本文關(guān)鍵詞：混合充氧強(qiáng)化水源水庫(kù)貧營(yíng)養(yǎng)好氧反硝化菌的脫氮特性及技術(shù)應(yīng)用研究

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【摘要】：以削減水庫(kù)的氮素、控制水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化為切入點(diǎn),針對(duì)分層型水源水庫(kù)夏秋季底層缺氧、內(nèi)源污染嚴(yán)重和藻類高發(fā)的問(wèn)題,為防止水庫(kù)內(nèi)源污染物的釋放,必須保持水庫(kù)水體為好氧狀態(tài)。因此,在水庫(kù)中實(shí)現(xiàn)好氧反硝化脫氮成為一個(gè)新課題。本文以北方典型分層型水源水庫(kù)-周村水庫(kù)為例,采用高通量測(cè)序技術(shù)、Biolog-ECO技術(shù)、熒光定量PCR技術(shù)、三維熒光技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與實(shí)驗(yàn)室模擬相結(jié)合的方法,重點(diǎn)研究了:(1)周村水庫(kù)反硝化速率及反硝化功能菌群時(shí)空分布特征;(2)貧營(yíng)養(yǎng)好氧反硝化菌的分離鑒定及其脫氮特性;(3)原位圍隔-混合充氧強(qiáng)化水庫(kù)好氧反硝化菌的脫氮特性;(4)揚(yáng)水曝氣強(qiáng)化水庫(kù)好氧反硝化菌的脫氮特性;(5)好氧反硝化菌的技術(shù)應(yīng)用研究。主要結(jié)論和成果如下:(1)借助水庫(kù)水質(zhì)、反硝化速率的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及反硝化群落的高通量分析,證實(shí)了周村水庫(kù)在熱分層初期,發(fā)生了明顯的好氧反硝化生物脫氮。水庫(kù)水溫以及小分子量有機(jī)物的增加,是促使好氧反硝化脫氮的主要原因。與此同時(shí),熱分層初期水體和表層沉積物中好氧反硝化菌的菌落密度、反硝化功能基因豐度以及反硝化速率明顯升高。周村水庫(kù)反硝化速率以及群落結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的時(shí)空差異,并且氮素、總磷、溫度、溶解氧以及有機(jī)碳是影響水庫(kù)反硝化菌群落分布的關(guān)鍵因素。(2)建立了高效貧營(yíng)養(yǎng)好氧反硝化菌富集篩選的技術(shù)方法,基于生理生化、掃描電鏡、16S rRNA測(cè)序、napA基因鑒定等分子生物學(xué)分析,確定好氧反硝化菌為不動(dòng)桿菌屬、新鞘脂菌屬、水桿菌屬、鞘脂單胞菌屬、動(dòng)膠桿菌屬以及代爾夫特菌屬。分析了不同氮源、碳源、溫度、溶解氧、投菌量以及pH對(duì)好氧反硝化菌脫氮特性的影響,并提出了高效菌株的源水馴化方法。(3)通過(guò)水庫(kù)原位圍隔實(shí)驗(yàn)的實(shí)施,研究了混合充氧強(qiáng)化水庫(kù)貧營(yíng)養(yǎng)好氧反硝化菌的脫氮特性和代謝活性。結(jié)果表明:混合充氧的圍隔系統(tǒng)中的氮素得到有效去除;好氧反硝化菌以及反硝化功能基因明顯增加;氮循環(huán)菌Hydrogenophaga、Acinetobacter、Zoogloea、Sphingomonadaceae的豐度顯著升高;經(jīng)過(guò)強(qiáng)化后的貧營(yíng)養(yǎng)好氧反硝化菌仍然具有高效的脫氮特性,水溫4~12℃、30天內(nèi)水體中總氮從2.27下降到1.40mg/L,表層沉積物中總氮從4040.24下降到2095.30μg/g;反硝化功能基因的豐度與氮去除量的相關(guān)性很高;強(qiáng)化系統(tǒng)中微生物代謝活性和多樣性明顯高于水庫(kù)對(duì)照系統(tǒng)。通過(guò)原位混合充氧強(qiáng)化水庫(kù)好氧反硝化菌進(jìn)行微污染水源水體的生物修復(fù)是可行的。(4)基于揚(yáng)水曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行,探明了揚(yáng)水曝氣系統(tǒng)強(qiáng)化貧營(yíng)養(yǎng)好氧反硝化菌實(shí)現(xiàn)生物脫氮的作用機(jī)理、影響因素以及脫氮效果。揚(yáng)水曝氣系統(tǒng)運(yùn)行30天實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)作用區(qū)域水體的混合充氧,完成了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在上下層水體的輸送,為水庫(kù)好氧反硝化菌完成生物脫氮提供了合適的環(huán)境條件;水庫(kù)主庫(kù)區(qū)總氮從2.55mg/L降到0.48mg/L,去除率達(dá)到81.18%,較往年同期總氮削減83.51%;水庫(kù)主庫(kù)區(qū)氨氮從2.39mg/L降到0.15mg/L,去除率達(dá)到93.72%,較往年同期氨氮削減91.98%;水庫(kù)主庫(kù)區(qū)的好氧反硝化菌的菌落數(shù)從2.56×10~3上升到1.63×10~8 cfu/m L,較往年同期增長(zhǎng)了10~4倍;底層沉積物的反硝化速率得到明顯增加,較往年同期增長(zhǎng)了10~~20倍;與此同時(shí),總磷、鐵錳、TOC、嗅味/硫化物也得到明顯削減,達(dá)到國(guó)家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》III類標(biāo)準(zhǔn);溶解氧、溫度、錳、氨氮、TOC以及沉積物總磷是影響微生物群落結(jié)構(gòu)變化的主要因素。揚(yáng)水曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行表明:基于揚(yáng)水曝氣技術(shù)原位強(qiáng)化好氧反硝化菌可實(shí)現(xiàn)水庫(kù)氮素的高效去除,使水庫(kù)生態(tài)自我修復(fù)功能得到恢復(fù),并且能與自然混合過(guò)程銜接,使水庫(kù)良好的水質(zhì)狀態(tài)延長(zhǎng),有效改善水庫(kù)水質(zhì)。(5)針對(duì)水庫(kù)貧營(yíng)養(yǎng)的水質(zhì)特征,開發(fā)了一種針對(duì)貧營(yíng)養(yǎng)好氧反硝化菌的富集以及菌劑制備的優(yōu)化方法。與此同時(shí),固體菌劑的脫氮研究表明:固定化的好氧反硝化菌劑具有高效脫氮特性,在源水中120h氮素從1.83mg/L下降到0.38mg/L,去除率達(dá)到79.4%;源水中好氧反硝化菌的菌落密度從2.51×10~4上升到6.81×10~6cfu/m L,反硝化菌增長(zhǎng)明顯。
【學(xué)位授予單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：X172;X524
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本文編號(hào)：1297447