃度溶解氧、高溫等控制因子對(duì)短程硝化的影響程度。測(cè)定底物與產(chǎn)物變化，計(jì)算不同階段的氨氮去除效率和亞硝酸鹽積累率，結(jié)合生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)分析得出，高溫可能造成短程硝化不徹底，低溶氧會(huì)影響脫氨效率，而利用高氨氮底物濃度結(jié)合堿性pH值造成的游離氨抑

3、制是實(shí)現(xiàn)短程硝化的合理控制因子。對(duì)游離氨控制階段的一個(gè)周期進(jìn)行監(jiān)控也證明了這一結(jié)論。各階段樣品進(jìn)行DGGE檢測(cè)及聚類(lèi)分析、PCA分析和多樣性指數(shù)分析，確定游離氨也是短程硝化中控制AOB菌群多樣性的關(guān)鍵因子。qPCR檢測(cè)顯示，AOB豐度提高20倍以上，占總菌群75.6％;亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(nitrite-oxidizing bacteria，NOB)在系統(tǒng)中被淘汰，形成完全短程硝化;同時(shí)關(guān)注了這一過(guò)程中氨氧化古菌(ammonia-oxid

4、izing archaea，AOA)的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)同樣具有氨氧化功能的AOA隨著馴化逐漸減少，證明短程硝化主要由AOB而不是AOA驅(qū)動(dòng)。
　　采用上述得到的游離氨抑制策略進(jìn)行30天的短期馴化，獲得的短程硝化菌劑從氨氮去除效率、亞硝酸鹽積累率、及AOB豐度方面考量均達(dá)到長(zhǎng)期馴化同等水平，同時(shí)縮短了培養(yǎng)時(shí)間、提高了效率。采集了短程硝化菌劑實(shí)物與掃描電鏡照片。針對(duì)16SrDNA片段的DGGE分析和針對(duì)氨氧化功能基因amoA片段的克隆文

5、庫(kù)和T-RFLP分析均顯示，短程硝化菌劑中AOB群落結(jié)構(gòu)以Nitrosomonas屬為優(yōu)勢(shì)菌群，Nitrosospira屬含量較少且變化較大，未發(fā)現(xiàn)Nitrosococcus屬。同時(shí)，采用BIOLOG生態(tài)板對(duì)體系中異養(yǎng)菌進(jìn)行分析，證明自養(yǎng)馴化降低異養(yǎng)菌的豐度和代謝多樣性。
　　采用微生物固定化策略，以短程硝化菌劑為接種物，對(duì)處理堿廠低碳高氨廢水的曝氣生物濾池進(jìn)行生物強(qiáng)化。
　　選擇特異性吸附氨氮的沸石作為填料，提出了氨氧化細(xì)

6、菌生物沸石再生模型。對(duì)天然沸石改性處理，并進(jìn)行表征。X射線衍射分析顯示，改性不會(huì)改變沸石的基本晶體結(jié)構(gòu)。掃描電鏡觀察顯示，改性使沸石孔道開(kāi)放，比表面積增大。X射線熒光光譜分析顯示，改性后沸石主要成分比例不變，重金屬離子去除。上述表征結(jié)果證明，沸石在改性后更適合作為細(xì)菌固定化基質(zhì)。測(cè)定改性沸石在不同氨氮濃度下的飽和吸附量，擬合Freundlich和Langmuir吸附等溫線。改性沸石的氨氮吸附效能較之天然沸石有大幅提高，更有利于創(chuàng)造局部低

7、碳富氨微環(huán)境。
　　采用馴化體系實(shí)現(xiàn)短程硝化菌劑在沸石上的固定。掃描電鏡觀察顯示，沸石表面存在桿狀的氨氧化細(xì)菌，平面處散在可見(jiàn)，孔道處更易富集。通過(guò)序批式搖瓶實(shí)驗(yàn)測(cè)定掛膜生物沸石的氨氮去除效能，據(jù)此計(jì)算曝氣生物濾池的填料量和HRT。系統(tǒng)啟動(dòng)10 d后穩(wěn)定，平均氨氮去除效率為92.1％，平均亞硝酸鹽積累率為91.3％。增加COD負(fù)荷會(huì)使氨氮去除效率和亞硝酸鹽積累率迅速降低。
　　采用DGGE分析沸石表面AOB菌群結(jié)構(gòu)，證明沸石

8、作為AOB固定化基質(zhì)，本身對(duì)AOB群落不存在篩選作用。采用qPCR對(duì)總菌群、AOB和NOB的豐度進(jìn)行分析，結(jié)果表明，改性沸石上的總細(xì)菌豐度和AOB豐度均高于天然沸石，改性沸石上AOB占總菌群的比例高于接種污泥和改性沸石?？梢?jiàn)，沸石可作為氨氧化細(xì)菌特異性固定化基質(zhì)，改性有助于氨氧化細(xì)菌的固定。
　　采用土著耐鹽菌對(duì)高鹽難降解化工廢水進(jìn)行生物強(qiáng)化。
　　從工廠生產(chǎn)車(chē)間長(zhǎng)期污染的原位土壤中，以廢水中的主要污染物甲基磺酸鈉、二氯甲烷

9、、異丙醇為底物篩選得到三株降解菌。16S rDNA測(cè)序和構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)進(jìn)行種屬鑒定后，命名為Arthrobacter sp.NKAT3-1、Pseudomonas sp.NKAT3-2、Pseudomonas sp.NKAT3-3。采用搖瓶實(shí)驗(yàn)證明三株菌的降解能力和耐鹽能力。提取高鹽誘導(dǎo)下的菌體細(xì)胞內(nèi)容物，檢測(cè)Na+、K+、氨基酸和甜菜堿含量隨時(shí)間、鹽度和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的變化情況。從而證明了三株降解菌的耐鹽原理為積累相容性溶質(zhì)的策略:短期內(nèi)積

10、累K+，最終以氨基酸為主要相容性溶質(zhì)，營(yíng)養(yǎng)豐富時(shí)積累氨基酸衍生物。而外源提供相容性溶質(zhì)不能提高其耐鹽能力。培養(yǎng)三株耐鹽降解菌的發(fā)酵菌液共1.5 L，投入300 L接觸氧化系統(tǒng)小試裝置中，固定形成生物膜。跟蹤測(cè)定COD、NH4+-N、TP去除率，結(jié)果顯示生物強(qiáng)化使出水達(dá)到《天津市污水排放綜合標(biāo)準(zhǔn)(DB12/356-2008)》，COD去除率在90％以上。同樣方法擴(kuò)大培養(yǎng)菌劑對(duì)300 m3實(shí)際處理系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)化。采用T-RFLP對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定后成