Cr(Ⅵ)对生物硝化过程和硝化菌群结构的影响机理研究

摘要

许多城市污水厂都接纳较大比例的工业废水,非正常情况下,工业废水中高浓度重金属的冲击负荷会严重影响生物处理中硝化过程的正常反应,造成出水氮化物浓度超标,并且这种抑制短期难以恢复。如何应对毒物负荷对生物处理系统的影响,是污水处理厂管理运行急需解决的难题之一。六价铬(Cr6+)是工业废水中典型的有毒有害重金属,本论文以Cr6+为抑制剂,采用静态实验、冲击负荷试验以及间歇式活性污泥法(SBR)反应器持续负荷试验的方法,研究了Cr6+对硝化过程和硝化菌群的影响。通过监测分析生物反应系统中各种硝化能力指标,微生物硝化活性指标,以及Cr6+在固液相的分布情况,研究了Cr6+对硝化菌反应速率的抑制机理。利用PCR-DGGE、FISH等分子生物学手段,初步分析了Cr6+抑制作用下的硝化菌群结构演变过程。
　　静态试验的结果表明,Cr6+对异养菌、氨氧化细菌(ammonia-oxidizingbacteria,AOB)、亚硝酸盐氮氧化细菌(nitrite-oxidizingbacteria,NOB)均有一定程度的抑制作用,抑制作用大小依次为AOB>NOB>异养菌,其中AOB与Cr6+接触2h既可被明显抑制。Cr6+在反应体系内的分配比例表明,Cr6+主要通过进入细胞内部与细胞内部物质发生反应来抑制微生物活性,其被微生物吸收速率较快,2h即有较大积累量。
　　Cr6+一次性冲击负荷的试验发现,Cr6+很快被微生物吸收积累,并且不易被释放出来,会对微生物产生持续毒性作用。异养菌在自然恢复条件下活性能够明显恢复,而AOB和NOB基本无恢复迹象。DGGE、FISH等分子生物技术检测发现,反应体系内大多数菌属在Cr6+抑制作用下失活死亡,只有少数耐毒性较强的AOB和NOB菌属在Cr6+抑制条件下能够存活。恢复阶段AOB的菌群数量有较小程度的增加,而NOB的菌群数量基本不变。
　　在SBR反应器的持续负荷试验中,异养菌受Cr6+(≤10mg/L)抑制程度较小且能快速适应;硝化菌受抑制程度较大,其中AOB的SOUR抑制率达到80％以上,硝化能力基本丧失。经过一段时间的自然恢复后,异养菌的活性基本恢复,而硝化菌的活性仅能缓慢恢复至一定程度,恢复速率大小为异养菌>AOB>NOB。DGGE和FISH的分析结果表明,在Cr6+的长期抑制下,只有少数的菌属有较强的耐毒性,能够保留下来;受到抑制后,AOB与NOB的菌群数量的恢复需要较长时间,恢复程度AOB>NOB。

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第一章 绪论

1.1 重金属污染问题

1.2 重金属对污水处理系统及其微生物的影响

1.3 重金属铬对环境影响的研究现状

1.4 现代分子生物学技术在生物处理过程中的研究应用

1.5 论文的研究目的、意义及研究内容

第二章 静态试验及冲击负荷试验中Cr6+对生物硝化的影响

2.1 试验材料及方法

2.2 静态试验时不同浓度Cr6+对硝化的影响

2.3 Cr6+冲击负荷对硝化的影响

2.4 本章小结

第三章 Cr6+持续负荷对生物硝化的影响

3.1 试验材料及方法

3.2 Cr6+持续负荷对生物硝化性能的影响

3.3 Cr6+持续负荷对生物硝化活性的抑制分析

3.4 反应体系内Cr6+的归趋分析

3.5 本章小结

第四章 Cr6+对硝化菌群群落结构变化的影响

4.1 微生物群落结构分析方法

4.2 冲击负荷试验硝化细菌群落结构的演变及多样性分析

4.3 持续负荷试验硝化细菌群落结构的演变及多样性分析

4.4 FISH结果分析

4.5 本章小结

第五章 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

参考文献

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致谢