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《哈尔滨工业大学》 2007年
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厌氧折流板反应器应用技术及微生物群落生态学研究

朱葛夫  
【摘要】: 厌氧折流板反应器(ABR)是一类源于分阶段多相厌氧反应器(Staged Multi-Phase Anaerobic Reactor,SMPA)理论的第三代新型厌氧反应器。它一经问世便成为环境科研工作者的研究热点。论文对7格室ABR反应系统的运行控制对策进行了研究,并借助于PCR-SSCP基因指纹分析技术,对此系统运行过程中微生物群落更迭和演替规律进行了分析,在此基础上研发了高效的ABR反应设备,并成功将其应用到发酵法生物制氢技术及大豆蛋白生产废水的处理研究之中。 基于ABR系统对有机物降解过程及微生物生态学的研究,提出了产氢产乙酸过程是厌氧消化过程的第一限速步骤的学术观点,并通过实验证明了这一观点的正确性,是对产甲烷段由于生存条件严格而必然成为第一限速步骤”这一传统理论的重要补充。 在工程运行控制对策研究的基础上,研制成功ABRⅢ型废水处理设备(ZL200420063866.9),并在大豆蛋白生产废水处理实验中取得了理想效果。在接种好氧活性污泥(18.0 gVSS/L)、HRT 48 h、温度35℃的条件下,当进水COD浓度由2000 mg/L提高到10000 mg/L的运行过程中,系统经过93天的运行,COD去除率可以稳定在97%以上,并在各个格室培养出成熟的颗粒污泥。 研发了ABRⅡ型发酵制氢反应设备(ZL200410044082.6),在运行条件相似的条件下,其产氢量、单位基质的氢气转化率均高于CSTR型反应器。在以好氧活性污泥为种泥,以稀释糖蜜为原料,在进水COD浓度5000 mg/L、HRT 13.5 h、35℃的条件下,ABR的活性污泥的比产氢率为0.13 L/gVSS·d,单位基质的比产氢率为0.13 L/gCOD。二者均比相似条件下的CSTR类型反应系统高。ABRⅢ型反应设备的大豆蛋白生产废水产氢试验也获得了较高的比产氢速率,说明ABR系统具有更好的运行稳定性和微生物代谢活性。 利用PCR-SSCP技术揭示了7格室ABR系统内微生物群落的演替规律,确定了产氢产乙酸菌(HPA)菌群的空间生态位。7格室反应器在进水COD浓度为4000 mg/L、HRT 2 d、进水ALK 2000 mg/L的条件下稳定运行时, SSCP图谱说明系统微生物群落结构不随运行时间的延续而改变;1~7格室的微生物菌群更迭规律为:1~3格室主要以埃希氏菌属(Escherichia)等水解发酵菌群和产酸菌群为主;4格室功能菌群表现出高度多样性,是一个群落更迭的过渡区域;5格室由厌氧绳菌属(Anaerolinea)为代表的产氢产乙酸菌群形成顶级群落,同时存在较多的产甲烷菌;6~7格室以产甲烷菌群为主,但各格室的群落结构存在差异,甲烷杆菌属(Methanobacterium)的优势地位逐渐被生态位相对较宽的产甲烷菌属(Methanogenium)所取代,同时出现了甲烷八叠球菌属(Methanosarcina);第5格室是产氢产乙酸菌(HPA)的功能格室,发现在产氢产乙酸菌群的同一空间生态位上,还存在较多的其他种类的功能菌群,具有良好的生物多样性。同时,对SSCP图谱中的条带进行克隆测序,发现了3个未知真细菌和7个未知古细菌(均在GenBank注册成功),对厌氧微生物学研究具有重要意义。 本文为ABR运行提供了工程控制对策,揭示了系统内微生物群落演替的规律,并对其工程应用技术做了研究,为实际工程应用提供了理论与技术指导。
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