定向驯化和超声处理活性污泥加速喹啉的单加氧反应

摘要

喹啉(Quinolion)是典型的含氮杂环化合物，其分子结构式是由一个苯环和一个吡啶环耦合而成，属于难降解有机物。研究表明，喹啉生物反应的初始步骤是需要电子和氧气的两步单加氧反应(mono-oxygeantion reaction)，该反应是喹啉生物降解的控制步骤，且第二步比第一步慢。本课题首先针对这两步单加氧反应定向驯化活性污泥，得到针对两步单加氧反应特定的电子传输载体，从而加速喹啉的第二步单加氧反应；随后又采用超声波对污泥进行预处理，使其释放出胞内有机质来加速喹啉的单加氧反应。对两种定向培养的活性污泥进行高通量测序结果表明，两种活性污泥微生物群落多样性存在差异；对未处理和超声处理的污泥进行扫描电子显微镜观察发现，两种细胞形态有明显的差别；将经过超声处理的污泥与未处理的污泥混合可以明显地提高喹啉的生物降解速率，在此基础上提出了一级混合动力学模型。本课题取得的主要结论如下： (1)定向驯化的两种具有不同微生物群落的活性污泥，对其目标污染物具有加速降解特性，可以分别加速喹啉生物降解中的两步单加氧反应；并且当两种污染物同时存在于废水中时，定向驯化的活性污泥仍能优先降解目标污染物。经高通量测序分析两种污泥菌群多样性发现，以喹啉为目标污染物定向驯化的活性污泥菌群多样性稍低，并且优势菌种如热单胞菌属(Thermomonas)，红球菌属(Rhodococcus)占主体；而以2-羟基喹啉为目标污染物定向驯化的活性污泥菌群多样性更高，并且其中存在稀有菌种。 (2)由扫描电镜图可知，未经过超声处理的污泥细胞更加圆润光滑；而经过超声预处理的活性污泥细胞发生了不同程度的变形，细胞表面出现棱角。低强度的超声可以刺激污泥微生物活性，使得污泥的部分絮体和菌胶团破碎，微生物游离出来，底物和氧气的传输增强，在此过程中灭活和活化作用同时存在。所以超声处理过的污泥仍然能对喹啉进行生物降解，同时部分细胞破解并释放出有机质，增加水中溶解COD。 (3)通过超声处理和未处理污泥量的实验表明，污泥量在800mg/L到4000mg/L(干重)的范围内，喹啉的降解速率与污泥量成正比，并且随着污泥生物量的增加，超声处理的污泥加速效果比未处理的污泥加速效果更明显。 (4)添加超声处理污泥比加入外源电子草酸对喹啉生物降解速率的加速效果更明显。从电子当量的计算可知，加入18mL超声处理的污泥上清液相当于3.04mM的草酸。这一计算结果表明超声处理污泥可以作为一种更有效的外源电子供体加速喹啉生物降解速率，为今后工程实践提供理论基础。 (5)通过超声处理和未处理污泥混合降解喹啉的实验，发现在保证总污泥量一样的情况下，污泥混合降解喹啉的速率远远快于两种污泥单独降解速率，这是因为超声处理的污泥在此过程中不仅充当了电子供体的作用，同时部分细胞破碎释放出的胞内物质和酶也起到了生物催化作用，且混合污泥的降解速率与拟合的动力学模型相符。

目录

第1章 绪论

1.1 喹啉概述

1.2 含喹啉废水的处理技术

1.3 喹啉的好氧生物降解途径

1.4 超声处理活性污泥技术

1.5 本课题研究目的、意义及内容

1.6 本课题研究流程设计

第2章 定向加速喹啉单加氧反应

2.1 实验材料与方法

2.2 结果与讨论

2.3 本章小结

第3章 两种定向驯化的活性污泥种群多样性研究

3.1 高通量测序的实验方法与流程

3.2 高通量测序结果分析

3.3 本章小结

第4章 超声处理活性污泥在加速喹啉生物降解中的作用

4.1 材料与方法

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

第5章 超声处理污泥与外源电子释放有效电子当量的计算

5.1 材料与方法

5.2 结果与讨论

5.3 本章小结

第6章 处理和未处理污泥混合降解喹啉的协同作用

6.1 材料与方法

6.2 结果与讨论

6.3 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 本课题研究创新点

7.3 建议与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢