氯胺消毒供水管网生物膜中的硝化菌群特性研究

摘要

硝化作用在氯胺消毒的供水系统中是普遍存在的,它的存在给消毒剂消耗、异养菌再生长、管网水质等都带来许多不利的影响。本研究以上海市自来水闵行有限公司实际供水管网生物膜中的硝化细菌(包括氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化菌)为研究对象,同时联系其它相关参数,分析了硝化细菌对供水过程的影响机理。本研究主要进行了以下几方面工作:从实际氯胺消毒供水管网中获取生物膜样品和对应的水样,通过MPN-Griess计数法测定了生物膜中硝化细菌的存在水平,即单位干重的生物膜样品中硝化细菌的数量;同时利用相应的物理、化学、生物分析方法测定与生物膜样品对应的饮用水水质参数,如氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氯、余氯、一氯胺等化合物的浓度及温度、pH值等,以及生物膜参数包括异养菌(HPC)数量、可溶性有机碳(DOC)含量等。结果表明:(1)氨氧化细菌(AOB)在该供水管网中普遍存在,且其存在水平比较高,而亚硝酸盐氧化菌(NOB)仅存在于少量的生物膜样品中;(2)氨氧化细菌的存在水平和氯胺消毒剂浓度之间具有明显的负相关,即氯胺消毒剂浓度越高,氨氧化细菌存在水平就越低,这说明在该供水管网中氯胺对氨氧化细菌主要起消毒作用;(3)氨氧化细菌的存在水平和异养菌的存在水平之间的正相关性非常明显,可见两者在生长过程中有相互促进的作用;(4)氨氧化细菌的存在水平和其参数相关性明显,如和温度、pH值、亚硝酸盐氮浓度等正相关,而和氨氮、硝酸盐氮浓度以及管道内径负相关。这些结果对于理解实际管网中氨氧化细菌的作用以及如何控制氨氧化细菌生长具有重要的意义。本研究利用PCR-DGGE、DNA测序等分子生物学方法分析了硝化细菌的种群多样性,同时分析了其种群多样性和各相关参数之间的联系。结果表明:(1)亚硝酸盐氧化菌普遍存在于各生物膜样品中,这与常规方法检测结果有明显不同,说明利用MPN-Griess方法检测亚硝酸盐氧化菌具有很大的局限性,而分子生物学手段可以弥补其灵敏性不高的缺点;(2)从所研究的管网生物膜中共获得27种氨氧化细菌或似氨氧化细菌以及23种亚硝酸盐氧化菌或似亚硝酸盐氧化菌;这表明该供水管网中硝化细菌的生长非常旺盛和稳定;(3)许多硝化细菌首次在供水管网被发现,如Nitrosolobussp.、Nitrosomonadaceaebacterium等氨氧化细菌以及Nitrococcussp.、Nitrite-oxidizingbacterium等亚硝酸盐氧化菌;(4)生物膜中硝化细菌菌种的变化和供水水质等参数之间有一定联系,特别是和消毒剂之间的联系值得关注,如Nitrosomonassp.Is32等硝化细菌对消毒剂的抗性较强。为了简化环境条件,本研究通过模拟实验针对性地研究了氨氧化细菌(AOB)的生长对消毒剂消耗的影响、AOB的生长对HPC再生长的促进作用以及AOB的附着生长能力。结果表明:(1)一般情况下,氨氧化细菌对消毒剂的抗性比异养菌强,且氨氧化细菌对氯胺消毒剂消耗的影响明显不同于异养菌,氨氧化细菌可以利用氯胺分解产生的氨氮作为营养物质,从而促进氯胺消毒剂的衰减;(2)氨氧化细菌能够在生长过程中合成供异养菌生长需要的有机物,从而促进异养菌的再生长;(3)AOB的附着生长能力明显强于异养菌,从而验证了AOB作为生物膜的“拓荒者”和“保护膜”的作用。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 问题提出

1.2 背景介绍：饮用水处理过程和供给系统

1.2.1 饮用水处理过程与影响细菌再生长的因素

1.2.2 饮用水供给系统与硝化细菌的侵入

1.2.3 硝化细菌对供水系统及水质的影响

1.3 研究目的和内容

1.4 技术路线

1.4.1 实际管网研究

1.4.2 实验室研究

第二章 文献综述

2.1 供水系统中的硝化细菌和硝化现象

2.1.1 硝化过程

2.1.2 饮用水中硝化细菌的研究进展

2.1.3 氯胺消毒供水系统中的硝化作用

2.1.4 氯胺消毒的供水系统中硝化作用的影响

2.1.5 水质参数对硝化作用的影响

2.2 供水系统中的生物膜

2.2.1 生物膜的形成机制及其危害

2.2.2 硝化细菌与生物膜

2.3 分子生物学技术在硝化细菌等环境微生物研究中的应用

2.3.1 分子生物学技术在环境微生物生态学中的应用

2.3.2 本研究中所应用的分子生物学技术

2.3.3 分子生物学技术对水环境中硝化细菌的研究进展

第三章 硝化细菌的存在水平及其与各参数的相关性分析

3.1 材料与方法

3.1.1 研究对象介绍

3.1.2 实验方法

3.2 实验结果与分析

3.2.1 硝化细菌的存在水平

3.2.2 硝化细菌存在水平和各参数的相关性

3.3 本章小结

第四章 供水管网生物膜中硝化细菌的种群多样性

4.1 材料与方法

4.1.1 实验材料

4.1.2 实验方法

4.2 实验结果与分析

4.2.1 总DNA 的提取

4.2.2 氨氧化细菌的种群多样性

4.2.3 亚硝酸盐氧化菌的种群多样性

4.2.4 硝化细菌种群多样性和各相关参数之间的联系

4.3 本章小结

第五章 氨氧化细菌的相关特性研究

5.1 氨氧化细菌对氯胺消毒剂消耗的影响

5.1.1 实验方法

5.1.2 实验结果与分析

5.2 氨氧化细菌对 HPC 再生长的影响

5.2.1 实验方法

5.2.2 实验结果与分析

5.3 氨氧化细菌吸附特性的研究

5.3.1 实验方法

5.3.2 实验结果与分析

5.4 本章小结

第六章 结论和建议

6.1 结论

6.2 研究展望

6.2.1 生物膜的结构研究

6.2.2 研究硝化细菌和管道腐蚀的关系

6.3 建议

参考文献

附录

致谢