城市污水處理過程硝化菌群功能與群落特征研究.pdf

1、本研究中首先設(shè)計和優(yōu)化了針對污水處理系統(tǒng)氨氧化細菌（Ammoni Odxidizing Bacteria，AOB）和亞硝酸鹽氧化細菌（Nitrite Oxidizing Bacteria NOB）分析的DGGE和Real—Time PCR技術(shù)，可分別用于AOB和NOB菌群（包括Nitrospira和Nitrobacter兩類）菌群結(jié)構(gòu)和群落密度的分析。實驗中采取嵌套式擴增的方法，利用Nitrospira和Nitrobacter菌群16S

2、rDNA保守區(qū)域設(shè)計和篩選了引物序列，用于DGGE可分離片段的擴增實驗；還設(shè)計了Nitrobacter菌群Real—Time PCR定量測定方案，此外還對文獻報道的硝化細菌分析方法進行了優(yōu)化。結(jié)果證實，通過以上方法可以有效地對污水處理樣品中硝化細菌的特定核酸片段進行擴增和密度測定，能夠獲取污泥或生物膜樣品中特定功能細菌群落的組成特征和密度信息。 利用建立的方法對幾種新型的污水處理系統(tǒng)的硝化過程和硝化細菌群落進行了分析，包括好氧

3、顆粒污泥系統(tǒng)、兩級生物濾池系統(tǒng)、AmOn一體化處理系統(tǒng)和化學生物絮凝處理工藝。研究中發(fā)現(xiàn)，前三種處理系統(tǒng)均具有一定的同步硝化反硝化（Simultaneous Nitrification and Denitrification，SND）效果。 在好氧顆粒污泥實驗中，利用厭氧顆粒污泥作為接種污泥在40～60天內(nèi)可成功培養(yǎng)出好氧顆粒污泥，平均顆粒尺寸在1．9～2．3mm左右。利用人工合成廢水和實際污水作為研究對象，先后試驗了合成廢水

4、啟動、碳氮比、運行周期、運行溫度、曝氣強度、原污水溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）控制啟動等運行條件，此外還與活性污泥工藝進行了對比研究。結(jié)果表明：（1）主要的運行參數(shù)對于好氧顆粒污泥的SND性能均有影響。優(yōu)化后的碳氮比條件為5/1～7/1；運行周期為4小時；DO濃度約為1．2～0．5mg/L。優(yōu)化條件下，好氧顆粒污泥對CODCr、氨氮和總氮的去除率分別可達75％，76％，和58％左右；（2）與傳統(tǒng)活性污泥相比，好氧顆粒

5、污泥的結(jié)構(gòu)特征使其具有更好的SND效果。（3）在啟動過程中通過高氨氮濃度和DO控制可以達到亞硝酸鹽的穩(wěn)定積累并促使反硝化過程通過亞硝酸鹽的途徑進行。（4）同步進行的微生物群落分析表明，主要運行參數(shù)的調(diào)節(jié)會對硝化菌群的結(jié)構(gòu)組成以及密度水平產(chǎn)生影響，且變化規(guī)律較為復(fù)雜。AOB菌群中優(yōu)勢菌株主要屬于Nitrosomonas屬；NOB中，Nitrospira為主要的類別，Nitrobacter類的密度比Nitrospira類低一個數(shù)量級左右，并

6、且在各種運行條件變化過程中，Nitrobacter類的變化程度較小，AOB與Nitrospira的動態(tài)變化更加明顯。 在兩級生物濾池研究中，通過在首級生物濾池中的DO限制，可以達到一定水平的SND作用。在人工合成污水的條件下，試驗了碳氮比和曝氣強度的影響，試驗表明：（1）較好的碳氮比和DO濃度分別為5/1和1．6～0．8mg/L，在優(yōu)化的條件下，兩級生物濾池對CODCr、氨氮和總氮的去除率分別可達79％，91％和76％。（2）

7、一級和二級生物濾池中會形成各具特征的硝化菌群結(jié)構(gòu)，當DO超過1．6mg/L，硝化菌群的結(jié)構(gòu)變化顯著；在一級生物濾池中，AOB和NOB菌群在特定的碳氮比范圍內(nèi)會保持一定的穩(wěn)定，Nitrobacter菌群的穩(wěn)定性比Nitrospira菌群高。 在AmOn處理工藝實驗中，重點考察了懸浮填料填充比對于污染物去除效果和硝化菌群的影響。實驗表明，AmOn一體化的運行方式能夠形成特定的硝化細菌群落結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢菌株，Nitrosomonas和N

8、itrospira屬分別為主要的AOB和NOB菌屬。懸浮填料填充比的改變能夠明顯影響硝化菌群的結(jié)構(gòu)，且相對于AOB菌群和Nitrobacter菌屬，Nitrospira菌群結(jié)構(gòu)的改變更為明顯。 在化學生物絮凝處理工藝中，發(fā)現(xiàn)硝化懸浮填料塔中AOB菌群多樣性較為豐富，在不同的氣水比和水力停留條件下，懸浮填料塔中的AOB菌群顯示出較好的穩(wěn)定性。 研究的中討論了城市污水處理廠污泥中三種常見的金屬離子Mn2+，Cu2+和Cr

9、6+對活性污泥、顆粒污泥和生物膜三種不同特征的生物固體硝化代謝過程的影響。實驗發(fā)現(xiàn)：（1）對于三種金屬離子的影響，不同生物固體類型對金屬離子抑制敏感性順序為：活性污泥>好氧顆粒污泥>填料生物膜，表明生物固體的結(jié)構(gòu)特征對于金屬離子的抑制具有一定的減弱作用；在受到?jīng)_擊后的恢復(fù)速度上，填料生物膜和顆粒污泥也具有優(yōu)于活性污泥的表現(xiàn)。不同金屬離子的抑制水平大小順序為：Cr6+> Cu2+>Mn2+；在長期Mn2+離子培養(yǎng)后，抑制作用普遍減弱，而在

10、Cu2+和Cr6+長期培養(yǎng)后則會出現(xiàn)強化的趨勢。（2）硝化細菌群落多樣性會在金屬離子高濃度培養(yǎng)下逐漸下降，其細菌密度也會呈下降趨勢，總體上而言，活性污泥中AOB菌群密度下降程度最高，生物膜和顆粒污泥中略低。 研究中還將經(jīng)典的Monod模型和硝化菌群結(jié)構(gòu)特征分析結(jié)合起來，選取具有代表性的城市污水處理系統(tǒng)的不同生物固體樣品，測定氨氮氧化和亞硝酸鹽氧化模型中的最大比增長速率常數(shù)、半速率常數(shù)和自由銨（Feee Ammonia FA）抑