一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化SBR工艺中关键菌群的优化研究

摘要

厌氧氨氧化(anaerobic ammonia oxidizing，Anammox)工艺是一种新型生物脱氮工艺，具有不需要外加碳源、没有CO2排放、N2O等温室气体排放量少、剩余污泥产生量少等优势，已成为目前最具应用前景的生物脱氮工艺。但Anammox工艺在应用中存在厌氧氨氧化菌(Anammox bacteria)生长速率缓慢和活性低、工艺启动时间长、稳定运行难等问题，影响了该工艺的推广应用。
　　针对上述问题，本论文从以下几个方面开展了研究:以升流式厌氧污泥反应器(upflow anaerobic sludge blanket，UASB)厌氧氨氧化工艺的活性污泥为对象，通过扫描电镜和分子生物学方法对反应器启动过程中微生物进行表征，以明确典型厌氧氨氧化反应器中微生物的特征。然后，以一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化序批式反应器(sequencing batch reactor，SBR)工艺(combined partial nitrification-anammox，CPNA)的活性污泥为对象，采用厌氧批式试验方法，考察和比较了投加Fe2+、氧化石墨烯（graphene oxides，GOs）和Fe3+对其中厌氧氨氧化菌的脱氮效果、活性和微生物特征的影响;并通过CPNA工艺的SBR试验研究，考察分别投加Fe2+和NH2OH对反应器中关键菌群(氨氧化菌(ammonia oxidizing bacteria，AOB)、亚硝酸盐氧化菌(nitrite oxidizing bacteria，NOB)和Anammox菌）共存优化的影响，以调控优化CPNA工艺中关键菌群结构，实现AOB和Anammox的富集培养以及NOB的淘汰，提高工艺的脱氮效果。主要结论如下:
　　(1)基于UASB的厌氧氨氧化工艺启动过程中微生物表征结果表明，微生物形态从以杆菌为优势菌逐渐变为以椭球形菌为主，且椭球形菌逐渐呈现聚集分布。反应器启动过程中，alpha多样性指数先增加后减少，说明启动过程中功能菌逐渐增多，功能渐趋专一化。反应器中优势菌主要为浮霉菌门(Planctomycetes)，其丰度从13.07％逐渐上升到稳定运行时的54.70％;Candidatus Kuenenia属厌氧氨氧化菌的丰度在反应器成功启动后达到48.77％。功能丰度分析也表明启动过程中微生物的主要代谢功能丰度均表现出上升趋势。
　　(2)投加Fe2+、GOs和Fe3+强化厌氧氨氧化菌群的研究结果表明，投加GOs对厌氧氨氧化菌脱氮效果和丰度提高最明显，Fe2+投加对厌氧氨氧化菌活性提高效果最好。GOs组总氮去除率与对照组相比具有显著性差异(p＜0.001)，平均总氮去除率比对照组提高22.71％，而Fe2+和Fe3+投加组的平均总氮去除率比对照组分别高5.69％和1.72％。投加GOs将浮霉菌门丰度比接种泥提高了2.93倍，比对照组高44.51％;投加Fe2+组浮霉菌门丰度比对照组提高了1.03％，投加Fe3+组的丰度提高效果低于对照组。Fe2+投加对厌氧氨氧化菌活性提高程度与对照组相比具有显著性(p＜0.05），Fe2+组、GOs组和Fe3+组的平均厌氧氨氧化菌活性的提高程度分别为比对照组高82.10％、高50.54％和稍低于对照组。
　　(3)投加Fe2+和NH2OH调控优化CPNA工艺中AOB、NOB和Anammox菌的研究结果表明，投加Fe2+和NH2OH均能提高AOB活性，且投加NH2OH还能有效抑制NOB活性。投加NH2OH对CPNA工艺中关键菌群的影响最大，能有效提高总氮去除率，总氮去除率最高能达到42.54％，投加Fe2+的最高总氮去除率为25.90％，对照组总氮去除率均在10％以下。投加NH2OH对CPNA工艺中菌群结构的优化效果最好。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 厌氧氨氧化技术及其组合工艺

1．1．1 氨氮排放现状及危害

1．1．2 传统脱氮工艺面l临的挑战

1．1．3 基于厌氧氨氧化技术的组合工艺及其应用现状

1．2 厌氧氨氧化及其组合工艺中关键菌群的微生物学特性

1．2．1 氨氧化菌(AOB)

1．2．2 亚硝酸盐氧化菌(NOB)

1．2．3 厌氧氨氧化菌(Anammox bacteria)

1．3 厌氧氨氧化菌群优化策略

1．3．1 物理法

1．3．2 化学法

1．4 研究的目的、意义及内容

1．4．1 研究的目的和意义

1．4．2 主要研究内容

1．4．3 技术路线

1．4．4 项目来源

第2章 材料与方法

2．1 试验材料

2．1．1 试验装置

2．1．2 模拟废水

2．1．3 物质投加策略

2．1．4 接种泥

2．1．5 培养基及缓冲液

2．1．6 引物

2．1．7 试剂盒

2．1．8 仪器

2．2 试验方法

2．2．1 传统微生物培养法

2．2．2 菌落PCR

2．2．3 DNA提取

2．2．4 基于16S rRNA高通量测序

2．2．5 基于16S rRNA的功能分析

2．2．6 扫描电镜

2．2．7 厌氧氢氧化菌活性测定

2．2．8 AOB、NOB活性测定

2．2．9 水质参数分析方法

2．2．10 数据分析

第3章 厌氧氨氧化反应器中微生物的表征研究

3．1 概述

3．2 结果与讨论

3．2．1 启动过程脱氮效果与微生物形态

3．2．2 异养菌特征

3．2．3 微生物群落演替

3．3 小结

第4章 Fe2+、氧化石墨烯和Fe3+强化厌氧氨氧化菌群的比较研究

4．1 概述

4．2 数据处理

4．3 结果与讨论

4．3．1 运行效果

4．3．2 厌氧氨氧化菌活性变化

4．3．3 污泥形态变化

4．3．4 微生物群落的演替

4．3．5 功能丰度变化

4．4 小结

第5章 Fe2+和羟胺对一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺中关键菌群的优化

5．1 概述

5．2 数据处理

5．3 结果与讨论

5．3．1 运行效果

5．3．2 关键菌群活性变化

5．3．3 污泥形态变化

5．4 小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文及学术成果