电化学技术强化厌氧氨氧化细菌活性研究

摘要

以厌氧氨氧化技术为核心的脱氮工艺已逐渐成为污水处理领域的研究热点。与传统的硝化反硝化工艺相比，厌氧氨氧化工艺具有经济、节能、高效和环境友好的特点。然而，由于厌氧氨氧化细菌倍增时间长、生长缓慢，导致厌氧氨氧化工艺启动时间过长的缺点已成为该工艺大规模快速应用于实际废水脱氮的较大阻碍。因此，本文试图寻求一些快速有效的方法促进厌氧氨氧化细菌的活性，进而加快细菌的生长速率以达到快速启动厌氧氨氧化工艺的目的。本文旨在通过电化学技术强化厌氧氨氧化细菌的活性，重点考察了包括静电场、电极生物膜等方式耦合厌氧氨氧化脱氮工艺的可能性，并对其作用机理进行了深入的探索。本论文主要内容包括以下几个方面。
　　(1)利用合适的静电场施加于厌氧氨氧化反应器，促进了厌氧氨氧化细菌的活性，取得了良好的脱氮效果。当静电场强度为2 V/cm，电场总作用时间为18h/day，电场连续作用时间和间歇时间分别为9h和3h时，经过160天的培养，厌氧氨氧化反应器的脱氮效率提高了39％。静电场强度过大或者作用时间过长都会对厌氧氨氧化细菌的活性产生抑制，但是当静电场撤除之后，厌氧氨氧化细菌的活性可以缓慢恢复。对静电场施加前后的反应器内菌种进行分析发现，外加静电场会导致厌氧氨氧化细菌的细胞结构发生明显的不规则变化，细胞色素c酶链式反应显示这种不规则变化可能使厌氧氨氧化小体内部的细胞色素c的储存量增加。
　　(2)通过将三电极应用于厌氧氨氧化反应器，构建了三电极生物膜体系，提高了厌氧氨氧化细菌的挂膜性能，取得了良好的脱氮效果。实验表明，在三电级生物膜体系中，合适的电极电势也能增强厌氧氨氧化细菌的活性。当工作电极与参比电极之间的电势差为0.08 V时，三电极厌氧氨氧化反应器具有最好的脱氮效率，但是电极电势超过0.08V可能会抑制厌氧氨氧化细菌的活性。当电极电势为0.08 V，运行时间达到188天时，三电极厌氧氨氧化反应器的氮去除率达到了0.91 kg-N/m3/d，相比对照反应器提升了27.2％。三电极生物膜体系改变了厌氧氨氧化细菌的菌胶团胞外聚合物的含量，也改变了胞外聚合物中蛋白和多糖的百分比。通过对不同反应器的菌种分析发现，三电极体系导致厌氧氨氧化细菌的关键酶肼脱氢酶(Hydrazine Hehydrogenase，HDH)，硝酸盐还原酶(Nitrate Reductase，NAR)和亚硝酸盐还原酶(Nitrite Reductase，NIR)活性分别增强了20％-50％。并且经过长期培养之后发现，三电极反应器中的厌氧氨氧化细菌16S rRNA拷贝数也增加了20.4％。不仅如此，透射电子显微镜（Transmission ElectronMicroscope，TEM）也显示，三电极生物膜体系同样导致了厌氧氨氧化细菌结构的不规则变化。
　　(3)针对电极生物膜厌氧氨氧化细菌挂膜性能差的缺点，利用还原态氧化石墨烯(Reduced Graphene Oxide，RGO)对电极进行改性，并将改性电极应用于电极生物膜厌氧氨氧化反应器取得了比较好的脱氮效果。实验发现，RGO的加入能促进厌氧氨氧化细菌及其关键酶的活性。100 mg/L的RGO的加入导致厌氧氨氧化细菌的活性增强了17.2％。并且通过实验发现，RGO的加入能极大的加快细菌关键酶酶促反应速率，这是因为RGO具有比辅酶Q更强的电子传递能力，RGO能加快甚至能代替辅酶Q参与酶促反应。以活性污泥为种泥启动厌氧氨氧化反应器实验表明，100 mg/L RGO可以明显加快厌氧氨氧化细菌的生长速率，最终将厌氧氨氧化反应器的启动周期减少了26.9％。实验还发现可以通过化学方法将RGO用于修饰电极，将RGO/PPy电极应用于电极生物膜厌氧氨氧化工艺提高了37.5％的厌氧氨氧化脱氮效率。
　　(4)针对厌氧氨氧化工艺出水中存在硝氮的缺点，利用电极生物膜阴极附着自养反硝化细菌能够在不添加有机物的情况下去除硝氮的特性，构建了电极生物膜-厌氧氨氧化-自养反硝化耦合体系，并取得了良好的脱氮效果。耦合自养工艺的最佳工作电压为1.5 V。通过调整耦合工艺进水亚硝氮和氨氮的比例，可以取得更好的脱氮效果。当进水比例调整为1.5时，耦合工艺的氮去除效率最高达到了99.1％，其中厌氧氨氧化细菌和反硝化细菌分别承担的总氮去除比例为79.4％和19.7％。耦合反应器中菌种分析发现，厌氧氨氧化细菌和自养反硝化细菌分别占反应器总菌群的43.9％和22.4％。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 水体中的氮污染及其危害

1．2 废水生物脱氮技术及其工艺

1．2．1 传统生物脱氮技术及其工艺

1．2．2 新型生物脱氮技术及工艺

1．3 厌氧氨氧化研究进展

1．3．1 厌氧氨氧化原理

1．3．2 厌氧氨氧化细菌的发现与研究现状

1．3．3 厌氧氨氧化细菌生化反应模型

1．3．4 厌氧氨氧化细菌生理学特性

1．3．5 厌氧氨氧化细菌的分类

1．3．6 厌氧氨氧化在全球氮循环中的意义

1．3．7 基于厌氧氨氧化工艺基础之上的新型生物脱氮工艺

1．3．8 厌氧氨氧化工艺应用的障碍

1．4 电化学技术生物强化及其在废水处理中的应用

1．4．1 电化学生物强化的作用机制

1．4．2 电化学生物强化在污水处理中的应用

1．4．3 电化学生物强化的影响因素

1．5 研究的目的、意义和内容

1．5．1 研究目的和意义

1．5．2 研究内容

2 静电场对厌氧氨氧化工艺脱氮效率的影响

2．1 引言

2．2 实验材料和方法

2．2．1 序批式实验

2．2．2 连续实验

2．2．3 实验模拟废水水质

2．2．4 化学分析

2．2．5 透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope，TEM)分析

2．2．6 厌氧氨氧化细胞粗酶提取物的制备和关键酶活性的测量

2．2．7 16S rRNA分析

2．2．8 细胞色素c酶链式反应

2．2．9 荧光染料PI(碘化丙啶)染色和流式细胞仪分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 序批式实验考察外加静电场作用时间对厌氧氨氧化细菌活性的影响

2．3．2 序批式实验考察外加静电场强度对厌氧氨氧化细菌活性的影响

2．3．3 连续外加静电场施加对厌氧氨氧化细菌活性的抑制和恢复

2．3．4 静电场连续作用时间对厌氧氨氧化细菌活性的影响

2．4 本章小结

3 三电极电化学体系对厌氧氨氧化工艺脱氮效率的影响

3．1 引言

3．2 实验材料与方法

3．2．1 连续实验

3．2．2 实验模拟废水水质

3．2．3 化学分析

3．2．4 胞外多聚物的提取及化学分析

3．2．5 扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)分析

3．2．6 TEM分析

3．2．7 厌氧氨氧化细胞粗酶提取物的制备和关键酶活性的测量

3．2．8 16S rRNA分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 电极电势对厌氧氨氧化工艺脱氮效率的影响

3．3．2 电极电势对厌氧氨氧化细菌挂膜效率的影响

3．3．3 反应器运行期间细菌关键酶活性的变化

3．3．4 反应器运行期间细胞结构的变化

3．3．5 反应器运行期间16S RNA拷贝数的变化

3．4 本章小结

4 石墨烯对电极生物膜厌氧氨氧化工艺脱氮效率的影响

4．1 引言

4．2 实验材料和方法

4．2．1 序批式实验

4．2．2 连续反应器实验

4．2．3 RGO／PPy修饰碳纤维毡电极的制备

4．2．4 实验模拟废水水质

4．2．5 化学分析

4．2．6 SEM分析

4．2．7 TEM分析

4．2．8 荧光原位杂交(Fluorescence in situ hybridization，FISH)解析

4．2．9 厌氧氨氧化细胞粗酶提取物的制备和关键酶活性的测量

4．2．10 16S RNA分析

4．2．11 辅酶Q的萃取和测定

4．3 结果与讨论

4．3．1 RGO对厌氧氨氧化细菌比活性的影响

4．3．2 RGO对厌氧氨氧化细菌关键酶活性的影响

4．3．3 RGO影响HDH活性的机理研究

4．3．4 RGO快速启动厌氧氨氧化工艺研究

4．3．5 RGO／PPy修饰阴极应用于厌氧氨氧化脱氮工艺

4．4 本章小结

5 电极生物膜耦合厌氧氨氧化-自养反硝化工艺研究

5．1 引言

5．2 实验材料和方法

5．2．1 连续反应器实验

5．2．2 实验模拟废水水质

5．2．3 化学分析

5．2．4 SEM分析

5．2．5 TEM分析

5．2．6 16S rDNA分析

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 不同工作电压对单级电极生物膜耦合反应器的脱氮效率的影响

5．3．2 单级电极生物膜耦合反应器在最佳工作电压条件下的脱氮稳定性

5．3．3 调整进水浓度比例提高单级电极生物膜耦合反应器的氮去除效率

5．3．4 单级电极生物膜耦合反应器菌群细胞结构和群落结构的分析

5．4 本章小结

6 结论和展望

6．1 结论

6．2 创新点摘要

6．3 展望

参考文献

作者简介

攻读博士学位期间科研成果

致谢