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基于Fe基质生物载体的低C/N比污水自养反硝化脱氮研究

李金龙  
【摘要】:硝酸盐氮(NO3/-N)污染是造成水体富营养化的重要原因之一,已经成为水生态系统中一个严重的环境问题。去除水中NO3-N的方法包括物化法和生物法,其中生物反硝化过程是相对经济、高效的脱氮技术,但实际污水中较低的有机物浓度是制约反硝化脱氮效果重要因素,因此,自养反硝化技术成为目前脱氮研究的热点。为了开发针对低碳氮(C/N)比污水生物反硝化脱氮新技术,解析自养反硝化微生物群落多样性和代谢功能,本论文首先构建了基于Fe基质生物载体的自养-异养耦合反硝化脱氮连续运行工艺;进而建立了 Fe基质生物载体的自养-异养耦合反硝化标记体系,应用13C-DNA稳定性同位素标记(DNAbased stable isotope probing,DNA-SIP)技术对耦合体系中自养和异养反硝化细菌进行有效识别;进一步构建了完全无机条件下的自养反硝化脱氮连续运行工艺;并对自养反硝化体系中自养反硝化细菌进行有效识别,解析自养反硝化细菌碳、氮代谢途径,为水中NO3-N的高效快速脱除提供理论依据。主要研究结果如下:(1)构建了 Fe基质生物载体自养-异养耦合反硝化连续运行工艺,在C/N比为1并控制出水pH为8.2时的N03-N去除效率为95.2%,总氮(Total nitrogen,TN)去除效率为91.3%,均高于C/N比为5时的异养反硝化工艺脱氨效率。进而建立了基于Fe基质生物载体自养-异养耦合反硝化DNA-SIP标记体系,并研究了C/N比为0.5时耦合反硝化标记体系脱氮效率。结果显示:耦合脱氮体系中NO3-N能够完全被去除,TN去除效率达到87.2-92.8%。16SrRNA高通量测序分析表明 Thauera、Arenimonas、Comamonas、Rubellimicrobium 和 Thermomonas是耦合反硝化标记体系中主要的反硝化细菌,相对比例分别为21.7%、11.8%、8.1%、7.8%和6.0%。应用13C标记方式分别标记进水基质中NaH13C03和13CH313COONa,对不同标记体系进行超高速离心分层分析,结果显示:在Fe基质生物载体自养-异养耦合脱氮体系中,Thauera和Comamonas是利用13CH313COONa生长的异养反硝化细菌、Thermomonas和Thiobacillus是利用NaH13CO3生长的自养反硝化细菌,而Arenimonas和Rubellimicrobium为兼性营养型反硝化细菌。(2)进一步构建了纯无机条件下Fe基质生物载体自养反硝化脱氮工艺,其在出水pH为9.1-9.6时,NO3-N和TN去除效率分别为69.4-91.1%和55.5-77.7%,体系中自养反硝化细菌主要为Sideroxydans(12.4%)、Thioibacillus(5.6%)和Gallionella(4.9%)。控制自养反硝化体系出水pH为8.2,工艺运行后期N03-N和TN去除效率分别为94.2%和89.1%,优于C/N比为5的异养反硝化效果。体系中自养反硝化细菌Thiobacillus成为绝对优势细菌,相对比例为27.0%。自养反硝化反应器沿程氮浓度逐渐降低,但沿程微生物群落结构稳定。对比摇瓶试验探究C/N比对自养反硝化脱氮体系的影响,结果显示:当进水中添加有机物时会减少反硝化反应中间产物NO2-N的生成,且反硝化效率会迅速提高。Thauera是反应体系中主要异养反硝化细菌,随C/N比增加,其相对比例迅速增加,而其中自养反硝化细菌含量会逐渐降低。(3)通过接种Fe基质生物载体自养反硝化工艺中活性污泥CEAD-C建立13C-DNA-SIP标记培养试验,进一步验证了 CEAD-C体系中活性自养反硝化细菌是Thiobacillus。同时,对cbbL和cbbM基因克隆文库分析表明Thiobacillus对无机碳固定可以通过Calvin循环完成。qPCR分析结果显示CEAD-C样本中具有丰富的反硝化基因nirS、nosZ和固碳基因cbbL、cbbM。CEAD-C样本宏基因组测序分析结果显示其中含有丰富的反硝化和固碳过程基因,在CEAD-C样本中,.最优势反硝化细菌Thiobacillus基因组中含有完整的反硝化过程,并通过Calvin循环进行碳固定过程的代谢途径。


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