大型城市污水处理厂EEs去除及低水温下生物增效研究

摘要

环境雌激素（EEs）是水环境中一类典型污染物，其显著特点是浓度低、毒副作用大，存在较大的生态安全隐患，已成为水环境生态保护的又一重要问题。城市污水处理厂(MWWTP)的出水是受纳水体补给的重要来源，亦是水环境中EEs污染物的主要来源之一。
　　论文以某大型MWWTP为研究对象，采用重组基因酵母法检测EEs活性、色谱-质谱联用技术(GC-MS)检测EEs浓度、16S rDNA-PCR扩增测序技术解析微生物群落多样性、PICRUSt软件系统预测微生物功能结构等研究，探讨活性污泥污水处理(AS)和污泥厌氧消化(AD)两种生物系统的EEs赋存、去除规律及微生物群落和功能信息。在低水温下，选用商用硝化菌作为增效剂，对AS系统进行强化试验研究，以考察低温生物增效技术对其硝化功能和EEs活性去除的影响。
　　重组基因酵母法、锦鲤卵黄蛋白原、雄性锦鲤性腺指数3种生物学检测方法对污水中EEs活性的检测结果一致，基于生物伦理和便于操控考虑，选用重组基因酵母法检测发现，污水样品中液相EEs活性当量占比为93.5％～97.7％。采用GC-MS对水样中EEs类化合物检测发现，样品中双酚A(BPA)、乙炔雌二醇(EE2)、雌酮(E1)和雌二醇(E2)的检出率分别为100％、33％、28％和17％，未检出4-正壬基酚(4-n-NP)和4-正辛基酚（4-n-OP），原污水、二沉池出水中BPA浓度分别为611～1420ng/L和110～406ng/L，以其作为EEs的主要代表化合物。
　　对不同季节的缺氧-厌氧-好氧(A2O)工艺AS系统的硝化能力、EEs活性去除能力和微生物信息研究发现，冬季低温时氨氮和EEs活性（以EEq计）去除率最低，分别为90.6％和76.9％，微生物丰富度和多样性指数也最低。不同季节的活性污泥中，微生物群落多样性差异较大，在“脂类代谢”和“外源性物质的生物降解和新陈代谢”等六个代谢子路径变化幅度大于5％，“氨基酸代谢”、“碳水化合物代谢”和“能量代谢”3个主代谢功能无明显差异(变化幅度小于5％)。
　　夏季不同工艺、污泥停留时间(SRT)和水力停留时间（HRT）的AS系统硝化能力和EEs活性去除能力大小依次为:A2O+接触氧化联合工艺（Ⅳ系列）＞长SRT和HRT的A2O工艺（Ⅴ系列）＞短SRT和HRT的A2O工艺(Ⅰ系列)。不同工艺、SRT和HRT的AS系统微生物群落多样性无明显差异。
　　基于已知8个雌激素降解酶的功能基因，利用已知EEs降解菌、Integrated Microbial Genomes&Microbiomes(IMG)系统和PICRUSt软件系统对不同季节活性污泥16S rDNA-PCR扩增测序结果进行大数据分析，提出“已知EEs降解菌丰度”、“群落优势菌预估的EEs降解功能指数”、“PICRUSt预测的EEs降解基因丰度”3种微生物群落EEs降解能力评估模型，以夏季不同工艺、SRT和HRT的AS系统（Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ系列）测序结果分析验证，PICRUSt预测的EEs降解基因丰度与实测的EEs活性二级去除效果一致，说明该模型适于评估AS系统微生物EEs降解能力。
　　混合污泥（初沉污泥+浓缩剩余污泥）经厌氧消化后的水相中氨氮、总磷和总氮浓度分别是消化前的31、48和23倍，而EEs活性略高于消化前，因此水相的回流不会加重AS系统的EEs负荷。AS与AD系统PICRUSt预测的EEs降解基因丰度分别为0.174％～0.183％和0.184％～0.202％，基因丰度相近，但因其所处生物反应条件不同，AS与AD系统的微生物群落多样性和主代谢功能“碳水化合物代谢”均存在较大差异。
　　基于以上研究，为提高污水处理厂对EEs的总去除率，在低水温下，选取对EEs活性去除效果较差的AS系统作为试验对象，选用商用硝化菌作为生物增效剂，进行硝化和EEs降解能力强化工程试验具有实际意义。在试验前、投料初期、末期，AS系统对EEs活性的二级去除率分别为84.1％、89.2％、89.2％，PICRUSt预测的EEs降解基因丰度分别为0.178％、0.185％、0.185％，硝化功能基因指数分别为0.30、0.33、0.36。试验前、后二沉池出水中氨氮浓度均值分别为15.6mg/L、4.37mg/L，亚硝态氮浓度均值分别为3.97mg/L、0.41mg/L，硝态氮浓度均值分别为5.48mg/L、15.45mg/L，氨氮和亚硝态氮浓度降低，硝态氮浓度升高。投加硝化菌对AS系统微生物的主要代谢功能、CODCr去除效果、污泥产率系数和微生物相等无显著影响，硝化类功能基因指数提高，亚硝态氮生物转化为硝态氮的能力提升。EC:1.14.13.-和E1.14.-.-是主要的BPA降解基因，菌剂的投加，AS系统微生物优势菌群中的BPA第ii类代谢途径的关键功能基因（E1.14.-.-和E4.2.1）指数升高。BPA污泥负荷由8.83ng BPA/kg MLSS·d上升至菌剂投加中期21.06ng BPA/kg MLSS·d时，仍能够保持较高的BPA二级去除率，BPA削减量为105.9g/d。
　　在EEs降解能力强化试验末期，初沉池发生异常扰动，造成AS系统挥发性污泥浓度(MLVSS)与污泥浓度(MLSS)比值由0.75降至0.57，MLSS由2000mg/L上升至4300mg/L。扰动后第12天Ⅰ系列二沉池出水氨氮为1.1mg/L，AS系统硝化能力恢复。
　　综上，在低水温下，采用硝化菌生物增效方法，能够提高大型城市污水处理厂AS系统的硝化能力，并能长期维持在较高水平;提升了对EEs活性的去除能力，增强了系统抗负荷扰动能力，缩短扰动后系统的恢复期，为生物增效技术应用提供了关键工程基础数据。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 污水中环境雌激素的来源和理化性质

1．2．1 污水中EEs的来源

1．2．2 污水中常见EEs的理化性质

1．3 污水中环境雌激素检测方法

1．3．1 样品的前处理

1．3．2 环境雌激素的化学检测方法

1．3．3 环境雌激素的细胞生物学检测技术

1．3．4 检测方法的选择

1．4 环境雌激素在污水处理中的去除研究

1．4．1 物理去除研究

1．4．2 生物降解机制研究

1．4．3 高级氧化技术

1．5 城市污水处理中环境雌激素的研究进展

1．5．1 环境雌激素的存在浓度、命运和去除效率研究

1．5．2 环境雌激素去除影响因素研究

1．5．3 环境雌激素降解菌和降解基因

1．5．4 生物增效技术研究

1．5．5 存在的问题

1．6 课题研究的意义和目的

1．7 研究的主要内容和创新点

2 试验设计与方法

2．1 工艺流程和样品采集

2．1．1 污水处理工艺概况

2．1．2 样品采集

2．2 实验仪器与设备

2．3 实验材料

2．4 分析方法

2．4．1 常规化验数据分析方法

2．4．2 环境雌激素的气质联合(GC-MS)检测方法

2．4．3 重组基因酵母法测定环境雌激素活性

2．4．4 污泥上清液成分分析

2．4．5 动物模型体内雌激素测定方法

2．5 生物增效试验设计

2．6 数据分析方法

2．6．1 污染物去除率、污泥负荷和水力停留时间的计算

2．6．2 污泥龄和产率系数的计算

2．6．3 预测环境雌激素活性

3 污水处理厂环境雌激素赋存及去除研究

3．1 不同环境雌激素分析方法对比研究

3．1．1 环境雌激素活性检测

3．1．2 GC-MS和重组基因酵母检测方法的比较

3．2 环境雌激素在污水液相和固相中分布

3．3 污水处理工段环境雌激素活性去除研究

3．3．1 常规污染物的去除率和运行参数研究

3．3．2 不同季节污水EEs活性去除研究

3．3．3 夏季不同AS系统对EEs活性的去除研究

3．4 污水处理过程中常见EEs化合物的分布

3．5 污泥厌氧消化处理系统对EEs去除研究

3．5．1 AD系统运行情况

3．5．2 厌氧消化前、后水相常规污染物指标和EEs活性分析

3．6 本章小结

4 污水、污泥生物处理系统微生物信息研究

4．1 实验方法介绍

4．1．1 DNA提取、16S rDNA的PCR扩增和测定

4．1．2 DNA测序及结果分析

4．1．3 群落功能分析

4．2 活性污泥污水处理系统微生物研究

4．2．1 不同季节性污泥污水处理系统微生物研究

4．2．2 夏季不同活性污泥污水处理系统微生物研究

4．3 微生物降解EEs能力评估模型的构建

4．3．1 已知EEs降解菌丰度评估模型

4．3．2 群落优势菌预估的EEs降解功能指数模型

4．3．3 PICRUSt预测的EEs降解基因丰度评估模型

4．3．4 评估模型的比较

4．3．5 PICRUSt预测的EEs降解基因丰度评估模型验证

4．4 污泥厌氧消化系统微生物研究

4．4．1 群落Alpha多样性指数分析

4．4．2 厌氧消化污泥OTU分析

4．4．3 PICRUSt的厌氧消化污泥EEs降解基因丰度预测

4．5 活性污泥与厌氧消化污泥微生物对比分析

4．5．1 优势菌群对比分析

4．5．2 预测功能及EEs降解基因分析

4．6 本章小结

5 污水处理厂生物增效试验研究

5．1 硝化能力强化试验研究

5．1．1 对AS系统硝化能力的影响

5．1．2 对pH值和总碱度影响

5．1．3 强化试验对AS系统硝化能力的持续影响

5．1．4 对AS系统污泥产率的影响

5．1．5 对硝态氮和亚硝态氮的影响

5．1．6 生物相变化观察分析

5．1．7 效益分析

5．2 EEs降解能力强化试验

5．2．1 对AS系统硝化能力的影响

5．2．2 对EEs去除的影响

5．2．3 对AS系统微生物群落结构的影响

5．2．4 对硝化类微生物和功能基因的影响

5．2．5 对活性污泥代谢功能的影响

5．2．6 活性污泥EEs降解基因丰度的变化

5．2．7 优势菌群BPA降解路径

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢