高氨氮和高鹽化工廢水處理的生物強化機理及其分子生態(tài)學研究.pdf

1、目前，我國的環(huán)保形勢依舊嚴峻，傳統(tǒng)的水處理工藝已無法應對日益嚴重的污染現(xiàn)狀和逐漸提高的排放標準。為了進一步提高系統(tǒng)效能，生物強化被引入污水處理中。然而，強化過程中菌群變化的未知性制約了其廣泛應用。
　　本研究設計并完成了針對高氨氮廢水和高鹽難降解化工廢水處理的生物強化方案，采用分子生態(tài)學手段對強化過程中的相關功能菌群進行分析，探討菌群豐度、組成與代謝的耦聯(lián)關系及關鍵控制因子，為實際應用提供了理論依據(jù)。
　　采用馴化獲得的氨氧

2、化細菌(ammonia-oxidizing bacteria，AOB)為主體的短程硝化菌劑對高氨氮廢水進行生物強化。
　　在實驗室規(guī)模SBR裝置中進行持續(xù)120天的自養(yǎng)馴化實驗，探討高濃度氨氮底物、低濃度溶解氧、高溫等控制因子對短程硝化的影響程度。測定底物與產(chǎn)物變化，計算不同階段的氨氮去除效率和亞硝酸鹽積累率，結合生長動力學分析得出，高溫可能造成短程硝化不徹底，低溶氧會影響脫氨效率，而利用高氨氮底物濃度結合堿性pH值造成的游離氨抑

3、制是實現(xiàn)短程硝化的合理控制因子。對游離氨控制階段的一個周期進行監(jiān)控也證明了這一結論。各階段樣品進行DGGE檢測及聚類分析、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菌群多樣性的關鍵因子。qPCR檢測顯示，AOB豐度提高20倍以上，占總菌群75.6％;亞硝酸鹽氧化細菌(nitrite-oxidizing bacteria，NOB)在系統(tǒng)中被淘汰，形成完全短程硝化;同時關注了這一過程中氨氧化古菌(ammonia-oxid

4、izing archaea，AOA)的變化趨勢，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驅動。
　　采用上述得到的游離氨抑制策略進行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豐度方面考量均達到長期馴化同等水平，同時縮短了培養(yǎng)時間、提高了效率。采集了短程硝化菌劑實物與掃描電鏡照片。針對16SrDNA片段的DGGE分析和針對氨氧化功能基因amoA片段的克隆文

5、庫和T-RFLP分析均顯示，短程硝化菌劑中AOB群落結構以Nitrosomonas屬為優(yōu)勢菌群，Nitrosospira屬含量較少且變化較大，未發(fā)現(xiàn)Nitrosococcus屬。同時，采用BIOLOG生態(tài)板對體系中異養(yǎng)菌進行分析，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，對處理堿廠低碳高氨廢水的曝氣生物濾池進行生物強化。
　　選擇特異性吸附氨氮的沸石作為填料，提出了氨氧化細

6、菌生物沸石再生模型。對天然沸石改性處理，并進行表征。X射線衍射分析顯示，改性不會改變沸石的基本晶體結構。掃描電鏡觀察顯示，改性使沸石孔道開放，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。上述表征結果證明，沸石在改性后更適合作為細菌固定化基質。測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菌，平面處散在可見，孔道處更易富集。通過序批式搖瓶實驗測定掛膜生物沸石的氨氮去除效能，據(jù)此計算曝氣生物濾池的填料量和HRT。系統(tǒng)啟動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負荷會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菌群結構，證明沸石

8、作為AOB固定化基質，本身對AOB群落不存在篩選作用。采用qPCR對總菌群、AOB和NOB的豐度進行分析，結果表明，改性沸石上的總細菌豐度和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?？梢姡惺勺鳛榘毖趸毦禺愋怨潭ɑ|，改性有助于氨氧化細菌的固定。
　　采用土著耐鹽菌對高鹽難降解化工廢水進行生物強化。
　　從工廠生產(chǎn)車間長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測序和構建系統(tǒng)進化樹進行種屬鑒定后，命名為Arthrobacter sp.NKAT3-1、Pseudomonas sp.NKAT3-2、Pseudomonas sp.NKAT3-3。采用搖瓶實驗證明三株菌的降解能力和耐鹽能力。提取高鹽誘導下的菌體細胞內容物，檢測Na+、K+、氨基酸和甜菜堿含量隨時間、鹽度和營養(yǎng)物質的變化情況。從而證明了三株降解菌的耐鹽原理為積累相容性溶質的策略:短期內積

10、累K+，最終以氨基酸為主要相容性溶質，營養(yǎng)豐富時積累氨基酸衍生物。而外源提供相容性溶質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。跟蹤測定COD、NH4+-N、TP去除率，結果顯示生物強化使出水達到《天津市污水排放綜合標準(DB12/356-2008)》，COD去除率在90％以上。同樣方法擴大培養(yǎng)菌劑對300 m3實際處理系統(tǒng)進行強化。采用T-RFLP對系統(tǒng)穩(wěn)定后成