【摘要】：近年來,國內(nèi)外提出了能量中和(Energy neutral)或能量盈余(Energy positive)作為市政污水(主流污水)處理的發(fā)展目標(biāo)。其主要思路是首先回收污水中的有機(jī)碳源(COD)并將其轉(zhuǎn)化為甲烷,再采用低能耗技術(shù)進(jìn)行生物脫氮。亞硝化/厭氧氨氧化/反硝化(SNAD)-固定生物膜/活性污泥(IFAS)工藝因其具有能同時(shí)脫氮除碳、能耗低、節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用和工藝流程簡明等優(yōu)勢(shì),而被列為未來污水生物脫氮的重要工藝。但是,由于SNAD-IFAS工藝內(nèi)微生物種類繁多,微生物之間關(guān)系復(fù)雜,造成工藝穩(wěn)定性難以調(diào)控,并且針對(duì)自養(yǎng)脫氮生物膜形成及工藝內(nèi)微生物群落調(diào)控與相互作用的機(jī)制尚不明確。因此,本論文通過分子生物學(xué)技術(shù),并結(jié)合微生物資源管理與第二信號(hào)分子概念,分析了環(huán)二鳥苷酸(c-di-GMP)在自養(yǎng)脫氮生物膜形成過程中的作用及其在SNAD-IFAS工藝中對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。同時(shí),還闡明了不同調(diào)控條件下SNAD-IFAS工藝內(nèi)微生物群落空間異質(zhì)性、微生物群落變化規(guī)律和微生物群落相互作用關(guān)系。為了解自養(yǎng)脫氮生物膜形成的機(jī)制,本研究利用第二信號(hào)分子概念,分析了在自養(yǎng)脫氮生物膜形成過程中c-di-GMP與胞外聚合物(EPS)之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明自養(yǎng)脫氮生物膜的緊密結(jié)合型EPS(TB-EPS)含量要高于好氧氨氧化菌(AOB)和厭氧氨氧化菌(AnAOB),而生物膜的松散結(jié)合型EPS(LB-EPS)含量明顯低于AOB和AnAOB。同時(shí),AOB、AnAOB和生物膜上EPS中總的多糖含量與c-di-GMP濃度具有相同的變化趨勢(shì),并且AnAOB分泌的EPS中總的多糖含量和菌體內(nèi)c-di-GMP含量要高于AOB。在生物膜形成過程中,AnAOB中高濃度的c-di-GMP可以提高其胞外聚合物中多糖的合成,從而促進(jìn)對(duì)AOB的粘附以及自養(yǎng)脫氮生物膜的形成。為進(jìn)一步理解SNAD-IFAS工藝中微生物群落,本研究通過分子生物學(xué)技術(shù),對(duì)SNAD-IFAS工藝中微生物種屬、空間異質(zhì)性和微生物之間的相互作用關(guān)系展開了深入的探究工作。研究結(jié)果表明,在所構(gòu)建的SNAD-IFAS工藝中,AnAOB為Candidats Kuenenia stuttgartiensis,AOB 為 iNtrosomonas europaea,反硝化菌(DNB)為 Denitratsoma oestradiolicum。其中AnAOB和DNB主要分布于生物膜上,占比分別為51.49%和2.07%,而AOB主要分布于懸浮污泥中,占比為18%。Candidatus Kuenenia在微生物網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)主導(dǎo)地位,其他微生物都是圍繞它的生命活動(dòng)展開。其中與Candidatus Kuenenia存在顯著正相關(guān)的菌屬有Caldilinaeaceae、Ignavibacterium、Bryobacte 和Denitratisma。此外,AnAOB與DNB成正相關(guān)性,而與AOB成負(fù)相關(guān)性。在SNAD-IFAS工藝中,一些異養(yǎng)菌(Calldilinaeaceae、Bryobacter和Ignavibaacterium)可以作為AnAOB重要的伴生菌種,與AnAOB存在著密切的相關(guān)性。pH是影響微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的一個(gè)重要因素,關(guān)于微生物群落對(duì)pH響應(yīng)機(jī)制的研究長期忽略一個(gè)因子,即c-di-GMP的功能�；谝陨涎芯拷Y(jié)果,針對(duì)pH調(diào)控群落結(jié)構(gòu)變化及引起群落結(jié)構(gòu)變化的內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,在SNAD-IFAS工藝中,當(dāng)pH從7.5升高到8.5,懸浮污泥中Nitrospira(硝化細(xì)菌,NOB)的相對(duì)豐度從7.1%升高到38%,而生物膜中Candidatus Kuenenia(AnAOB)的相對(duì)豐度則從10.9%下降到0.8%。造成此現(xiàn)象的原因是在pH為8.5的條件下,NOB仍然具有很高的活性。隨著pH的升高,懸浮污泥中的一些細(xì)菌開始從附著態(tài)向運(yùn)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變。因?yàn)檫^高的pH(≥8.5)會(huì)導(dǎo)致這些菌體內(nèi)c-di-GMP含量的降低,從而增強(qiáng)了它們的運(yùn)動(dòng)性,以至于隨出水洗出反應(yīng)器。這將導(dǎo)致懸浮污泥中微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變并造成懸浮污泥中NOB占比的增加,影響生物膜上AnAOB的活性。針對(duì)利用SNAD-IFAS工藝處理主流模擬污水的運(yùn)行方案進(jìn)行了深入研究,并分析了 C/N比在調(diào)控主流SNAD-IFAS工藝處理效果和微生物群落結(jié)構(gòu)方面的作用。研究結(jié)果表明,利用SNAD-IFAS工藝處理主流污水的最佳C/N比為1.2±0.2,出水中COD、NH4+-N、NO2--N 和 N03--N 的平均濃度分別為 7.2、0.4、1.1 和 13.4mg/L。過高的 C/N比(≥ 2.0)將導(dǎo)致異養(yǎng)細(xì)菌(Hydrogenophaga)和NOB(Nitrspira)在懸浮污泥中過量繁殖,從而使主流SNAD-IFAS工藝的脫氮效率降低。在主流SNAD-IFAS工藝中存在兩種不同的脫氮途徑,即生物膜上的脫氮過程主要由AnAOB和NDB完成,而懸浮污泥中的脫氮過程則由AOB、NOB、AnAOB和DNB共同完成。此外,生物膜和懸浮污泥中多糖的含量與c-di-GMP濃度具有很強(qiáng)的相關(guān)性。AnAOB(Candidats Kuenenia)之所以可以在含低濃度有機(jī)物的環(huán)境中生長,是因?yàn)锳nAOB與一些異養(yǎng)細(xì)菌(Limnobacter、Bryobacter)呈現(xiàn)出明顯的共存關(guān)系(正相關(guān)性),而這些細(xì)菌可以保護(hù)厭氧氨氧化菌免受不利環(huán)境(氧氣、有機(jī)物質(zhì))的影響。主流SNAD-IFAS工藝與高速活性污泥和厭氧水解反硝化工藝相結(jié)合在城市污水處理廠提標(biāo)改造過程中具有極大的應(yīng)用潛力。
【圖文】：

劣Ｖ類水質(zhì)斷面比例分別為７１．２％、１９．７％和９．１％，湖泊（水庫）中，貧營養(yǎng)的１０個(gè)，中逡逑營養(yǎng)的７３個(gè)，輕度富營養(yǎng)的２０個(gè)，中度富營養(yǎng)的５個(gè)。湖泊（水庫）的富營養(yǎng)化問題仍逡逑然很突出。地表水的污染特點(diǎn)見圖１．１。其中常規(guī)污染物主要包括化學(xué)物質(zhì)和氮磷等營逡逑養(yǎng)物質(zhì)，而有毒有害、痕量污染物主要是重金屬和有毒的有機(jī)物，污染主要分為點(diǎn)源、逡逑面源和其他典型污染源。水體的人為污染導(dǎo)致了飲用水的匱乏，同時(shí)還會(huì)引起疾病的傳逡逑播，淡水資源的水體缺氧現(xiàn)象也是人為污染的一個(gè)環(huán)境問題。水體缺氧現(xiàn)象根本上是由逡逑水體富營養(yǎng)化引起的，而水體富營養(yǎng)化又離不開營養(yǎng)物質(zhì)（氮和磷）被大量排放到水體中，逡逑且排放的量己經(jīng)超過自然界同化這些營養(yǎng)物質(zhì)的水平。水體中的氮素主要以還原態(tài)的氨逡逑氮和氧化態(tài)的亞硝氮和硝氮形式存在，過量的氨氮會(huì)造成水體中氧氣的消耗，而水體中逡逑的亞硝酸鹽和硝酸鹽對(duì)于有氧呼吸的動(dòng)物而言是具有毒性的。逡逑第一次全國污染源普查結(jié)果顯示［２］，２００７年全國廢水排放總量２０９２．８１億噸，其中逡逑化學(xué)需氧量３０２８．９６萬噸，總氮４７２．８９萬噸，，氨氮１７２．９１萬噸，總磷４２．３２萬噸。由此逡逑可見

１．２．１傳統(tǒng)硝化反硝化工藝逡逑生物脫氮工藝的第一個(gè)階段是傳統(tǒng)硝化反硝化工藝，該工藝主要是通過硝化細(xì)菌與逡逑反硝化細(xì)菌協(xié)同完成的脫氮過程。該工藝原理見圖１．２。首先是好氧氨氧化菌（ａｍｍｏｎｉａ－逡逑ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ邋ｂａｃｔｅｒｉａ，邋ＡＯＢ）邋通過消耗邋７５％邋的分子氧將邋１邋ｍｏｌ邋氨氮轉(zhuǎn)化成邋１邋ｍｏｌ邋的亞硝氮，之逡逑后通過亞硝氮氧化細(xì)菌（ｎｉｔｒｉｔｅ－ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ邋ｂａｃｔｅｒｉａ，ＮＯＢ）將１邋ｍｏｌ的亞硝氮轉(zhuǎn)化為１邋ｍｏｌ的逡逑硝氮，此時(shí)消耗２５％的分子氧。此類生物反應(yīng)式在好氧的環(huán)境條件下完成，主要通過兩逡逑類自養(yǎng)菌完成。在將氨氮氧化成硝酸鹽后，通過在厭氧條件下，異養(yǎng)反硝化完成脫氮過逡逑程，將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)�。其中，４０％的碳源用于還原硝酸鹽到亞硝酸鹽，剩余的６０％逡逑的碳源用于將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻Ｔ摴に囘^程需要消耗分子氧４．７５邋ｇ／ｇＮＨ４＋－Ｎ，碳源逡逑消耗量邋４．７７邋ｇ邋ＣＯＤ／ｇ邋Ｎ０３－－Ｎ。逡逑Ａｕｔｏｔｒｏｐｈｉｃ邐Ｈｅｔｅｒｏｔｒｏｐｈｉｃ逡逑Ａｅｒｏｂｉｃ邋Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ邐１邋ｍ0｜邋Ｎｉｔｒａｔｅ邐Ａｎｏ．ｉｃ邋Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ逡逑（Ｎ０３＇）邐一邋４０％邋Ｃａｒｂｏｎ逡逑？ｊ邋＼逡逑１邋ｍｏｌ邋Ｎｉｔｒｉｔｅ邐１邋ｍｏｌ邋Ｎｉｔｒｉｔｅ逡逑（Ｎ0２邋）邐（ＮＯ？邋）邐－－邋６０％邋Ｃａｒｂｏｎ逡逑１邋ｍｏｌ邋Ａｍｍｏｎｉａ邐ｍｏｉ邋Ｎｉｔｒｏｇｅｎ邋Ｇａｓ逡逑（ＮＨ＾／ＮＨ，＊）邐（Ｎ２）逡逑Ｏｘｙｇｅｎ邋ｄｅｍａｎｄ邋４．５７邋ｇ邋／邋ｇ邋ＮＨ％－Ｎ邐Ｃａ
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(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)】

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1 ;環(huán)保“十三五”規(guī)劃思路:水泥等行業(yè)污染物排放高位趨緩[J];商品混凝土;2015年02期

2 李亮;李燕;紀(jì)志國;;短程硝化反硝化生物脫氮技術(shù)的研究進(jìn)展[J];北方環(huán)境;2011年04期

3 ;環(huán)境保護(hù)部通報(bào)第一次全國污染源普查結(jié)果[J];造紙信息;2010年03期

4 于德爽,彭永臻,張相忠,崔有為,孔范龍,劉棟;中溫短程硝化反硝化的影響因素研究[J];中國給水排水;2003年01期

5 陳際達(dá),陳志勝,張光輝,唐昌敏;含氮廢水亞硝化型硝化的研究[J];重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2000年03期

6 徐冬梅,聶梅生,金承基;亞硝酸型硝化試驗(yàn)研究[J];給水排水;1999年07期

本文編號(hào)：2701052