【摘要】：由于地表及地下水中超標(biāo)的硝酸鹽會(huì)對(duì)水環(huán)境和人類健康造成嚴(yán)重威脅,尋求高效、低耗、無(wú)二次污染的硝酸鹽去除技術(shù)已成為當(dāng)今水處理界的一個(gè)重要課題。而生物處理技術(shù)因具有高效低耗的特點(diǎn),己成為最具優(yōu)勢(shì)的硝酸鹽去除技術(shù)。雖然硝酸氮的生物處理技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的研究和論證,但是很多情況下硝酸氮污染的水體會(huì)同時(shí)面臨著重金屬和致毒有機(jī)物的威脅,目前,雖然部分研究開始涉足生物反應(yīng)器對(duì)硝酸氮、重金屬及有機(jī)物的同步去除,但是關(guān)于重金屬和致毒有機(jī)物對(duì)反硝化的影響以及與硝酸氮同步降解的機(jī)理并沒有系統(tǒng)的研究,本文嘗試在反硝化的前提下,研究幾種重金屬及致毒有機(jī)物對(duì)生物自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)反硝化效果、優(yōu)勢(shì)菌群、關(guān)鍵酶活性、反硝化功能基因、胞外聚合物等的影響,從宏觀及微觀層面揭示幾種重金屬及致毒有機(jī)物對(duì)反硝化過(guò)程的毒性效應(yīng),對(duì)生物自養(yǎng)反硝化的實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。本文構(gòu)建硫自養(yǎng)-電化學(xué)氫自養(yǎng)耦合反硝化系統(tǒng),研究重金屬離子Cr(VI)和V(V),致毒有機(jī)物苯酚(phenol)、對(duì)硝基酚(PNP)和氯霉素(CAP)對(duì)耦合系統(tǒng)反硝化過(guò)程的影響。結(jié)果表明當(dāng)耦合反硝化系統(tǒng)初始Cr(VI)的濃度從零增加到150 mg/L時(shí),耦合反硝化系統(tǒng)的脫氮效率不斷降低。在100mg/L初始Cr(VI)的脅迫下,耦合反硝化系統(tǒng)對(duì)100 mg/L濃度以下的NO3--N均能夠基本實(shí)現(xiàn)完全反硝化,但當(dāng)初始N03--N的濃度為200 mg/L時(shí),耦合系統(tǒng)的脫氮效果降低到81.69%。在100 mg/L初始Cr(VI)的脅迫下,耦合反硝化系統(tǒng)在pH為7時(shí)能取得最好的反硝化效果,硝酸氮的平均去除率達(dá)到93.01%。當(dāng)初始Cr(VI)的濃度為150 mg/L時(shí),耦合反硝化系統(tǒng)中的硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶的活性均出現(xiàn)了較大幅度的降低。100 mg/L以內(nèi)的Cr(VI)對(duì)耦合反硝化系統(tǒng)生物膜的形成的影響較小,但是繼續(xù)增加Cr(VI)的濃度到150 mg/L,耦合反硝化系統(tǒng)內(nèi)的微生物受到明顯影響,將分泌較少的EPS。耦合系統(tǒng)在Cr(VI)的脅迫環(huán)境下某些反硝化微生物會(huì)受到一定的毒性影響而使其減少或者消失。耦合系統(tǒng)能夠取得較好的反硝化效果,主要依靠Proteobacteria、Firmicutes菌門和Betaproteobacteria、Clostridia菌綱的反硝化功能。當(dāng)初始Cr(VI)的濃度從0增加到150mg/L,耦合反硝化系統(tǒng)中主要的反硝化功能基因nirS,nirK,narG,napA的拷貝數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。Cr(VI)在耦合反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)被去除主要是通過(guò)生物還原過(guò)程變?yōu)镃r(III)與生物膜結(jié)合在一起,或最終隨生物膜一起脫落并被排出反應(yīng)器。當(dāng)耦合反硝化系統(tǒng)初始V(V)的濃度從零增加到100 mg/L時(shí),耦合反硝化系統(tǒng)的脫氮效率不斷降低。在60 mg/L初始V(V)的脅迫下,當(dāng)電流從50 mA增加到200 mA時(shí),耦合反硝化系統(tǒng)的反硝化效果逐漸增加,但當(dāng)電流增大到400 mA時(shí),耦合系統(tǒng)反硝化的效果反而降低。在60 mg/L初始V(Ⅴ)的脅迫下,耦合反硝化系統(tǒng)在中性環(huán)境下脫氮效果最佳,酸性或堿性環(huán)境都會(huì)降低脫氮效果。當(dāng)初始V(Ⅴ)的濃度大于60 mg/L時(shí),硝酸鹽還原酶活性和亞硝酸鹽還原酶活性均顯著地降低,這與明顯降低的硝酸氮的去除率相對(duì)應(yīng)。LDH釋放率和ROS產(chǎn)率的分析結(jié)果表明了高于60 mg/L的V(Ⅴ)的脅迫環(huán)境會(huì)對(duì)硫自養(yǎng)-電化學(xué)氫自養(yǎng)耦合反硝化系統(tǒng)內(nèi)的微生物產(chǎn)生損害。V(Ⅴ)的脅迫會(huì)使硫自養(yǎng)-電化學(xué)氫自養(yǎng)耦合反硝化系統(tǒng)內(nèi)的微生物豐度、物種總數(shù)和微生物多樣性都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。耦合反硝化系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位的菌門和菌綱為Proteobacteria、Firmicutes菌門和Betaproteobacteria、Clostridia、Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria菌綱。不斷增加的V(V)的濃度會(huì)對(duì)耦合反硝化系統(tǒng)中主要的反硝化功能基因的豐度產(chǎn)生抑制作用,從而導(dǎo)致耦合系統(tǒng)反硝化效果的不斷降低。被去除的V(Ⅴ)在耦合反硝化系統(tǒng)中被生物還原的最終產(chǎn)物為V(Ⅳ)。當(dāng)耦合反硝化系統(tǒng)初始苯酚的濃度從零增加到100 mg/L時(shí),耦合反硝化系統(tǒng)的脫氮效率不斷降低,100 mg/L的苯酚對(duì)耦合反硝化系統(tǒng)的抑制作用最為明顯。在50 mg/L初始苯酚的脅迫下,隨著初始硝酸氮的濃度的增加,耦合反硝化系統(tǒng)對(duì)硝酸氮的去除率逐漸降低。在50 mg/L初始苯酚的脅迫下,pH為7時(shí)硫自養(yǎng)-電化學(xué)氫自養(yǎng)耦合反硝化系統(tǒng)取得最佳的脫氮效果。隨著初始苯酚的濃度的增加,硝酸鹽還原酶活性和亞硝酸鹽還原酶活性均呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì),這與不斷降低的反硝化效率相一致。隨著初始苯酚濃度的增加,耦合反硝化系統(tǒng)分泌越來(lái)越少的EPS,從而影響耦合反硝化系統(tǒng)內(nèi)生物膜的形成,降低脫氮效率。當(dāng)初始苯酚濃度低于50 mg/L時(shí),耦合反硝化系統(tǒng)內(nèi)的微生物多樣性在苯酚的刺激下表現(xiàn)出增加的趨勢(shì),但是當(dāng)苯酚濃度增加到100 mg/L時(shí),耦合反硝化系統(tǒng)內(nèi)的微生物的多樣性下降,100 mg/L的苯酚對(duì)耦合反硝化系統(tǒng)內(nèi)的微生物產(chǎn)生了較為明顯的負(fù)面影響。苯酚在耦合反硝化系統(tǒng)中被去除,主要是作為碳源參與異養(yǎng)反硝化過(guò)程,此時(shí)耦合系統(tǒng)中的反硝化過(guò)程是自養(yǎng)和異養(yǎng)結(jié)合的反硝化過(guò)程。當(dāng)初始對(duì)硝基酚的濃度從零增加到100 mg/L,耦合反硝化系統(tǒng)的反硝化效率逐漸降低,但是降低的幅度相對(duì)較小。在60 mg/L的初始對(duì)硝基酚的脅迫環(huán)境下,隨著初始硝酸氮的濃度不斷增加,耦合反硝化系統(tǒng)對(duì)硝酸氮的去除率逐漸降低。在60 mg/L的初始對(duì)硝基酚的脅迫環(huán)境下,pH為7時(shí)硫自養(yǎng)-電化學(xué)氫自養(yǎng)耦合反硝化系統(tǒng)取得最佳的脫氮效果,當(dāng)pH為酸性或堿性時(shí),耦合反硝化系統(tǒng)內(nèi)的微生物的活性會(huì)受到抑制,從而導(dǎo)致反硝化不完全,亞硝酸氮也出現(xiàn)了一些累積。100 mg/L以內(nèi)的對(duì)硝基酚對(duì)耦合反硝化系統(tǒng)的硝酸鹽還原酶活性和亞硝酸鹽還原酶活性影響相對(duì)較小。乳酸脫氫酶的釋放量和活性氧的產(chǎn)生量隨著對(duì)硝基酚的濃度的增加升高的幅度并不是很大,說(shuō)明100 mg/L以內(nèi)的對(duì)硝基酚對(duì)耦合反硝化系統(tǒng)內(nèi)的微生物的細(xì)胞膜的損害相對(duì)較小。當(dāng)耦合反硝化系統(tǒng)在對(duì)硝基酚的脅迫環(huán)境下時(shí),系統(tǒng)中最優(yōu)勢(shì)的Proteobacteria菌門占耦合反硝化系統(tǒng)總菌門的比例波動(dòng)相對(duì)較小,這表明了對(duì)硝基酚對(duì)耦合反硝化系統(tǒng)的主導(dǎo)菌門影響較小,這與對(duì)硝基酚脅迫環(huán)境下耦合系統(tǒng)降低程度較小的反硝化效率是相一致的。對(duì)硝基酚在耦合反硝化系統(tǒng)中被去除主要是被反硝化微生物還原為對(duì)氨基酚。當(dāng)初始氯霉素的濃度從零增加到150 mg/L,耦合反硝化系統(tǒng)的反硝化效率逐漸降低。在100 mg/L的氯霉素的環(huán)境下,隨著初始硝酸氮的濃度的增加,有限的電子供體不能無(wú)限制的用于還原硝酸氮,所以硝酸氮的去除效果降低。在100 mg/L的氯霉素的脅迫環(huán)境下,隨著電流從50 mA增加到200 mA,在氯霉素的脅迫環(huán)境下耦合反硝化系統(tǒng)對(duì)硝酸氮的去除率逐漸增加,但是當(dāng)電流為400 mA時(shí),耦合反硝化系統(tǒng)對(duì)硝酸氮的去除率反而降低為85.11%。耦合反硝化系統(tǒng)中初始氯霉素的濃度的不斷增加,會(huì)使系統(tǒng)硝酸鹽還原酶活性和亞硝酸鹽還原酶活性都降低。隨著氯霉素濃度的增加,耦合反硝化系統(tǒng)中乳酸脫氫酶的釋放量和活性氧不斷增加的趨勢(shì)表明系統(tǒng)中的微生物受到的損害越來(lái)越嚴(yán)重,從而反硝化效果越來(lái)越差。氯霉素的環(huán)境會(huì)對(duì)耦合反硝化系統(tǒng)內(nèi)的微生物物種產(chǎn)生較大的影響。隨著氯霉素的濃度從零增加到150 mg/L,耦合反硝化系統(tǒng)中的反硝化功能基因nirS,nirK,narG和napA的拷貝數(shù)均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),表明氯霉素的脅迫環(huán)境會(huì)使系統(tǒng)中主要的反硝化功能基因的豐度降低。氯霉素在耦合反硝化系統(tǒng)中被降解可能是作為異養(yǎng)反硝化的碳源被利用。
【圖文】：

２－１硫自養(yǎng)－電化學(xué)氫自養(yǎng)耦合反硝化反應(yīng)裝置示意圖。逡逑ｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃｏｍｂｉｎｅｄ邋ｓｕｌｆｕｒ邋ａｕｔｏｔｒｏｐｈｉｃ－ｂｉｏｅｌｅａｕｔｏｈｙｄｒｏｇｅｎｔｒｏｐｈｉｃ邋ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ，逡逑啟動(dòng)階段，將取自武漢市二郎廟污水處理廠的污泥（加入反應(yīng)器進(jìn)行掛膜啟動(dòng)。這個(gè)階段共持續(xù)６０天，反ＣＶ－Ｎ邋３０邋ｍｇ／Ｌ，ＨＣＣＶ邋６０邋ｍｇ／Ｌ，邋ＭｇＣｈ邋１０邋ｍｇ／Ｌ，ＺｎＣｌｇ／Ｌ，邋ＭｎＳ０４邋１．００邋ｍｇ／Ｌ，邋ＮｉＣｌ２邋０．３０邋ｍｇ／Ｌ，邋ＣｕＣｌ２邋０．３０邋ｍｇ／Ｌ０．５０邋ｍｇ／Ｌ，，邋Ｎａ２Ｍｏ０４邋０．３０邋ｍｇ／Ｌ。電流維持在邋５０邋ｍＡ，，進(jìn)水ｐＨ值為６。５－７．５。此階段監(jiān)測(cè)反應(yīng)器的脫氮效率，除效率均在９５％以上，而且上部碳纖維氈表面和下部密的生物膜，即認(rèn)為反應(yīng)器啟動(dòng)成功，可以進(jìn)行后續(xù)的養(yǎng)段和電化學(xué)氫自養(yǎng)段的生物膜量分別約為５２邋ｍｇ／ｇ析項(xiàng)目及方法逡逑水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目及方法逡逑

Ｆｉｇｕｒｅ邋３－１邋Ｎｉｔｒａｔｅ邋ｒｅｍｏｖａｌ邋ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ邋ｉｎ邋ｔｈｉｓ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｕｎｄｅｒ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋Ｃｒ（ＶＩ）逡逑ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ。逡逑圖３－１表示的是當(dāng)初始Ｃｒ（ＹＩ）濃度從０增加到１５０邋ｍｇ／Ｌ時(shí)，耦合系統(tǒng)反硝化逡逑的效率變化及出水亞硝酸氮濃度的變化。當(dāng)初始Ｃｒ（ＶＩ）的濃度為零時(shí)，耦合反硝逡逑化反應(yīng)器表現(xiàn)出了很好的脫氮效率，硝酸氮的平均去除率可以達(dá)到９８．３４％。出逡逑水亞硝氮的濃度也都保持在接近零的水平。這說(shuō)明了硫自養(yǎng)－電化學(xué)氫自養(yǎng)耦合逡逑反硝化反應(yīng)系統(tǒng)具有較好的脫氮效果。當(dāng)初始Ｃｒ（ＶＩ）的濃度為５０邋ｍｇ／Ｌ時(shí)，反硝逡逑化的效率略為降低，平均值為９７．６２％，說(shuō)明５０邋ｍｇ／Ｌ的Ｃｒ（ＶＩ）對(duì)耦合反硝化系逡逑１７逡逑
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：X52

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本文編號(hào)：2632648