MgCl2和AlCl3对活性污泥产率的影响及微生物学机制

摘要

污泥产率系数指的是活性污泥降解单位有机质（BOD）时产生的污泥量，是衡量生物处理系统中剩余污泥量大小的关键指标。大量研究表明金属离子和污泥产率系数之间有相互联系，尽管金属离子在较高浓度下对活性污泥表现出的是抑制作用，但是大量前期实验显示，某些金属离子在一定的低浓度范围内却能够刺激污泥产率系数的增加，比如铝，镁，如果找到了金属离子和污泥产率系数之间的对应关系，则可通过改变废水中的金属离子含量，促进污泥产率系数的降低，达到污泥减量化的目的。自然水体中普遍含有镁。铝也会通过各种生产、生活环节进入污水系统，所以污水系统中镁、铝普通存在。因此，本文基于研究氯化镁（MgCl2）、氯化铝（AlCl3）的浓度变化对活性污泥的性质、污泥表观产率系数Yobs及胞外聚合物（EPS）的影响，向序批式活性污泥法（SBR）反应器中投加MgCl2、AlCl3，探讨投加MgCl2、AlCl3对SBR系统剩余污泥产量的影响以及活性污泥微生物群落结构的变化（AlCl3作用下）。 结果表明，MgCl2的浓度在5-10mg/L内，νq（污泥增长速率）、νm(挥发性污泥生长速率）和Yobs（污泥产率系数）随着MgCl2浓度的增加而增大；νq、νm和Yobs的最大值分别为716.33mg/L·d、900.5mg/L·d和1.8485mgMLVSS/mgBOD，此时MgCl2的浓度为10mg/L；当MgCl2浓度高于10mg/L时，νq、νm和Yobs开始降低。当MgCl2的浓度小于最大污泥产量对应浓度10mg/L时，反应器（R1）内COD平均去除率较高。并在5mg/L处，得到最高的COD去除率，为83.64%。AlCl3的浓度在5-15mg/L内，νm、Yobs随着AlCl3浓度的增加而增大，并在15mg/L处，达到最大；νm和Yobs的最大值分别为821.43mg/L·d、1.6283mgMLVSS/mgBOD。当AlCl3浓度高于15mg/L时，νm和Yobs开始降低。AlCl3的浓度小于最大污泥产量对应浓度15mg/L时，反应器（R2）内COD平均去除率较高。并在5mg/L处，得到最高的COD去除率，为90.34%。 综上所述，控制MgCl2浓度小于10mg/L、控制AlCl3浓度小于15mg/L，则可以避开最大污泥产率系数区间和微生物受抑制的区间，得到较高的COD去除率，达到污泥减量化的目的。 因为AlCl3、MgCl2浓度均为5mg/L时达到最高的COD去除率，其中AlCl3作用下的COD去除率为90.34%，大于MgCl2作用下的83.64%，所以AlCl3的含量相比MgCl2而言，则在追求最低污泥产量和最高COD去除率时显得更为关键。采用高通量测序技术对AlCl3作用下的微生物群落结构多样性进行了监测分析。结果显示，5mg/L的AlCl3作用下活性污泥菌群的物种丰富度较高，而135mg/L的AlCl3浓度则对活性污泥中某些种群微生物造成了抑制。门水平上，Proteobacteria（变形菌门）会适应AlCl3并且可以快速地繁殖；低浓度的AlCl3(5-35mg/L）对Patescibacteria有刺激性增长作用。纲水平上，AlCl3有刺激Alphaproteobacteria（α-变形菌纲）增长的作用；AlCl3抑制了Gammaproteobacteria（γ-变形菌纲）的生长。属水平上，投加AlCl3对Tolumonas（甲苯单胞菌属）和Aeromonas（气单胞菌属）等菌属有较强的抑制作用；而5mg/L的AlCl3对f_uncultured_gamma_proteobacterium_Unclassi-fied（f-不可培养-γ-变形菌-未分类）和f_Saccharimonadaceae_Unclassified等菌属有明显的促进作用。 AlCl3对门、纲、目水平的微生物类群数的影响较小，而对科、属、种则有明显的影响，其中对属水平的微生物类群数的影响最大。活性污泥中大多数菌属是适合在5mg/L的AlCl3中快速生长的，这可能是此时COD去除率达到最大的原因。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 活性污泥及处理处置技术

1.1.1 末端污泥处理处置技术

1.2 源头污泥减量化技术

1.3 金属离子对活性污泥的影响

1.3.1 金属离子与活性污泥活性

1.3.2 金属离子与活性污泥沉降性

1.3.3 金属离子与活性污泥胞外聚合物（ EPS）

1.3.4 氯化铝、氯化镁对活性污泥的影响研究现状

1.4 金属离子作用下活性污泥微生物群落结构

1.5研究内容和创新点

1.5.1 研究内容

1.5.2 本文创新点

第2章 实验材料与方法

2.1 实验材料与实验设计

2.1.1 接种污泥与实验废水

2.1.2 实验装置

2.1.3 工艺流程及说明

2.1.4 实验中参数的测定方法及实验仪器

2.1.5 实验试剂

2.2 实验检测项目及分析方法

2.2.1 MLSS、MLVSS、SVI的测定方法

2.2.2 COD的测定方法

2.2.3 活性污泥量的增长速率νq的测定

2.2.4 活性污泥中微生物的生长速率 νm的测定

2.2.5 Yobs的测定方法

2.2.6 EPS的测定方法

2.2.7 高通量测序的测定方法

第3章 氯化镁对活性污泥生长特性的影响

3.1 MgCl2对活性污泥体系中MLSS、MLVSS、Yobs的影响

3.2 MgCl2对活性污泥体系中SV30、SVI、EPS的影响

3.3 MgCl2对活性污泥体系中COD去除率的影响

3.4 本章小结

第4章 氯化铝对活性污泥生长特性的影响

4.1 AlCl3对活性污泥体系中MLSS、MLVSS、Yobs的影响

4.2 AlCl3对活性污泥体系中SV30、SVI、EPS的影响

4.3 AlCl3对活性污泥体系中COD去除率的影响

4.4 本章小结

第5章 氯化铝对活性污泥微生物群落结构的影响

5.1活性污泥中细菌菌群α多样性分析（Alpha Diversity）

5.1.1 多样性指数

5.1.2 样品代表性—稀释曲线

5.1.3 组间差异—OTU维恩图

5.2 活性污泥中细菌菌群分类组成分析

5.3活性污泥多样本β比较分析（Beta Diversity）

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录