生物净水工艺中微生物群落特征与处理效果研究

摘要

近年来，饮用水水源遭受微量有机物的污染。为了确保饮水安全，在有机污染物进入饮用水管网系统之前需要从原水中除去。然而，常规水处理工艺混凝、沉淀、过滤和消毒不能有效去除微量有害有机污染物，因此，自来水厂使用深度处理技术或对现有的处理单元升级来提高净水能力。在众多深度处理工艺中，生物处理技术作为经济有效和环境友好方法而倍受关注，它是依靠填料上生长的微生物群落分解代谢有机物进而达到有效除去水中有机污染物的目的。目前，有关生物处理技术的研究主要集中在工艺设计、运行参数、处理效果和影响因素上，而从微生物群落着手分析其结构、代谢功能及去除有机物等方面探讨净水效果的研究相对缺乏。本文以生物滤池（生物强化活性滤池和生物活性炭滤池）处理工艺作为研究对象，对启动和稳定运行阶段的微生物群落特征与处理效能开展了系统研究。
　　对生物活性炭滤池启动运行中微生物生物量、生物活性、代谢功能及水质指标进行连续动态分析，揭示了生物活性炭滤池微生物生长代谢规律与出水水质变化特征。通过不同挂膜时间微生物群落功能的主成分分析，提出微生物群落代谢功能达到稳定作为评价挂膜启动过程是否完成的重要标志，为指导生物活性滤池的自然挂膜启动和后续稳定运行提供理论依据。
　　在生物滤池稳定运行阶段，从微生物数量、细胞成分和生化代谢方面对不同生物滤池微生物生物量与活性的分布规律进行了全面研究，提出了最优解离载体颗粒上生物量的方法。四种生物滤池中生物量与活性呈显著的成层分布，随滤层深度增加而降低;四种生物滤池底层生物量差异较小，但生物活性差异较大。同一滤池深度，球状活性炭填料的生物量与活性均高于柱状活性炭填料，表明球状活性炭填料有利于生物膜的形成与稳定。
　　采用PCR-单链构象多态性技术和Biolog技术相结合的手段对生物净水工艺中的微生物群落结构和功能进行了分析，为饮用水处理生物滤池操作单元的功能解析和净水机理探讨提供技术支持。研究结果显示，进水水质是影响生物净水工艺中微生物群落结构和组成的重要因素，混凝与过滤工艺对水中微生物群落结构无明显影响。各生物滤池的微生物种群呈多样性，主要群落结构差异小，表明各生物滤池经过较长时间的运行，其中的微生物群落组成趋于一致。两生物强化滤池中微生物群落代谢特征相似，其碳源利用率分别为73.4％和75.5％。两生物活性炭滤池中微生物群落代谢特征存在明显差异，填充球状炭的生物活性炭滤池微生物群落碳源利用率79.6％高于填充柱状炭的生物活性炭滤池的54.8％(p＜0.01)。研究还发现，生物强化滤池中的填料对微生物群落代谢功能的影响较小，而生物活性炭滤池的球状活性炭填料有利于微生物群落生长繁殖，微生物群落有较强的代谢活性。
　　建立了从生物净水工艺中筛选有机污染物降解优势菌的评价体系，通过传统培养、细胞活性测定以及除污效果相结合的方法，从四个生物滤池中分离出28株优势菌，主要为巨大芽胞杆菌、短小芽胞杆菌、弗劳地枸橼酸杆菌、豚鼠气单胞菌、恶臭假单胞菌、肺炎克雷氏菌和粘质沙雷氏菌属。获得4株较高脱氢酶活性和除污能力的菌株，可作为饮水生物处理工艺中生物强化的菌种资源。应用PCR扩增方法对部分优势菌株进行对硝基苯酚和氯苯代谢相关功能基因的探查，为初筛特定有机污染物降解菌提供简便、快速的方法。
　　采用分子量分布和GC-MS检测等手段，研究了长江南京段原水中有机物组成和特性，并对生物滤池工艺去除有机物的效能进行综合评价，结果表明:长江南京段原水中的溶解性有机物主要由分子量小于1K的有机物构成，占溶解性有机物总量的48％～60％。水源水中检出微量有机物94种，以烷类、脂类、苯环类、酮类及酚类有机物为主，这些有机物质的总量约占总的微量有机物的90％以上。从不同分子量区间有机物的去除效果来看，各生物滤池能有效的去除分子量在10KD以下的有机物，对低分子有机物的去除优于高分子有机物，填充球状炭的生物强化滤池对低分子有机物的去除率比填充柱状炭的生物强化活性滤池高，生物活性炭滤池对低分子有机物的去除率也具有同样的规律。从有机物污染综合指标（CODMn、UV254和BDOC）的去除率来看，两生物强化滤池间无显著性差异(p＞0.05)。而在两种生物活性炭滤池中，球状炭生物滤池对CODMn和BDOC去除效果优于柱状炭生物滤池（p＜0.05）。在此基础上，进一步考察了填充球状炭的生物活性炭滤池和生物强化滤池工艺对微量有机物去除效率，结果显示它们对微量有机污染物的去除率分别为73.8％和47.2％。
　　由于长江南京段原水中微量有机污染物主要以小分子的形式存在，易于被生物滤池中的微生物利用，从而使微量有机污染物得到有效的去除。因此，研究结果可为自来水厂进行常规工艺的改造来处理微有机污染物原水提供理论依据。

目录

声明

摘要

缩略词注释表

第一章 绪论

1 水体与饮用水污染现状

1．1 有机污染物

1．2 重金属污染物

1．3 生物污染物

2 饮用水处理技术

2．1 常规处理工艺

2．2 预处理技术

2．3 强化常规处理技术

2．4 深度处理技术

2．5 净水工艺集成技术

3 课题背景及主要研究内容

3．1 课题背景

3．2 主要研究内容

参考文献

第二章 试验装置与启动运行

第一节 试验装置设计和原水水质特征

1 概况

2 试验装置设计

3 活性炭的性能参数

4 原水水质特征

参考文献

第二节 生物滤池启动运行的试验研究

1 材料与方法

2 结果

3 讨论

参考文献

第三章 生物滤池中的生物量与生物活性

1 材料与方法

1．1 试验材料

1．2 样品采集

1．3 样品处理

1．4 生物量和生物活性测定方法

1．5 统计分析

2 结果

2．1 不同生物膜洗脱方法的比较

2．2 HPC生物量分布

2．3 Lipid-P生物量分布

2．4 脱氢酶活性分布

2．5 HPC生物量、Lipid-P生物量与DHA活性之间关系

3 讨论

4 结论

参考文献

第四章 生物净水工艺中微生物群落结构与功能分析

第一节 生物净水工艺中微生物群落结构

1 材料与方法

2 结果与讨论

3 结论

参考文献

第二节 生物净水工艺中微生物群落功能分析

1 材料与方法

2 结果与讨论

3 结论

参考文献

第五章 生物滤池中优势菌分离和特性分析

1 材料与方法

1．1 试验材料

1．2 方法

2 结果

2．1 优势菌的筛选与鉴定

2．2 优势菌的脱氢酶活性测定

2．3 优势菌株除污效果

2．4 对硝基苯酚和氯苯代谢相关双加氧酶基因的初探

3 讨论

4 结论

参考文献

第六章 净水效果研究

1 材料与方法

1．1 试验材料

1．2 试验方法

2 结果与讨论

2．1 两种生物强化滤池的处理效果

2．2 两种生物活性炭滤池处理效果

2．3 水源水有机物分子量分布与生物滤池去除效果

2．4 生物滤池工艺对微量有机污染物去除

3 结论

参考文献

结论与建议

1 结论

2 论文创新点

3 建议

综述 环境微生物群落的研究方法

致谢

攻读博士生学位期间发表的论文及参加的科研项目