【摘要】：針對(duì)高鹽脅迫下的高濃度有機(jī)廢水生物脫氮效能低、系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)間長(zhǎng)、脫氮功能菌群結(jié)構(gòu)分布、演替規(guī)律及作用機(jī)制不明的問題,提出高鹽廢水強(qiáng)化多路徑耦合脫氮技術(shù)。研究采用序批式生物膜反應(yīng)器(SBBR)構(gòu)建出高鹽廢水多路徑脫氮系統(tǒng),探究了高鹽脅迫下系統(tǒng)微生物種群演替規(guī)律;解析了不同環(huán)境因子下系統(tǒng)的脫氮路徑及功能菌屬的遷移規(guī)律,明確了多路徑脫氮系統(tǒng)對(duì)環(huán)境因素的微生物響應(yīng)機(jī)制;在此基礎(chǔ)上,提出了強(qiáng)化異養(yǎng)硝化-好氧反硝化的高鹽廢水多路徑耦合脫氮技術(shù),以及強(qiáng)化硫循環(huán)的超高鹽廢水多路徑耦合脫氮除硫技術(shù),研究得出了系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵控制參數(shù),利用Illumina MiSeq高通量測(cè)序及Q-PCR等分子生物學(xué)技術(shù),揭示了高鹽/超高鹽廢水多路徑耦合系統(tǒng)的微生物作用機(jī)理。主要研究成果如下:在SBBR反應(yīng)器中構(gòu)建出高鹽(鹽度3%,NaCl計(jì))廢水脫氮系統(tǒng),系統(tǒng)的COD、TN去除率分別為86.48%±1.7%、94.37%±3.15%。高鹽脅迫下普通脫氮功能菌群豐度、種類顯著下降,嗜鹽功能菌種豐度上升。熒光定量PCR結(jié)果表明:系統(tǒng)氨氧化古菌AOA、氨氧化細(xì)菌AOB的amoA基因拷貝數(shù)與低鹽(1%)對(duì)照組相比分別下降37.80%、60.94%,AOA/AOB拷貝數(shù)比值為1.20×10~3,是低鹽對(duì)照組的1.59倍,表明古菌氨氧化演替成為高鹽脫氮的重要組成部分。PacBio SMRT DNA全長(zhǎng)16s rRNA細(xì)菌測(cè)序及l(fā)lumina MiSeq古菌測(cè)序結(jié)果表明,與對(duì)照組相比系統(tǒng)Nitrospirae在內(nèi)的常規(guī)硝化菌消失,常規(guī)反硝化菌群演替為耐鹽菌屬。系統(tǒng)硝化過程由AOA(Candidatus Nitrososphaera、Nitrosopumilus)與AOB(Nitrosomonas)共同完成;反硝化由好氧反硝化菌Pseudomonas、Denitromonas與缺氧反硝化菌Thauera共同承擔(dān),系統(tǒng)脫氮路徑呈現(xiàn)出多路徑耦合特征。碳源種類對(duì)高鹽廢水脫氮效能、脫氮功能菌屬、脫氮路徑影響顯著。乙酸鈉、葡萄糖及復(fù)合碳源的脫氮系統(tǒng),TN去除率分別為96.96%±1.88%、65.86%±6.26%、94.99%±3.29%。乙酸鈉系統(tǒng)中脫氮功能菌相對(duì)豐度最高,脫氮物種最為豐富,對(duì)系統(tǒng)脫氮效能提高有顯著的促進(jìn)作用。Illumina MiSeq16S rDNA測(cè)序表明,乙酸鈉碳源的脫氮系統(tǒng)中,硝化功能菌群有Pseudomonas_stutzeri(異養(yǎng)硝化好氧反硝化),反硝化主要由Thauera、Denitromonas、Pseudomonas(好氧反硝化)和Halomonas功能菌屬完成;乙酸鈉及復(fù)合碳源脫氮系統(tǒng)中,自養(yǎng)硝化(AOA為主)、異養(yǎng)硝化、好氧反硝化、缺氧反硝化功能菌屬耦合共存,通過多路徑完成脫氮;而葡萄糖碳源不利于AOA的生長(zhǎng),其脫氮系統(tǒng)中僅存在異養(yǎng)硝化、好氧反硝化、缺氧反硝化脫氮路徑。溫度對(duì)脫氮系統(tǒng)效能、脫氮功能菌屬的演替及脫氮路徑影響顯著。當(dāng)溫度分別為10℃、15℃、20℃、25℃、30℃和35℃時(shí),系統(tǒng)出水TN去除率分別為61.96%、80.40%、85.19%、95.85%、98.15%和97.50%。在25℃~35℃時(shí),系統(tǒng)以短程硝化(AOA+AOB)同步反硝化為主,AOA氨氧化速率/總速率的比值為48.08%~68.71%,AOA與AOB共同承擔(dān)著系統(tǒng)的氨氧化任務(wù),系統(tǒng)氨氧化速率是亞氮氧化速率的5.03~13.54倍,系統(tǒng)的脫氮路徑主要為短程硝化反硝化,此外,其中25℃~30℃時(shí),好氧反硝化相對(duì)占優(yōu);在10℃~20℃時(shí),系統(tǒng)以全程硝化(AOA占優(yōu))同步反硝化為主,AOA氨氧化速率/總速率為87.61%~94.89%,系統(tǒng)中AOA對(duì)氨氧化的貢獻(xiàn)相對(duì)更大,同時(shí)其氨氧化速率是亞氮氧化速率的0.51~0.77倍,系統(tǒng)逐漸從短程硝化反硝化向全程硝化反硝化系統(tǒng)過渡,其中20℃時(shí),好氧反硝化相對(duì)占優(yōu),15℃時(shí),系統(tǒng)中缺氧反硝化相對(duì)占優(yōu)。鹽度對(duì)系統(tǒng)效能、脫氮功能菌屬的演替及脫氮路徑影響顯著。當(dāng)鹽度從高鹽(3%)提升到超高鹽(7%),系統(tǒng)TN平均去除率從94.37%下降至89.89%。鹽度7%時(shí),系統(tǒng)中氨氧化功能微生物(AOA/AOB)受到嚴(yán)重抑制,但古菌AOA的抑制小于AOB,AOA/AOB基因拷貝數(shù)比值從2.47×10~3上升到了1.20×10~3。隨著鹽度提升,Oceanimonas、Phaeodactylibacter等普通的耐鹽/海洋脫氮菌種被淘汰,Halomonas(超高鹽,74.71%)等嗜鹽功能菌豐度上升,同時(shí)硫氧化還原菌豐度顯著上升。超高鹽樣品中優(yōu)勢(shì)反硝化功能屬有Halomonas(74.71%)、Phaeodactylibacter(好氧反硝化,1.15%),Arcobacter(硫自養(yǎng)反硝化,1.20%)。與硫氧化還原相關(guān)菌種有Desulfotignum、Arcobacter、Thiohalobacter、Alkalispirochaeta。與高鹽系統(tǒng)相比,超高鹽系統(tǒng)中,通過多路徑的氨氧化(AOB/AOA/硫參與的氨氧化)、多路徑的反硝化(缺氧、好氧異養(yǎng)反硝化/硫自養(yǎng)反硝化)實(shí)現(xiàn)了超高鹽系統(tǒng)的良好的脫氮效果。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)高鹽廢水系統(tǒng)中采用乙酸鈉為碳源時(shí),可以富集異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌,C/N比、DO、鹽度對(duì)系統(tǒng)異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌優(yōu)勢(shì)富集影響顯著。在C/N為25/1、鹽度1%、DO 6.0mg/L條件下,初步構(gòu)建出異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌系統(tǒng),其優(yōu)勢(shì)異養(yǎng)硝化-好氧反硝化功能的種屬有Pseudomonas(4.05%)、Bacillus(1.87%)、Paracoccus(1.69%);進(jìn)一步從系統(tǒng)中篩選、純化、富集培養(yǎng)異養(yǎng)硝化好氧反硝化菌,通過投加菌液快速(2d)構(gòu)建出強(qiáng)化異養(yǎng)硝化-好氧反硝化的實(shí)際高鹽廢水多路徑耦合脫氮系統(tǒng),TN平均去除率達(dá)97.51%,硝化速率、好氧反硝化速率分別是未強(qiáng)化時(shí)的2.0倍與1.6倍,同時(shí)異養(yǎng)速率是自養(yǎng)硝化的2.15倍,脫氮速率得到大幅提升。Illumina MiSeq高通量測(cè)序研究表明,強(qiáng)化系統(tǒng)中成功富集了異養(yǎng)硝化-好氧反硝化功能種屬Pseudomonas(3.42%)、Vibrio(1.40%)、以及反硝化功能菌屬Oceanimona、Halomona、Nitrincola、Flavobacterium、Proteiniclasticum、Phyllobacteriaceae、Pseudomonas、Nitratireductor、Vibrio,系統(tǒng)功能菌種類(由3種增加至9種)及豐度顯著增加;在強(qiáng)化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了異養(yǎng)-自養(yǎng)硝化、好氧-缺氧反硝化的多路徑耦合脫氮過程。在單級(jí)SBBR系統(tǒng)中成功構(gòu)建出基于強(qiáng)化硫氧化還原循環(huán)的超高鹽廢水脫氮除硫系統(tǒng)。有機(jī)負(fù)荷、硫酸鹽負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)效能影響顯著。在溫度30℃、鹽度7%、有機(jī)物負(fù)荷0.5kgCOD/(m~3·.d)、硫酸鹽負(fù)荷0.06kgSO_4~(2-)/(m~3·.d)最優(yōu)工況下,系統(tǒng)TN、COD、SO_4~(2-)平均去除率分別達(dá)98.40%、84.69%、50.97%,與常規(guī)系統(tǒng)相比,TN、SO_4~(2-)去除率分別提高了8.79%與22.38%;同時(shí),系統(tǒng)硫平衡研究表明,系統(tǒng)進(jìn)水中的SO_4~(2-)主要轉(zhuǎn)化為氣態(tài)硫化氫12.50 mg/d,部分轉(zhuǎn)化為可回收利用的單質(zhì)硫2.56 mg/d,極小部分轉(zhuǎn)化為硫代硫酸鈉及硫化物。系統(tǒng)通過異養(yǎng)硫酸鹽還原、自養(yǎng)硝化、自養(yǎng)/異養(yǎng)聯(lián)合反硝化的多路徑耦合實(shí)現(xiàn)了高效脫氮除硫。FISH研究結(jié)果表明,系統(tǒng)中硫酸鹽還原菌、硫自養(yǎng)反硝化菌豐度分別達(dá)26.54%、16.38%;Illumina MiSeq16S rDNA測(cè)序表明,參與硫酸鹽還原過程的功能菌有Desulfotignum(3.95%)、Desulfovibrio(2.47%)、Desulfatitalea(1.39%);硝化功能菌有Nitrosococcus(AOB,1.23%)、Nitrosomonas_halophila(AOB,0.01%),Nitrospira(NOB,1.24%);異養(yǎng)反硝化菌屬有Halomonas(缺氧反硝化,22.91%)、Phaeodactylibacter(好氧反硝化,2.75%)、Defluviicoccus(內(nèi)碳源反硝化,3.18%),硫自養(yǎng)反硝化菌群有Thiohalobacter(6.49%)、Thioalkalivibrio(1.75%)、Arcobacter(1.71%)。適宜的碳、氮、硫功能菌豐度比例,促使系統(tǒng)內(nèi)相互競(jìng)爭(zhēng)的功能微生物轉(zhuǎn)化為相互促進(jìn)、互為補(bǔ)充的良性生態(tài)關(guān)系,是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多路徑耦合的關(guān)鍵因素。
【圖文】：

圖 1.2 基于 amoA 探測(cè)到的 AOA 生物進(jìn)化樹[56]Fig.1.2Aneighbor-joining tree showing the amoAgenes of reference ammonia-oxidizingarchaea目前針對(duì) AOA 的研究較多，主要集中在 AOA 的分離提純及氨氧化機(jī)理，在自然環(huán)境中的分布、作用，環(huán)境因子對(duì) AOA 的影響等等方面。學(xué)者們通過世界各地測(cè)試的amoA序列相似程度，估計(jì)仍有 90%以上的 AOA還未被人們探索與發(fā)現(xiàn)。此外，學(xué)者們還發(fā)現(xiàn)，氨氧化古菌 AOA 的代謝機(jī)理明顯與氨氧化細(xì)菌 AOB 不同，由于對(duì) AOA 的研究起步較晚，古菌氨氧化的機(jī)制尚未完全明確，一般認(rèn)為氨氧化古菌的 NH4+-N 基質(zhì)氧化路徑有 3 條[57]。同時(shí)，學(xué)者們研究了底物濃度、PH、碳源、溫度、DO、等環(huán)境因子對(duì) AOA的影響。學(xué)者們認(rèn)為，與 AOB 相比，AOA 對(duì)氨基質(zhì)的親和力較高，更適合寡營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)條件[58]；AOA 有多種耐酸性機(jī)制，主導(dǎo)著酸性環(huán)境中的氨氧化反應(yīng)[57]；同時(shí)。微宇宙實(shí)驗(yàn)和生態(tài)學(xué)的研究表明，AOA 是嚴(yán)格的自養(yǎng)生長(zhǎng)還是混合營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)尚不明晰，，人們?cè)谀承?AOA 的基因組中發(fā)現(xiàn)了編碼三羧酸循環(huán)的基因，同時(shí)同位

胺、酰胺、N-烷基羥胺、銨、肟及芳香硝基化合物等。早在 19 世紀(jì)末和 20 世紀(jì)初，在土壤硝化過程中發(fā)現(xiàn)了異養(yǎng)硝化現(xiàn)象。測(cè)試手段有限，此現(xiàn)象并有引起廣泛的重視。 20 世紀(jì) 80 年代，研究者壤和湖泊等自然環(huán)境中考察時(shí)，發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了異養(yǎng)硝化反應(yīng)在硝化過程中地位。近年來由于分子生物學(xué)手段的提高，大量的研究證明了異養(yǎng)硝化的存內(nèi)外的自然環(huán)境如我國(guó)的酸性落葉松腐殖質(zhì)、澳大利亞北部酸性闊葉森林美國(guó)內(nèi)華達(dá)林區(qū)土壤等地都發(fā)現(xiàn)了異養(yǎng)硝化的主導(dǎo)作用，這些現(xiàn)象表明，化在自然界氮素循環(huán)中起著舉足輕重的作用。目前對(duì)異養(yǎng)硝化的研究主要機(jī)理探究、土壤、湖泊等自然環(huán)境中的分布與作用及異養(yǎng)硝化菌的分離鑒。②異養(yǎng)硝化原理由于異養(yǎng)硝化菌可以利用的底物較多，且不同種類的異養(yǎng)硝化菌能夠利物種類不同，生成的代謝中間產(chǎn)物也多種多樣，因此異養(yǎng)硝化的代謝機(jī)理并不十分明確。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：X703

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前6條

1 韓懿;周健;張建兵;陳ml;;C/N值對(duì)異養(yǎng)硝化同步脫氮系統(tǒng)效能的影響[J];中國(guó)給水排水;2014年13期

2 辛玉峰;曲曉華;袁夢(mèng)冬;荊延德;;一株異養(yǎng)硝化-反硝化不動(dòng)桿菌的分離鑒定及脫氮活性[J];微生物學(xué)報(bào);2011年12期

3 肖晶晶;郭萍;霍煒潔;于江;朱昌雄;;反硝化微生物在污水脫氮中的研究及應(yīng)用進(jìn)展[J];環(huán)境科學(xué)與技術(shù);2009年12期

4 王曉?shī)?劉杰;于建生;;海洋氮循環(huán)細(xì)菌研究進(jìn)展[J];科學(xué)技術(shù)與工程;2009年17期

5 林燕;孔海南;王茸影;李春杰;嚴(yán)立;何義亮;;異養(yǎng)硝化作用的主要特點(diǎn)及其研究動(dòng)向[J];環(huán)境科學(xué);2008年11期

6 蔡晶,芮銘先,芮尊元;H/O生化處理系統(tǒng)中硫酸鹽的轉(zhuǎn)化規(guī)律[J];環(huán)境保護(hù);2001年10期

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前6條

1 楊壘;高效異養(yǎng)硝化細(xì)菌的脫氮特性及其處理高氨氮廢水研究[D];西安建筑科技大學(xué);2016年

2 劉帥;典型生境中氨氧化古菌（AOA）和氨氧化細(xì)菌（AOB）的微生物生態(tài)學(xué)研究[D];浙江大學(xué);2015年

3 遠(yuǎn)野;廢水碳氮硫污染物共脫除工藝調(diào)拉與生物硫回收參數(shù)優(yōu)化[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

4 丁潂;氨氧化古菌的富集及其在污水土地處理系統(tǒng)中的特性[D];清華大學(xué);2015年

5 李巍;廢水同步生物脫氮除硫特性與效能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

6 李玲玲;高鹽度廢水生物處理特性研究[D];中國(guó)海洋大學(xué);2006年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 陳川;EGSB同步脫硫反硝化的運(yùn)行效能和顆粒污泥的特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

本文編號(hào)：2631003