【摘要】：城市工業(yè)化的快速發(fā)展,人類活動的加劇,導(dǎo)致地下水受三氯乙烯(trichloroethylene, TCE)污染的態(tài)勢日益嚴(yán)重。鑒于地下水中TCE污染的廣泛性,TCE污染治理已成為國內(nèi)外研究人員廣泛關(guān)注的問題。生物修復(fù)技術(shù)具有效率高、成本低、完全降解和無二次污染等優(yōu)點(diǎn),成為研究人員關(guān)注的TCE污染治理的新技術(shù)。由于上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(upflow anaerobic sludge blanket reactor. UASB反應(yīng)器)中具有高濃度的微生物和微生物多樣性,因此,與其它的厭氧反應(yīng)器相比,UASB反應(yīng)器在難降解有機(jī)廢水處理領(lǐng)域更有優(yōu)勢,高濃度的微生物能夠快速地將污染物轉(zhuǎn)化降解。但是,TCE在UASB反應(yīng)器中的生物降解方面的研究國內(nèi)外罕有報道,以及TCE在厭氧反應(yīng)器中代謝機(jī)理尚不明確。本研究在閱讀大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)后,針對以上問題,提出以UASB反應(yīng)器為基礎(chǔ),在其中構(gòu)建TCE高效降解菌群。展開TCE對厭氧顆粒污泥的產(chǎn)甲烷毒性影響以及顆粒污泥產(chǎn)甲烷活性恢復(fù)情況；通過培養(yǎng)和馴化的手段,基于UASB反應(yīng)器構(gòu)建TCE厭氧降解菌群,探討TCE在UASB反應(yīng)器中的代謝機(jī)理；探索運(yùn)行參數(shù)對TCE降解效果的影響,利用高通量測序技術(shù),解析菌群降解TCE過程中各運(yùn)行參數(shù)的變化對厭氧微生物類群的多樣性以及結(jié)構(gòu)、功能的影響；并對UASB反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。論文所得的主要結(jié)論如下：(1)雖然TCE抑制甲烷菌的活性,并且抑制作用隨濃度增加而增強(qiáng)：但是,甲烷菌可以逐漸適應(yīng)TCE的抑制作用,TCE的濃度越大,甲烷菌需要的適應(yīng)時間就越長：TCE對甲烷菌的抑制作用較強(qiáng),TCE濃度為10-15mg/L時,屬于中度抑制：TCE濃度高于20mg/L時,屬于重度抑制。當(dāng)TCE濃度為5-15mg/L時,厭氧顆粒污泥產(chǎn)甲烷活性得到恢復(fù),而濃度大于20mg/L時,產(chǎn)甲烷活性并未恢復(fù)。(2)通過培養(yǎng)和馴化手段,在UASB反應(yīng)器中成功獲得TCE厭氧降解菌群,以葡萄糖和乳酸為碳源,TCE處理濃度為14.6-73mg/L時,TCE降解率在85%-90%,TCE的降解產(chǎn)物為順式-二氯乙烯(cis-dichloroethylene, cis-DCE)、氯乙烯(vinyl chloride, VC)和乙烯(ethene).通過454高通量測序技術(shù)分析TCE厭氧降解菌群的群落結(jié)構(gòu)。菌群中存在Petrimonas、Clostridium、Enterobacter和Lactococcus等多種發(fā)酵產(chǎn)酸菌和能將TCE降解為cis-DCE的厭氧脫氯菌Dehalobacter和Geobacter,以及嗜乙酸甲烷菌(Methanosaeta)(99.54%),而其他類型的古細(xì)菌所占比例很小,不到總序列數(shù)的0.5%。推測菌群在UASB反應(yīng)器中代謝TCE的機(jī)理為：多種發(fā)酵產(chǎn)酸菌(例如：Petrimonas、 Acetanaerobacterium、Syntrophobacter、Trichococcus、Clostridium、Enterobacter和Lactococcus)發(fā)酵葡萄糖和乳酸成乙酸,并產(chǎn)生H2:Dehalobacter和Geobacter利用H2為電子供體,TCE為電子受體,降解TCE,生成cis-DCE、VC和少量ethene; Desulfovibrio和Syntrophobacter維持厭氧環(huán)境和為厭氧脫氯菌群中的微生物提供必要的營養(yǎng)物質(zhì)：Methanosaeta利用發(fā)酵葡萄糖和乳酸產(chǎn)生的乙酸進(jìn)行產(chǎn)甲烷作用。(3)在溫度為30℃C,進(jìn)水pH值為7.0±0.1,TCE濃度為36.5mg/L,進(jìn)水COD為3100mg/L的條件下,水力停留時間(hydraulic retention time, HRT)由25h縮短至5h,TCE的處理負(fù)荷由35.04mg/L/d增加到175.2mg/L/d,結(jié)果表明：TCE在25h時降解率最大,為99.10%,而在5h時最低,為83.99%；隨著HRT的縮短,TCE處理負(fù)荷隨之升高,且HRT的縮短導(dǎo)致進(jìn)水速度過快,使得菌群與TCE接觸的幾率減小,導(dǎo)致TCE不能夠及時被完全降解,TCE降解率下降。利用Illumima Miseq高通量測序,在不同HRT條件下,在細(xì)菌群落中均檢測到Dehalococcoidia的存在,能將TCE徹底降解為ethene的Dehalococcoides sp均屬于Dehalococcoidia. Lactococcus和Petrimonas在不同HRT條件下均占主導(dǎo)地位,厭氧脫氯菌Geobacter和Dehalobacter的相對豐度隨著HRT的縮短而降低。冗余分析(redundancy analysis. RDA)表明：Lactococcus與TCE的去除率為負(fù)相關(guān),而Clostridium, Desulfovibrio, Eubacterium, Petrimonas, Syntrophobacter, Thermanaerovibrio與TCE的去除率正相關(guān)。(4)在溫度30℃C,為HRT為15h, TCE濃度為36.5mg/L,進(jìn)水COD為3100mg/L的條件下,進(jìn)水pH值由6.0逐步提升(6.5,7.0)至7.5時,菌群的活性逐漸增強(qiáng),TCE降解率隨之提高。TCE降解率在進(jìn)水pH值7.0下最大,為96.76%,而在6.0時最低,為79.33%；而且,pH值小于7.0時TCE的降解率明顯小于pH值大于7.0時TCE的降解率,說明pH值小于7.0的偏酸環(huán)境對菌群的活性影響較大。在不同pH條件下,在細(xì)菌群落中均未檢測到Dehalococcoidia的存在。由于Lactococcus和Petrimonas為發(fā)酵產(chǎn)酸菌,因此它們在不同pH條件下均占主導(dǎo)地位,厭氧脫氯菌Geobacter和Dehalobacter的相對豐度隨著pH的提升而增加。而在pH為6.0時,未檢測到Dehalobacter的存在,并且Geobacter豐度較低(0.81%),這可能是TCE的降解率在pH為6.0時最低的原因。RDA分析表明：Lactococcus與TCE的去除率為負(fù)相關(guān),而Propionicicella, Petrimonas, Syntrophobacter和Thermanaerovibrio與TCE的去除率正相關(guān)。(5)在HRT為15h,TCE濃度為36.5mg/L,進(jìn)水COD為3100mg/L,進(jìn)水pH值為7.0±0.1的條件下運(yùn)行,溫度由20℃逐步提升(25℃,30℃)至35。C時,TCE降解率隨之提高,TCE降解率在30℃C下最大為97.89%；而溫度提升到400C時,菌群的活性受到抑制,TCE降解率只有77.90%,溫度的升高使得菌群中可以適應(yīng)溫度改變的類群逐漸成為優(yōu)勢種,進(jìn)而提高了對TCE的降解效能,過高的溫度,菌群的活性下降,使菌群對TCE的降解效能下降。溫度為25。C--40℃C時,在細(xì)菌群落中檢測到Dehalococcoidia的存在。溫度為200C-300C時,厭氧脫氯菌Geobacter和Dehalobacter的相對豐度隨著溫度的提升而增加：在400C時,未檢測到Dehalobacter的存在,并且Geobacter豐度較低(1.76%),這可能是TCE的降解率在400C最低的原因。RDA分析表明：Lactococcus, Syntrophobacter, Desulfovibrio, Petrimonas, Clostridium和Blvii28 wastewater-sludge group與TCE的去除率為負(fù)相關(guān),而只有Thermanaerovibrio與TCE的去除率正相關(guān)。(6)采用響應(yīng)面法中的中心組合設(shè)計(jì)對HRT、溫度和進(jìn)水pH值等UASB反應(yīng)器的運(yùn)行條件進(jìn)行優(yōu)化。通過模型預(yù)測的最優(yōu)UASB反應(yīng)器運(yùn)行條件為HRT為19.44h,溫度為31.07℃,進(jìn)水pH為7.13時,TCE去除率達(dá)到96.52%,以模型預(yù)測的最佳條件進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)際操作中UASB反應(yīng)器運(yùn)行條件為HRT為20h,溫度為32℃和進(jìn)水pH為7.2時,TCE的平均去除率為97.71%,并且TCE去除率比優(yōu)化前(90.17%)提高了8.36%。
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：X172

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 劉疏影;王堅(jiān);;三氯乙烯與帕金森病[J];中國臨床神經(jīng)科學(xué);2013年02期

2 王新新;張穎;李慧;王元芬;;三氯乙烯降解菌FT17的分離、鑒定及其降解特性研究[J];微生物學(xué)通報;2009年04期

本文編號：2795772