厭氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidizing, Anammox)技術因其高效、低能耗和環(huán)境友好的特點受到廣泛關注,但該技術至今仍未得到廣泛的工程應用,主要限制瓶頸為：Anammox細菌富集困難導致的工藝啟動期漫長。此外,污水中的重金屬、有機碳等物質(zhì)會抑制其代謝活性,進一步限制了該技術的工程應用范圍。針對上述問題,本論文以Anammox菌群為研究對象,選取實際廢水中常見的重金屬元素Cd、Ag、Hg、Pb和微生物代謝所必須的微量元素Fe、Mn共6種常見金屬元素,通過探索上述重金屬元素對Anammox菌群脫氮效果和代謝活性的影響及相關機理。在此基礎上,開發(fā)出強化Anammox菌群代謝活性、縮短工藝啟動期的新方法。此外,對Anammox與異養(yǎng)反硝化耦合脫氮工藝進行數(shù)學模擬,優(yōu)化主要工藝條件、詳細分析了模型中的關鍵動力學參數(shù)對模擬結果的影響。論文取得了一些創(chuàng)新性的研究成果,主要包括：(1)Cd2+、Ag+、Hg2+和Pb2+4種重金屬離子依據(jù)暴露濃度不同,可對Anammox細菌的活性產(chǎn)生不同程度地抑制作用,導致Anammox菌群的總氮去除速率、胞內(nèi)聯(lián)氨脫氫酶(HDH)活性以及血紅素c (heme c)的含量不同程度地下降。其中Cd2+和Hg2+的抑制作用在短期內(nèi)不可逆；而Ag+和Pb2+的抑制作用經(jīng)過96小時的恢復期,依據(jù)暴露濃度的大小,可部分或完全消除。上述4種元素對Anammox菌的毒性由強到弱依次為：Cd2+Ag+Hg2+Pb2+(2)在一定范圍內(nèi)提高基質(zhì)中Fe2+濃度能夠有效增強Anammox菌群的脫氮速率。在0.03-0.09 mM-Fe范圍內(nèi),Anammox菌群總氮去除速率、heme c含量和HDH活性隨著Fe2+濃度的增加而提高,最優(yōu)值為0.09 mM。在此條件下,Anammox菌群的總氮去除速率可提高32.2%；Anammox反應器的啟動期僅為58 d,與對照組相比縮短28%。當Fe2+濃度達到0.18 mM時,Anammox菌群的活性會受到明顯的抑制。(3)MnO2能夠緩沖高濃度基質(zhì)對菌群的不利影響,進而強化Anammox菌群的活性。反應器實驗證實,添加MnO2可使Anammox菌群的總氮負荷速率、總氮去除速率以及胞內(nèi)HDH活性分別提高66.9%、98.2%和76.7%。經(jīng)過長期培養(yǎng)、Mn元素逐漸在Anammox細菌細胞內(nèi)部富集,并對細胞結構產(chǎn)生影響。(4)通過建立數(shù)學模型,可對指定條件下Anammox耦合異養(yǎng)反硝化脫氮工藝(SAD)的水質(zhì)變化進行模擬。C/NO3-N比和污泥濃度比(反硝化菌/Anammox菌,XH/XAN)是控制脫氮效果的關鍵因素。C/NO3-N比在1.5-2.0、XH/XAN在0.3-0.4范圍是SAD體系獲得理想脫氮和脫碳效果的必要條件。在該模型中,Anammox菌和異養(yǎng)反硝化菌的亞硝氮半飽和速率常數(shù)比(KNO2H/KNO2AN)和異養(yǎng)反硝化菌分別以硝氮和亞硝氮代謝的缺氧還原系數(shù)比(ηNOB/ηNO2)為敏感性參數(shù),會對模型的模擬結果產(chǎn)生顯著影響。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：X703;X172
【部分圖文】：

１．２．２厭氧氨氧化體逡逑利用電子斷層成像技術腳ｅｃｔｒｏｎ邋Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，邋ＥＴ巧日透射電子顯微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ逡逑Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋Ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ，邋ＴＥＭ）技術對Ａｎａｍｍｏｘ細菌的超微結構進行了研究［３７］，圖１．３為電逡逑子斷層掃描圖片，可清楚觀察到呈不規(guī)則彎曲形態(tài)的厭氧氨氧化體膜、厭氧氨氧化體逡逑內(nèi)的儲存顆粒Ｗ及由厭氧氨氧化體膜伸向厭氧氨氧化體內(nèi)部的深管狀突起。經(jīng)放大觀逡逑察，這些管狀結構的橫截面呈六邊形，且由３個彼此巧同的單元所構成。每個獨立的單逡逑元平均寬度為９．４邋ｒｎｎ，共同組成了即長又細的管狀結構，有時該結構也會排列成姐，并逡逑可Ｗ充分伸展。據(jù)推測，該管狀結構可能作為細胞骨架維持厭氧氨氧化體膜的彎曲形逡逑態(tài)，或者在厭氧氨氧化體分裂時起到關鍵作用，此外也可能是厭氧氨氧化體內(nèi)某種關鍵逡逑代謝酶的高度聚集而形成的高級結構［３７］。逡逑圖１．３邋Ａｎａｍｍｏｘ菌的電子斷層掃描圖；左圖：分裂中的Ａｎｎａｍｍｏｘ細胞；右圖：單個逡逑Ａｎａｍｍｏｘ邋細胞口ｎ逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｓｎａｐｓｈｏｔｓ邋ｏｆ邋Ａｎａｍｍｏｘ邋ｂａｃｔｅｒｉａ邋ｂｙ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ；邋Ｄｉｖｉｄｉｎｇ邋Ａｎａｍｍｏｘ邋ｃｅｌｌ逡逑（ｌｅｆｔ）邋ａｎｄ邋ｓｉｎ呂ｌｅ邋Ａｎａｍｍｏｘ邋ｃｅｌｌ邋（ｒｉｇｈｔ）邋口７］逡逑利用細胞色素過氧化物酶染色方法對細胞進行染色，發(fā)現(xiàn)參與代謝的細胞色素Ｃ蛋逡逑白位于厭氧氨氧化體靠近其邊緣約１５０ｎｍ的范圍內(nèi)，另外在厭氧氨氧化體膜彎曲程度逡逑８逡逑

通過邋ＴＥＭ邋發(fā)逡逑現(xiàn)了進行Ａｎａｍｍｏｘ代謝的器官；厭氧氨氧化體（Ａｎａｍｍｏｘｏｓｏｍｅ），于是提出了第２種逡逑Ａｎａｍｍｏｘ代謝途徑（圖１．巧：位于細胞膜內(nèi)部的細胞質(zhì)一側存在亞硝酸鹽還原酶逡逑（Ｎｉｔｒｉｔｅ－ｒｅｄｕｃｉｎｇ邋ｅｎｚｙｍｅ，邋Ｎｉｒ），將邋Ｎ０２＇還原為邋ＮＨ２ＯＨ；聯(lián)氨水解酶（Ｈｙｄｒａｚｉｎｅ邋ｈｙｄｒｏｌａｓｅ，逡逑ＨＨ）催化ＮＨ２ＯＨ和ＮＨ３縮合成Ｎ２Ｈ４；而位于Ａｎａｍｍｏｘｏｓｏｍｅ邋—側的

本文編號：2816669