Ca(Ⅱ)介导的活性污泥微生物种群结构变化对活性污泥沉降性能的影响

摘要

活性污泥法是目前使用最广泛的废水生物处理技术。活性污泥沉降性能直接影响废水处理构筑物内是否持有稳定数量的微生物聚集体。在废水处理系统进水中添加适量Ca+，已成为改善活性污泥沉降性能的一种简单有效的方法。论文针对Ca2+改善活性污泥沉降性能的机理不清晰从而制约该工艺推广应用的问题，从反应器运行性能、活性污泥沉降性能以及微生物种群结构等角度出发，以变性梯度凝胶电泳(DenaturingGradient Gel Electrophoresis，DGGE)、Illunima高通量测序、实时荧光定量核酸扩增检测系统(Real-time Quantitative PCR Detecting System，Q-PCR)等技术手段，开展了外源Ca2+对反应器中活性污泥微生物群落演替、污泥中重要功能菌群解析的研究，得出以下研究结论:
　　1、以南京江心洲城市污水处理厂活性污泥（以下简称江心洲污泥）以及无锡芦村污水处理厂活性污泥（以下简称芦村污泥）为接种污泥，在进水中添加0-200 mg/LCa2+，污水处理反应器运行20 d达到稳定运行阶段。研究发现，进水中添加150 mg/LCa2+显著提高了污水生物处理系统中污泥的沉降性能以及污染物去除性能:接种江心洲污泥的反应器SVI从45 g/mL降至35 g/mL以下，总氮(Total nitrogen，TN)、氨态氮(Ammonia nitrogen，NH+4-N)、总磷(Total phosphorus，TP)以及COD的去除率分别达到70.7％、89.2％、71.0％和95.5％;接种芦村污泥的反应器SVI从45 g/mL降至40 g/mL，COD去除率达到96.8％。
　　2、在外源Ca2+的影响下，分别接种江心洲污泥和芦村污泥的2组模拟SBR中的活性污泥菌群结构均发生了明显演替，活性污泥中Clostridium，Flavobacteria和Rhodobacteraceae等能大量分泌胞外多聚物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)的菌在0-150 mg/L内随着Ca2+浓度升高逐渐富集。接种芦村污泥的序批式活性污泥反应器(Sequencing Batch Reactor，SBR)中还检测出能大量分泌EPS的细菌Acinetobacter以及在好氧活性污泥颗粒形成及稳定中起到重要作用的细菌Devosia以及Zoogloea，其相对丰度随着进水中Ca2+浓度增加而升高。
　　3、接种芦村污泥的SBR，当进水Ca2+浓度为200 mg/L时，活性污泥微生物种群多样性指数Shannon和Chao1显著下降到3.12和1074;检测到Bacillus和Pseudomonas等具有很强蛋白质水解活性的细菌大量富集。可能由于该类菌分泌的蛋白质水解酶，破坏了EPS与Ca2+的结合，导致活性污泥微生物种群多样性下降。
　　4、通过Q-PCR技术研究了外源Ca2+对活性污泥脱氮功能基因的影响，在进水中添加0-150 mg/L Ca2+，napA、nirK以及nosZ的拷贝数随着进水中Ca2+浓度的升高上升到2.45×106 Copies/mL、2.32×106 Copies/mL和8.00×104 Copies/mL。当进水中Ca2+浓度为150 mg/L时，活性污泥中脱氮功能菌大量富集，污水处理系统的NH+4-N以及TN的去除率分别达到最高值，91.1％和68.6％。
　　5、外源Ca2+导致污水处理反应器中微生物群落发生明显变化，随着进水中Ca2+的增加(150 mg/L)，能大量产生EPS的细菌在反应器中富集，促进了EPS与Ca2+的结合，从而形成细胞密度高、种群结构合理、沉降性能好的活性污泥絮体，使得活性污泥污水处理系统稳定运行并且具有优良的污染物去除效率。

目录

声明

论文说明

摘要

符号与缩略语说明

第一章 文献综述

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究背景

1．2 Ca2+改善活性污泥沉降性能的机理与研究进展

1．3 活性污泥微生物群落结构和多样性研究技术

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

1．4．3 技术路线

第二章 污水生物处理反应器运行性能

2．1 引言

2．2 实验装置与方法

2．2．1 实验装置

2．2．2 进水水质与接种污泥

2．2．3 分析测定方法

2．2．4 数据处理

2．3 结果分析

2．3．1 接种江心洲污泥的反应器运行性能

2．3．2 接种芦村污泥的反应器运行性能

2．4 讨论

2．5 本章小结

第三章 Ca2+对活性污泥群落结构及丰度的影响

3．1 引言

3．2．1 污泥样品

3．2．2 样品分析方法

3．2．3 数据处理

3．3 结果分析

3．3．1 Ca2+对接种江心洲污泥的SBR中活性污泥群落结构的影响

3．3．2 Ca2+对接种芦村污泥的SBR中活性污泥群落结构的影响

3．4 讨论

3．4．1 Ca2+对接种江心洲污泥的SBR中活性污泥群落结构的影响

3．4．2 Ca2+对接种芦村污泥的SBR中活性污泥群落结构的影响

3．4．3 Ca2+影响活性污泥沉降性能机理的探究

3．5 本章小结

第四章 Ca2+介导的活性污泥中脱氮功能基因的变化

4．1 引言

4．2．1 污泥样品

4．2．2 分析方法

4．3 结果分析

4．3．1 Ca2+对反应器脱氮性能的影响

4．3．2 反应器脱氮功能基因的变化

4．4 讨论

4．5 本章小结

第五章 全文结论及展望

5．1 全文结论

5．2 研究不足与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢