復(fù)合鐵酶促活性污泥系統(tǒng)低溫脫氮機(jī)理研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展與人口數(shù)量的持續(xù)增加，我國(guó)水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，其根本原因是氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)量排放。2013年底，我國(guó)共有城鎮(zhèn)污水處理廠3515座，日處理能力達(dá)1.49億m3/d，其中90％以上采用活性污泥法處理工藝，但該工藝普遍存在操作穩(wěn)定性差、生物脫氮除磷能力差，尤其低溫條件下硝化能力差等問(wèn)題。因而開(kāi)發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)的污水脫氮除磷新技術(shù)迫在眉睫。
　　復(fù)合鐵酶促活性污泥技術(shù)以強(qiáng)化微生物活性為切入點(diǎn)，通過(guò)鐵介入微生物

2、生化反應(yīng)物質(zhì)及能量代謝過(guò)程，強(qiáng)化鐵參與電子傳遞作用及激活酶促反應(yīng)，以提高生物脫氮除磷效率，同時(shí)可優(yōu)化活性污泥絮體結(jié)構(gòu)，從而提高微生物抵抗外界環(huán)境因素變化的能力，有效地解決了生物脫氮除磷系統(tǒng)存在的諸多問(wèn)題。
　　本研究從微觀角度分析復(fù)合鐵酶促活性污泥系統(tǒng)中硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)與活性，揭示其低溫強(qiáng)化生物脫氮的原理，主要分為三部分:一是運(yùn)用Real-Time PCR與RFLP技術(shù)，研究低溫條件下復(fù)合鐵酶促活性污泥中AOB及NOB所占比例及群落

3、結(jié)構(gòu)多樣性;二是運(yùn)用微生物生長(zhǎng)曲線分析儀及Real-Time PCR技術(shù)等，考察在各溫度條件下鐵對(duì)AOB與NOB生長(zhǎng)水平及功能基因表達(dá)量的影響;三是分析在各溫度條件下鐵對(duì)AOB與NOB最大比增長(zhǎng)速率的影響。
　　研究結(jié)果表明:
　　(1)復(fù)合鐵酶促活性污泥中AOB與NOB所占比例均顯著提高，從功能微生物數(shù)量角度客觀反映了復(fù)合鐵酶促活性污泥硝化能力提高的直接原因。在12℃～13℃低溫條件下，以人工配水為處理對(duì)象的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，AO

4、B在復(fù)合鐵酶促活性污泥中所占的比例為2.544％，而在普通活性污泥中所占的比例僅為1.678％。NOB的優(yōu)勢(shì)菌種為Nitrospira，其在復(fù)合鐵酶促活性污泥中所占的比例為2.834％，而在普通活性污泥中所占的比例僅為1.693％;以實(shí)際生活污水為處理對(duì)象的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，AOB在復(fù)合鐵酶促活性污泥中所占的比例為0.281％，而在普通活性污泥中所占的比例僅為0.173％。NOB的優(yōu)勢(shì)菌種為Nitrobacter，其在復(fù)合鐵酶促活性污泥中所占比

5、例為1.968％，而在普通活性污泥中所占比例僅為1.414％;
　　(2)在以人工配水為處理對(duì)象，強(qiáng)化系統(tǒng)與對(duì)比系統(tǒng)的AOB克隆文庫(kù)豐富度指數(shù)分別為1.55和1.03，NOB優(yōu)勢(shì)菌種——Nitrospira克隆文庫(kù)豐富度指數(shù)分別為3.62和3.10;以實(shí)際生活污水為處理對(duì)象的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，強(qiáng)化系統(tǒng)與對(duì)比系統(tǒng)的AOB克隆文庫(kù)富度指數(shù)分別為2.84和2.58，NOB優(yōu)勢(shì)菌種——Nitrobacter克隆文庫(kù)豐富度指數(shù)分別為2.07和0.7

6、7，由此從AOB與NOB多樣性角度客觀反映了復(fù)合鐵酶促活性污泥抗低溫硝化功能強(qiáng)化的生物學(xué)原因;
　　(3)復(fù)合鐵酶促活性污泥系統(tǒng)硝化能力的提高與AOB優(yōu)勢(shì)菌群結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。分別以人工配水與實(shí)際生活污水為處理對(duì)象的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，復(fù)合鐵酶促活性污泥使具有較高氨氧化能力的OTU A-1代表菌種在AOB群落結(jié)構(gòu)組成中所占比例分別由39.58％增至67.67％、由39.58％增至60.42％，使具有較低氨氧化能力的OTU A-2代表菌種所占比例

7、分別由45.83％降至22.92％、由20.83％降至8.33％。同時(shí)，以人工配水與實(shí)際生活污水為處理對(duì)象，分別發(fā)現(xiàn)4種與8種OTUs所代表菌種僅出現(xiàn)在強(qiáng)化系統(tǒng)中，分別發(fā)現(xiàn)2種與7種僅出現(xiàn)在對(duì)比系統(tǒng)中;
　　(4)復(fù)合鐵酶促活性污泥系統(tǒng)硝化能力的提高與NOB優(yōu)勢(shì)菌群結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。以人工配水為處理對(duì)象的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，復(fù)合鐵酶促活性污泥使NOB優(yōu)勢(shì)菌種——Nitrospira中處于優(yōu)勢(shì)地位的OTU L-1代表菌種在Nitrospira群落

8、結(jié)構(gòu)組成中所占比例由39.58％增至58.33％，同時(shí)發(fā)現(xiàn)10種OTUs所代表菌種僅出現(xiàn)在強(qiáng)化系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)8種僅出現(xiàn)在對(duì)比系統(tǒng)中;以實(shí)際生活污水為處理對(duì)象的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，復(fù)合鐵酶促活性污泥使NOB優(yōu)勢(shì)菌種——Nitrobacter處于優(yōu)勢(shì)地位的OTU G-1代表菌種在Nitrobacter群落結(jié)構(gòu)組成中所占比例由48.94％增至68.09％，同時(shí)發(fā)現(xiàn)5種OTUs所代表菌種僅出現(xiàn)強(qiáng)化系統(tǒng)中;
　　(5)鐵可顯著促進(jìn)AOB與NOB的增殖，

9、在100mg/L范圍內(nèi)，隨著基質(zhì)含鐵量的增加，其達(dá)到穩(wěn)定期時(shí)細(xì)菌增殖率逐漸增加;
　　(6)鐵對(duì)AOB與NOB硝化能力有促進(jìn)作用。培養(yǎng)溫度為21℃、18℃、15℃、12℃時(shí)，AOB與NOB在含鐵培養(yǎng)基中比硝化速率相對(duì)于不含鐵培養(yǎng)基分別提高了38.7％、118.5％、174.5％、186.4％與64.4％、152.6％、160.1％、181.1％;
　　(7)鐵可促進(jìn)AOB功能基因amoA mRNA與NOB功能基因NxrA m

10、RNA的表達(dá)，并且隨著培養(yǎng)溫度的降低，其相對(duì)表達(dá)量不斷增大。在21℃、18℃、15℃、12℃的培養(yǎng)條件下，AOB在含鐵培養(yǎng)基中相對(duì)于在不含鐵培養(yǎng)基中的amoA mRNA表達(dá)量分別為1.647、1.765、1.803、2.014，NOB在含鐵培養(yǎng)基中相對(duì)于在不含鐵培養(yǎng)基中的NxrA mRNA表達(dá)量分別為2.014、2.676、2.732、2.868;
　　(8)鐵對(duì)AOB與NOB最大比增長(zhǎng)速率提高具有顯著的促進(jìn)作用。培養(yǎng)溫度為26℃

11、、21℃、18℃、15℃、12℃時(shí)，AOB在含鐵和不含鐵的培養(yǎng)基中最大比增長(zhǎng)速率μA值分別為0.956d-1、0.729d-1、0.555d-1、0.406d-1、0.284d-1和0.828d-1、0.626d-1、0.440d-1、0.333d-1、0.180d-1;培養(yǎng)溫度為30℃、21℃、18℃、15℃、12℃時(shí)，NOB在含鐵和不含鐵的培養(yǎng)基中最大比增長(zhǎng)速率分別為1.540d-1、0.835d-1、0.708d-1、0.498d