上流式厌氧污泥床(UASB)启动时其性能和不同相空间微生物群落变化研究

摘要

规模化养猪场废水产生量大，未经处理随意排放入环境中，对人体和生态环境危害极大。目前，处理高浓度有机废水的技术以低成本的厌氧方法为主，而最常用的厌氧工艺主要有以下几种:厌氧滤器(AF)、上流式厌氧污泥床(UASB)、复合厌氧反应器(UASB+AF)、两段厌氧消化法和升流式污泥床反应器(USR)等。UASB是现今污水反应器改良的创新源头，作为第一代厌氧反应器，近十年来一直是污水处理领域最重要的研究对象。在所有厌氧处理系统中，微生物对降低养殖场废水有机物含量，实现废水无害化起着重要作用。从20世纪70年代UASB反应器出现以来，对其微生物的研究一直集中在颗粒污泥上，以期了解其微生物间的关系，对开发维护反应器性能稳定的工程技术提供科学依据。但是，反应器的启动是形成颗粒污泥的关键因素，决定了反应器的稳定性和处理效率。同时，随着微生物的分子技术的发展，16S rRNA技术广泛应用于微生物菌群种类的研究，使微生物生态学不断在广度和深度上拓展。因此本论文从畜牧环境保护理念出发，用UASB厌氧处理猪场污水，研究反应器启动期间污水理化特性及不同相空间微生物的变化情况，以便为规模化猪场的厌氧反应器启动技术的改进研发提供理论依据。本试验通过监测UASB反应器启动期间不同相空间（三相分离器下的不同高度）废水水样CODtot、CODss、CODcol、CODsol这4种形式COD和TS、VS、TSS、VSS这4种形式污泥浓度及pH等指标的变化，研究UASB反应器不同相空间污染物分布情况，利用基于16S rRNA的Miseq高通量测序技术，研究、分析启动期间不同相空间猪场废水微生物群落结构及多样性，探讨启动期间反应器内部处理机制。本研究得出的结论如下:
　　(1) UASB反应器在常温下通过连续进水的方式，经过96天的启动阶段，达到稳定状态。启动过程经历了四个水力停留时间阶段，最终COD去除率达到80％以上，气体产率为0.8998L/L·d。启动过程中，每次降低水力停留时间后，COD去除率和气体产率均随之出现较大的波动，但运行一段时间后，恢复到稳定的水平。在启动期间，有机负荷不断升高，启动末期达到10.95kgCOD/(m3·d)。
　　(2) UASB反应器不同相空间COD的变化趋势在整个启动期间无规律，但到了接近稳定期时，CODss、 CODcol、CODsol会随着反应器的高度，处理效率不断增加，到了出水口的位置，达到最大。但位于三相分离器下端部分的COD处理效率会有部分降低。而出水口的CODtot处理效率能达到80％以上。
　　(3) UASB反应器不同相空间污泥浓度的变化趋势在整个启动期间都表现为底部浓度最高，达到50-60g/L，其余空间呈现不显著关系(P＞0.05)。悬浮性固体物质在整个启动期间出水口相比起进水口显著增多(P＜0.05)，说明UASB反应器能起到一定的排除悬浮固体物质的作用。
　　(4)从“门、纲、目、科、属”进行分析都显示，猪场废水的优势菌为拟杆菌。ABR池里的厌氧污泥的优势菌是甲烷菌和拟杆菌。UASB反应器的微生物来源于进水口的猪场废水和接种的厌氧污泥，经过反应器运行，进行群落更替后，反应器不同相空间优势菌种类无变化，只是在数量上有差异。不管在启动的哪个阶段，反应器内部不同相空间的微生物种类相似性均较高。在启动前期反应器内部水的流动较大，导致菌种在不同空间分布不同。另外，本试验检测出甲烷粒菌属于反应器启动初期优势菌，在此后，甲烷粒菌被冲刷在反应器外，推断甲烷粒菌附着在沉降性差的污泥上。但在启动完后，Methanosaetaceae（甲烷鬃菌科）主要富集在反应器底部，说明甲烷鬃菌科是构成颗粒污泥的优势菌。

目录

论文说明

声明

摘要

主要英文缩略词语

前言

1．文献综述

1．1 UASB反应器

1．2 UASB的启动

1．2．1 水质特性

1．2．2 操作条件

1．2．3 接种污泥特性

1．3 颗粒化

1．4 启动期间微生物研究

1．5 存在的问题及本研究切入点

1．6 本课题研究内容及技术路线

1．6．1 课题研究内容

1．6．2 技术路线

2 材料方法

2．1 试验材料

2．1．1 UASB设计

2．1．2 试验样品

2．1．3 主要试剂配制

2．1．4 试验仪器、设备

2．2 试验方法

2．2．1 UASB反应器启动

2．2．2 污水、厌氧污泥样品采集

2．2．3 废水水质指标测定

2．2．4 废水、厌氧污泥样品总DNA提取

2．2．5 基于16S rDNA V4区的高通量测序

2．2．6 基因序列分析

2．2．7 基于16S rDNA样品复杂度分析(Alpha diversity)

2．2．8 多样品比较分析(Beta diversity)

2．2．9 数据处理

3．结果与分析

3．1 UASB反应器的启动

3．1．1 UASB反应器启动阶段Ⅰ

3．1．2 UASB反应器启动阶段Ⅱ

3．1．3 UASB反应器启动阶段Ⅲ

3．1．4 UASB反应器启动阶段Ⅳ

3．2 UASB不同相空间COD和污泥浓度指标比较

3．2．1 每个阶段不同高度CODtot比较

3．2．2 不同高度CODss比较

3．2．3 不同高度CODcol比较

3．2．4 不同高度CODsol比较

3．2．5 不同高度TS比较

3．2．6 不同高度TSS比较

3．2．7 不同高度VS比较

3．2．8 不同高度VSS比较

3．3 UASB启动阶段微生物变化分析

3．3．1 OTU分类结果

3．3．2 物种分类、注释结果及优势菌种

3．3．3 物种丰度聚类分析

3．3．4 样品复杂度分析(Alpha diversity)

3．3．5 多样品间的比较分析(Beta diversity)

4．讨论

4．1 UASB反应器的启动

4．2 UASB反应器不同相空间COD和污泥浓度的变化趋势

4．3 UASB启动阶段的微生物变化分析

4．4 反应器启动阶段不同相空间的微生物种群分析

5．结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表文章