活性污泥降解氟化工废水的影响因素及微生物群落结构的动态变化研究

摘要

近几十年，氟化工行业迅猛发展，氟化工废水的产生量也不断增加。由于氟化工废水往往成分复杂，难降解，并且缺乏氟化工废水中特征污染物的国家标准，因此，大量氟化工废水对水环境及水生态构成了严重威胁。尽管关于微生物降解含氟有机物的研究已经开展多年，但是，微生物对多种含氟有机物混合废水的处理研究还未见报道。与此同时，氟化工企业生产过程中，往往会添加一些辅助材料当做反应催化剂，如贵金属;这也使氟化工废水具有强毒性、高盐度、有机负荷和重金属含量高、可生化性差等特征，极大限制了生物法处理技术的应用。为了探究活性污泥在处理氟化工混合有机废水时，其降解性能及微生物群落结构变化情况，本文以某化工企业污水处理厂的活性污泥作为试验对象，分别探讨了1、原始氟化工废水对活性污泥的致毒性以及活性污泥在氟化工有机废水中的适应情况;2、在盐度、重金属、温度、碳氮比影响下，氟化工混合有机废水处理系统中的活性污泥性能及微生物群落结构变化情况;得到结果如下:
　　(1)经原子吸收光谱仪检测，测得原始氟化工废水中主要含有Cu、Ni、Pb、Cd、Cr、Mn、As等7种重金属，经气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)和液质联用-高分辨质谱仪检测，测得4-氟-2-硝基苯胺、双（4-氟苯基）醚等11种主要含氟有机物;且废水中盐度值高达53400 mg·L-1。污水处理厂二沉池回流污泥在葡萄糖模拟废水中的最佳呼吸速率为189.2±1.11 mg·L-1·h-1;在氟化工原始废水中平均呼吸速率仅为5.60±0.70mg·L-1·h-1，说明原始氟化工混合废水存在抑制微生物正常代谢的有毒有害物质。与此同时，实验测得污泥在氟化工有机混合废水中的最佳呼吸速率为68.60±0.96 mg·L-1·h-1，与原始废水中的呼吸状况相比，污泥的呼吸作用有显著增强，表明活性污泥对氟化工有机混合废水有较强的适应能力。借助变性梯度凝胶电泳技术(PCR-DGGE)评价活性污泥中微生物多样性，结果表明，污水处理厂二沉池的活性污泥中微生物多样性较为丰富。通过进一步割胶、克隆测序，成功鉴定出Kineococcus gynurae等6种能够适应氟化工有机混合废水的优势菌种。
　　(2)经过氟化工有机物混合废水70天的驯化，活性污泥能够适应TOC浓度为400mg·L-1的含氟废水，并且降解率维持在80％以上。驯化结束后，高通量测序结果显示泥样中主要细菌为Proteobacteria(78％～84％)，Chloroflexi(3％～12％)，Bacteroidetes(1％～10％)，与驯化前污泥中微生物结构成分有明显的差异。比较三种曝气策略下的污泥驯化效果，发现在曝气机开/关=3/3 h时，顺着驯化梯度，污泥样本中Chao1和Shannon指数稳步上升（分别由3676提高到3879;3.99提高到4.05），说明该曝气条件更有利于污泥中菌群微生态的稳定演替和抗环境压力。在经过氟化工有机混合废水驯化后，所有实验组微生物比对照组微生物多了一种mdh2基因（能够编码菌体内脱氢酶）;并且在曝气策略为开/关=2/4 h的曝气条件下，反应器R1-1，R1-2两组污泥样本中比其他实验组多了amo基因（调控菌体内单加氧酶，降解有机物）。实验结果表明不同的曝气周期和曝气量对菌属基因遗传和变异产生影响，进而改变微生物群落结构。
　　(3)盐度的增加直接影响了反应器内活性污泥的降解性能，高盐度时(10000 mg·L-1)微生物的正常代谢受到抑制，TOC降解率仅为50％。盐度的提升使得微生物多样性降低以及群落结构发生变化，Shannon指数从3.85下降到2.51。高通量测序结果表明，随着盐度的提升，耐盐菌(Xanthobacter)逐渐替代了不耐盐菌，成为优势菌属。
　　(4)当Cu2+，Zn2+，Mn2+，Ni2+这些离子浓度超过20 mg·L-1时，金属离子对微生物活性产生了一定的抑制。各种金属离子浓度的提升（从0.5 mg·L-1逐渐提升到20 mg·L-1）使得微生物多样性降低以及群落结构发生变化，Shannon指数在2.77～3.97之间变化。随着金属离子浓度的提升，Xanthobacter逐渐成为优势菌，且Sphingomonas，Desulfovibrio，Cupriavidus，Rhodopseudomonas菌属只在投加金属离子的反应器内存在，这表明，金属离子的生物刺激引导基因重组沿着有利于微生物适应环境的方向进化。
　　(5)在25℃时，活性污泥对含氟有机物的降解效果最好，进水TOC浓度为400mg·L-1时，其去除率高达90％。此外，Xanthobacter和未识别的菌属构成了活性污泥菌群的主要菌属，其次是Prosthecomicrob ium、Prosthecobacter。Xanthobacter在温度为10℃的时候，相对丰度最高;且随着温度的上升，该菌属在各自反应器内的丰富度逐渐降低，说明Xanthobacter更适合在低温环境生存。
　　(6)反应器在C∶ N∶P分别为100∶1∶1，100∶5∶1，100∶10∶1，100∶15∶1，100∶20∶1，100∶25∶1的条件下，对废水TOC去除效果差异不大（基本维持在90～95％之间）。在C∶N∶P=100∶10∶01，100∶15∶01，100∶25∶01时，新出现了Sphingomonadales、Flaobacterales、Caulobacterales、Desufovibrionales等菌目，说明氮源的增加，有利于phingomonadales、Flaobacterales、Caulobacterales、Desufovibrionales的生长繁殖。
　　(7) PCR检测分析表明，在氟化工废水生物处理过程中，具有编码单加氧酶、双加氧酶或脱氢酶的prm，xyl, mdh2, mxaF, tomA3，dcmA六个功能基因对生物降解性能可能起着重要的调控作用。

目录

声明

致谢

摘要

插图和附表清单

第1章 生物法降解含卤有机废水研究进展

1．1 前言

1．2 含卤有机废水的生物处理工艺

1．2．1 活性污泥法

1．2．2 生物膜法

1．2．3 固定化微生物技术

1．2．4 共代谢

1．3 生物处理法中的影响因素

1．3．1 盐度

1．3．2 重金属

1．3．3 温度

1．3．4 碳氮比

1．3．5 pH

1．4 微生物技术在处理含卤有机废水的应用

1．4．1 分子生物学技术方法

1．4．2 微生物群落结构多样性研究

1．4．3 功能菌属研究

1．4．4 功能基因研究

1．5 研究目标和内容

1．5．1 研究目标

1．5．2 研究内容

第2章 氟化工废水致毒因子筛选与污泥耐毒性及微生物组成分析

2．1 前言

2．2 材料与方法

2．2．1 试验废水材料来源

2．2．2 试验方法

2．2．3 分析方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 氟化工废水中重金属含量、盐度分析

2．3．2 氟化工废水中有机物检测分析

2．3．3 污泥在氟化工废水中的耐毒性分析

2．3．4 3种活性污泥中微生物群落组成分析

2．4 本章小结

第3章 不同曝气策略对活性污泥在含氟有机物混合废水中驯化效果的影响

3．1 前言

3．2 材料与方法

3．2．1 试验装置

3．2．2 接种污泥

3．2．3 试验废水

3．2．4 反应器运行策略

3．2．5 常规水质指标测定

3．2．6 样品采集和DNA的提取

3．2．7 微生物群落结构分析

3．2．8 功能基因PCR检测

3．3 结果与讨论

3．3．2 不同曝气策略下污泥中微生物群落结构特征

3．3．3 不同曝气策略下微生物中功能基因变化情况

3．4 本章小结

第4章 盐度对活性污泥降解含氟有机物混合废水的影响及其微生物群落结构的变化

4．2．2 试验废水

4．2．3 反应器运行策略

4．2．4 常规水质指标测定

4．2．5 样品采集和DNA的提取

4．2．6 微生物群落结构分析

4．2．7 功能基因PCR检测

4．3 结果与讨论

4．3．1 盐度对污泥降解性能的影响

4．3．2 盐度对微生物群落结构变化的影响

4．3．3 盐度对微生物功能基因变化的影响

4．4 本章小结

第5章 重金属对活性污泥降解含氟有机物混合废水的影响及其微生物群落结构的变化

5．1 前言

5．2 材料与方法

5．2．1 接种污泥

5．2．2 试验废水

5．2．3 反应器运行策略

5．2．4 常规水质指标测定

5．2．5 样品采集和DNA的提取

5．2．6 微生物群落结构分析

5．2．7 功能基因PCR检测

5．3 结果与讨论

5．3．1 单一金属离子和混合金属离子对污泥降解性能的影响

5．3．2 单一金属离子和混合金属离子对污泥微生物群落结构变化的影响

5．3．3 重金属对微生物功能基因变化的影响

5．4 本章小结

第6章 温度和碳氮比对活性污泥降解含氟有机物混合废水的影响及其微生物群落结构的变化

6．1 前言

6．2 材料与方法

6．2．1 接种污泥

6．2．2 试验废水

6．2．3 反应器运行策略

6．2．4 常规水质指标测定

6．2．5 样品采集和DNA的提取

6．2．6 微生物群落结构分析

6．2．7 功能基因PCR检测

6．3 结果与讨论

6．3．1 温度对污泥降解性能及微生物群落结构变化的影响

6．3．2 碳氮比对污泥降解性能及微生物群落结构变化的影响

6．3．3 温度、碳氮比对微生物功能基因交化的影响

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 全文总结

7．2 研究创新点

7．3 本文不足与展望

参考文献

作者简介