低O2/CH4条件下好氧甲烷氧化耦合反硝化脱氮效能及其微生物机理初探

摘要

废水因碳源不足导致脱氮效率不高是目前水处理行业面临的技术难题。好氧甲烷氧化耦合反硝化(aerobic methane oxidation coupled with denitrification，AME-D)以甲烷为唯一碳源进行反硝化脱氮，可为碳源不足废水的生物脱氮提供新技术途径。然而，现有体系的AME-D脱氮效能有待进一步提升，且功能微生物互作机理尚不明晰。据报道，与目前采用的高O2/CH4(＞1)环境相比，低O2/CH4(＜1)环境可促使好氧甲烷氧化菌向外释放更多的有机物，为反硝化菌提供更多的碳源和更适宜的低氧环境。由此推测，低O2/CH4(＜1)条件有望进一步提升AME-D过程的脱氮效能，但需要相关研究加以证实。鉴于此，本研究首先通过血清瓶试验，探究不同O2/CH4条件(＜1)对AME-D脱氮的影响;利用热力学分析方法，明晰不同情况下甲烷碳源在好氧甲烷氧化与反硝化过程之间的分配机制;基于膜生物反应器在低O2/CH4环境下进一步提升AME-D脱氮效能;运用多种分子生物学技术从功能微生物丰度、群落结构及其空间位置关系等方面，初步揭示AME-D脱氮效能提升的内在微生物机理。主要研究结果如下: (1)血清瓶批次试验表明，随着O2/CH4由0上升到1，AME-D脱氮速率先升高后降低。在O2/CH4为0.25时，脱氮速率最大，约为7.32mmol NO2--N/g VSS/d，氧化亚氮累积水平最低。当O2/CH4在0-0.25之间时，体系中有机物浓度对AME-D过程的反硝化脱氮速率起主要调控作用;当O2/CH4在0.25-1之间时，体系中氧气浓度对AME-D过程的反硝化脱氮速率起主要调控作用。以上研究结果为后续膜反应器运行参数的选择提供参考:需将O2/CH4控制在0-0.25的范围内。 (2)热力学计算结果表明，在好氧甲烷氧化菌向外释放的常见有机物中，发现消耗1mol CH3OH-C可以还原的NO3--N或NO2--N量最高，同时释放更多的能量。理想情况下，好氧甲烷氧化菌可向反硝化菌提供高达60％的CH3OH-C，此时脱氮效率最高，C/N为1.39（以NO3--N为电子受体）和0.83（以NO2--N为电子受体）。在血清瓶试验中O2/CH4为0.25的实际情况下，可被反硝化菌利用的CH4-C比例只占4.3-13.0％，远远小于理想情况下的60％，有待进一步提升。 (3)基于自制中空纤维膜反应器，以血清瓶试验活性污泥为接种物，以甲烷和NO3--N为唯一碳源和氮源，在低O2/CH4条件下运行反应器140天后，AME-D脱氮速率得以显著提升。批次试验亦表明，与原始污泥相比，膜反应器污泥脱氮效能显著升高。膜反应器污泥NO3--N去除速率约为286±5μmol/g MLSS/d，是原始污泥的4倍;膜反应器污泥C/N比值由原始污泥的6.41下降至1.79。进一步分析结果显示，膜反应器污泥通过反硝化作用去除的NO3--N占NO3--N去除总量的80.4-88.9％，高于原始污泥中的反硝化脱氮占比(29.5-60.3％)。同时，膜反应器污泥中的好氧甲烷氧化菌可以为反硝化菌提供37.4-40.7％的甲烷碳，而原始污泥中的这一比例仅为3.8-8.0％。 (4)反硝化菌尤其是甲醇型反硝化菌的大量富集是膜反应器污泥AME-D脱氮效能提升的重要原因。反硝化功能基因qPCR结果显示，关键反硝化功能基因(nirK、nirS、nosZ)丰度在膜反应器污泥中显著升高，这表明膜反应器污泥中的反硝化菌数量急剧上升。群落结构分析结果表明，膜反应器污泥的优势微生物以甲基球菌科(Methylococcaceae)、嗜甲基菌科(Methylophilaceae)和红环菌科(Rhodocyclaceae)为主。其中，嗜甲基菌科和红环菌科中的甲醇型反硝化菌大量富集，主要包括Methylobacillus、Methylotenera、Methylophilus和Methyloversatilis四个属。同时，FISH结果显示，好氧甲烷氧化菌和甲醇型反硝化菌在空间上紧密相连，形成团聚体，提高两者之间的能量与物质交换效率，进而提升膜反应器污泥脱氮效能。 以上研究结果可为基于AME-D过程的废水生物脱氮技术研发提供理论依据，对推进AME-D脱氮技术实际应用具有重要的现实意义。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

第一章绪论

1．1 AME-D过程功能微生物研究进展

1．1．1好氧甲烷氧化微生物

1．1．2反硝化微生物

1．2 AME-D过程微生物耦合机理

1．2．1好氧甲烷氧化菌与反硝化菌的协同作用

1．2．2好氧甲烷氧化菌的反硝化作用

1．3 AME0D过程微生物耦合机理研究方法概况

1．4 AME-D过程脱氮效能及其影响因素研究进展

1．5论文的立项依据、研究意义、研究目标和研究内容

1．5．1论文的立项依据、研究意义与研究目标

1．5．2论文的研究内容

第二章批次试验不同O2／CH4对AME-D脱氮的影响探究

2．1引言

2．2材料与方法

2．2．1批次试验的污泥准备

2．2．2批次试验设置

2．2．3化学指标检测方法

2．2．4DNA提取

2．2．5功能基因qPCR分析

2．2．6数据处理与统计分析

2．3结果与讨论

2．3．1批次试验中不同O2／CH4对AME-D过程甲烷氧化活性的影响

2．3．2批次试验中不同O2／CH4对AME-D过程有机中间产物种类和浓度的影响

2．3．3批次试验中不同O2／CH4对AME-D过程脱氮速率的影响

2．3．4批次试验中不同O2／CH4条件对AME-D脱氮的综合影响评估

2．4本章小结

第三章AME-D过程的热力学解析

3．1引言

3．2材料与方法

3．2．1基于热力学的细胞能学分析原理与方法

3．2．2不同O2／CH4条件下血清瓶批次试验

3．2．3不同O2／CH4条件下反应物、中产物以及有机物测定

3．3结果与讨论

3．3．1理想状态下AME-D过程的最佳中间产物推算

3．3．2 AME-D脱氮效率最高时的甲烷碳源分配机制

3．3．3批次试验中AME-D过程的甲烷碳源分配机制

3．3．4热力学角度解析低O2／CH4条件提升AME-D脱氮性能的可行性

3．4本章小结

第四章低O2／CH4条件下膜生物反应器AME-D脱氮效能初探

4．1引言

4．2材料与方法

4．2．1中空纤维膜反应器设计

4．2．2接种污泥

4．2．3中空纤维膜反应器运行条件

4．2．4膜反应器污泥与原始污泥脱氮效能对比的批次试验

4．2．5化学指标测定

4．2．6扫描电镜分析

4．3结果与讨论

4．3．1中空纤维膜生物反应器脱氮效能初探

4．3．2中空纤维膜反应器污泥性状变化及扫描电镜对比分析

4．3．3膜反应器污泥与原始污泥脱氮效能对比分析

4．3．4低O2／CH4条件下中空纤维膜反应器AME-D脱氮效能提升机理初步分析

4．4本章小结

第五章低O2／CH4条件下膜反应器AME-D脱氮效能提升微生物机理初探

5．1引言

5．2材料与方法

5．2．1 DNA提取

5．2．2功能基因qPCR分析

5．2．3 FISH

5．2．4宏基因组测序分析

5．3结果与讨论

5．3．1原始污泥与膜反应器污泥功能基因丰度对比分析

5．3．2原始污泥与膜反应器污泥微生物群落结构及其差异功能基因对比分析

5．3．3原始污泥与膜反应器污泥中AME-D功能微生物空间位置关系对比分析

5．3．4低O2／CH4条件下膜反应器AME-D脱氮效能提升的微生物机理总结

5．4本章小结

第六章研究结论、创新点和展望

6．1研究结论

6．2主要创新点

6．3研究展望

参考文献

作者简历、科研成果及奖励