规模化猪场废水处理系统中氧化塘产甲烷和脱氮微生物学机理研究

摘要

氧化塘作为一种基建投资少、运行管理简便、能耗成本较低的污水处理工艺，被广泛应用于规模化猪场厌氧发酵废水的处理。然而，伴随进水中高浓度化学需氧量(COD)和氨氮(NH4+-N)的输入，氧化塘存在温室气体甲烷(CH4)排放量大和氮素去除率低的问题。目前有关氧化塘产甲烷和脱氮过程的研究较少，主要集中在CH4排放通量和氮素去除率方面，有关微生物机制机理及其影响因素的研究尚未见报道。因此，从明确生态影响和满足环保需求的层面，急需开展氧化塘生境中产甲烷和脱氮过程相关微生物学研究，并阐明影响机理，以期为预测控制氧化塘温室气体CH4排放和优化氧化塘废水脱氮处理效能提供理论依据。本研究采集位于我国不同纬度地区的7个规模化猪场废水处理系统中氧化塘的水样及底泥样品，通过样品的理化指标分析，结合荧光定量PCR(qPCR)和Miseq高通量测序等分子生物学检测技术，研究了不同纬度地区规模化猪场废水处理系统中一级氧化塘和浙江省某一规模化猪场废水处理系统中多级氧化塘的产甲烷与脱氮过程相关功能基因丰度和微生物群落多样性变化规律，揭示了影响氧化塘产甲烷过程的关键因素，提出了硫酸盐还原过程对氧化塘氮素去除过程的影响机制，为氧化塘温室气体排放控制和氧化塘工艺脱氮效能的提升提供了理论依据。主要研究结论如下:
　　(1)我国不同纬度地区规模化猪场废水处理系统中一级氧化塘底泥中产甲烷微生物活性和丰度均非常高，表明氧化塘是一个巨大的潜在温室气体CH4排放源。根据测得的一级氧化塘底泥产甲烷和甲烷氧化活性以及我国氧化塘的数量与分布情况估算，我国畜禽养殖业废水处理系统中氧化塘底泥每年排放的CH4量为1.78-2.68 Tg，约占到全球人为CH4排放量的0.56-0.84％。此外，通过对浙江省杭州市某规模化猪场废水处理系统中连续四级氧化塘的水样和底泥理化指标、产甲烷微生物活性及其丰度的分析可以发现，氧化塘进水COD负荷对同一地点多级氧化塘产甲烷过程的影响最为显著。因此，从控制温室气体CH4排放，应对气候变化的角度出发，氧化塘不适合直接应用于养殖废水厌氧发酵液的处理，应通过优化氧化塘前期设计、强化进水固液分离效果和设置相应的生化处理单元来降低氧化塘进水有机质负荷，以减少氧化塘温室气体CH4排放量。
　　(2)运用分子生物学检测技术，对比分析了不同纬度地区一级氧化塘底泥中产甲烷微生物活性、丰度和群落结构与功能的变化规律，发现年平均温度(MAT，mean annual temperature)是影响不同纬度地区一级氧化塘底泥产甲烷过程的关键因素。随着氧化塘所在区域MAT的升高，氧化塘底泥中产甲烷微生物活性和丰度均呈现极显著的上升趋势。高温区氧化塘底泥以WCHD3-30主导的氢营养型产甲烷古菌为主，而低温区氧化塘底泥则以甲烷鬃菌科(Methanosaetaceae)主导的乙酸营养型产甲烷古菌为主。随着氧化塘所在区域MAT的变化，底泥细菌群落结构组成也存在一定的变化规律，并与主导产甲烷古菌营养型的变化规律相吻合。高温区底泥细菌以具有产氢功能的乙酸氧化菌为主;低温区底泥细菌种群大多与大分子有机质降解和产乙酸过程相关。另外，冗余分析(RDA，redundancy analysis)的结果表明，MAT对一级氧化塘底泥中产甲烷古茵群落结构组成的影响最为显著。研究揭示了MAT影响氧化塘产甲烷过程的微生物学机理，并为未来全球气候变暖的趋势下，氧化塘CH4排放量呈现潜在性升高趋势推断提供了理论依据。
　　(3)通过对不同纬度地区的一级氧化塘进出水氮素的测定和比较发现，一级氧化塘NH4+-N去除率均较低，最高去除率不足20％。采用定量PCR研究了氧化塘中氮循环相关功能基因(nifH，AOA amoA，AOB amoA，nirS和nirK)丰度的变化情况。结果表明，一级氧化塘水体和底泥中固氮功能基因(nifH)丰度普遍较高，而氨氧化功能基因（AOA amoA和AOB amoA）丰度极低。Pearson相关性分析的结果表明，一级氧化塘中nifH丰度与NH4+-N浓度呈现显著的正相关关系，氨氧化功能基因丰度与NH4+-N浓度没有表现出任何的显著相关性。一级氧化塘中有可能发生固氮过程并由此促进NH4+-N浓度的升高，而氨氧化过程并没有导致NH4+-N浓度的下降。值得注意的是，一级氧化塘中SO42-浓度与nifH丰度存在显著的正相关关系，且与AOB amoA丰度存在极显著的负相关关系。因此，一级氧化塘中硫循环相关过程可能会强化氧化塘中NH4+-N的生成过程，同时削弱氨氧化过程，最终导致一级氧化塘极低的NH4+-N去除现象。
　　(4)通过对浙江省某一规模化猪场废水处理系统中连续四级氧化塘底泥和水样的理化指标分析、氮循环相关功能基因(nifH，AOA amoA，AOB amoA，nirS和nirK)丰度、硫循环相关功能基因（dsrB和soxB）丰度的测定以及硫酸盐还原过程抑制剂的添加实验，证实了硫酸盐还原过程是导致一级氧化塘脱氮性能低的主要原因。随着氧化塘级数的增加，底泥和水样SO42-浓度、硫酸盐还原功能基因（dsrB）丰度和水体硫化物浓度逐渐下降，硫酸盐还原过程减弱，NH4+-N去除率呈升高趋势。RDA和Pearson相关性分析的结果表明，硫酸盐还原过程生成的硫化物是影响氮循环和硫循环相关功能基因丰度整体变化的最主要因子，并且与氧化塘主要脱氮过程的功能基因(水体中AOB amoA和nirS)丰度均呈现显著的负相关关系，表明硫化物显著抑制氧化塘脱氮过程。另一方面，nifH和dsrB丰度呈现极显著的正相关关系，硫酸盐还原过程的存在可能会显著提高nifH丰度，由此促进固氮过程的发生，从而提高水体和底泥的NH4+-N浓度。抑制剂添加实验的结果表明，一级氧化塘（ZJ1）中的硫酸盐还原过程被抑制后，NH4+-N的去除率提高了5.1-9.5％，ZJ1中硫酸盐还原过程的存在抑制了20.9-32.8％的NH4+-N去除。鉴于硫酸盐还原过程对氧化塘脱氮过程的抑制作用，从提高氧化塘脱氮性能的角度出发，氧化塘不适合直接应用于硫化物浓度较高的厌氧发酵出水和SO42-浓度较高的养殖废水、食品厂废水和制药业废水等的处理。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 养殖废水氧化塘处理工艺存在的突出问题

1．1．1 规模化猪场发展现状

1．1．2 氧化塘工艺应用现状及存在问题

1．2 氧化塘产甲烷过程及其微生物机理研究进展

1．2．1 氧化塘温室气体甲烷的排放潜力

1．2．2 产甲烷过程及其功能微生物

1．2．3 氧化塘产甲烷过程的影响因素

1．3 氧化塘工艺脱氮过程研究进展

1．3．1 氧化塘氮素的脱除过程

1．3．2 微生物主导的氮循环基本反应路径

1．3．3 氮循环过程的相关影响因素

1．4 论文的研究意义和研究内容

1．4．1 论文的研究意义

1．4．2 论文的研究内容

第二章 氧化塘甲烷排放潜力与减排方法研究

2．1 引言

2．2 实验材料与方法

2．2．1 氧化塘采样点概况与样品采集

2．2．2 理化指标测定方法

2．2．3 底泥产甲烷活性和甲烷氧化活性测定方法

2．2．4 底泥与水体样品DNA抽提

2．2．5 荧光定量PCR分析

2．2．6 数据处理与统计分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 不同地区规模化猪场废水处理系统中一级氧化塘水样和底泥的理化指标

2．3．2 不同地区规模化猪场废水处理系统中一级氧化塘产甲烷和甲烷氧化活性及其影响因素

2．3．3 不同地区规模化猪场废水处理系统中一级氧化塘产甲烷和甲烷氧化功能基因丰度及其影响因素

2．3．4 一级氧化塘底泥甲烷排放潜力估算

2．3．5 氧化塘甲烷减排方法初探

2．4 本章小结

第三章 不同地区规模化猪场废水处理系统中一级氧化塘底泥产甲烷微生物群落结构特征研究

3．1 概述

3．2 实验材料与方法

3．2．1 氧化塘采样点概况与样品采集

3．2．2 底泥与水体样品DNA抽提

3．2．3 Miseq高通量测序及数据分析

3．2．4 数据处理与统计分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 不同地区规模化猪场废水处理系统中一级氧化塘底泥微生物多样性变化

3．3．2 不同地区规模化猪场废水处理系统中一级氧化塘底泥古菌群落结构比较

3．3．3 不同地区规模化猪场废水处理系统中一级氧化塘底泥细菌群落结构比较

3．3．4 不同地区规模化猪场废水处理系统中一级氧化塘理化因子对微生物群落结构的影响

3．3．5 不同地区规模化猪场废水处理系统中一级氧化塘微生物产甲烷营养型比较

3．3．6 MAT对不同地区规模化猪场废水处理系统中一级氧化塘产甲烷过程的影响

3．4 本章小结

第四章 不同地区规模化猪场废水处理系统中一级氧化塘脱氮性能及其功能微生物丰度研究

4．1 概述

4．2 实验材料与方法

4．2．1 氧化塘采样点概况与样品采集

4．2．2 理化指标测定方法

4．2．3 底泥与水体样品DNA抽提

4．2．4 荧光定量PCR分析

4．2．5 数据处理与统计分析

4．3 结果与讨论

4．3．1 不同地区规模化猪场废水处理系统中一级氧化塘的脱氮性能

4．3．2 不同地区规模化猪场废水处理系统中一级氧化塘氮循环相关微生物功能基因丰度

4．3．3 不同地区规模化猪场废水处理系统中一级氧化塘理化性质与氮循环相关微生物丰度的相关性分析

4．3．4 不同地区规模化猪场废水处理系统中一级氧化塘中硫酸盐还原过程探究

4．4 本章小结

第五章 硫酸盐还原对氧化塘脱氮过程的影响研究

5．1 概述

5．2 实验材料与方法

5．2．1 氧化塘采样点概况与样品采集

5．2．2 理化指标分析方法

5．2．3 底泥与水体样品DNA抽提

5．2．4 荧光定量PCR分析

5．2．5 Miseq高通量测序及数据分析

5．2．6 抑制剂添加实验

5．2．7 数据处理与统计分析

5．3 结果与讨论

5．3．1 浙江省某一规模化猪场废水处理系统中多级氧化塘理化指标及脱氮性能

5．3．2 浙江省某一规模化猪场废水处理系统中多级氧化塘氮循环和硫循环相关功能基因丰度

5．3．3 浙江省某一规模化猪场废水处理系统中多级氧化塘理化因子对氮循环和硫循环功能基因丰度的影响

5．3．4 浙江省某一规模化猪场废水处理系统中多级氧化塘固氮微生物群落结构

5．3．5 硫酸盐还原过程抑制剂添加培养实验

5．3．6 硫酸盐还原过程影响下的氧化塘氮去除模型

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 研究不足和展望

参考文献

作者简历