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同步脱硫脱氮工艺中微生物群落结构及其功能解析

于皓  
【摘要】:随着我国经济的快速发展,含硫含氮有机废水对水体环境的污染日趋严重,已经成为环保领域亟待解决的难题。生物法处理此类废水可以实现碳氮硫污染物的有效脱除并能回收单质硫。针对同步脱硫脱氮工艺中的功能微生物群落结构与功能进行研究将有助于优化工艺运行条件发现并解决系统存在的问题。本研究针对同步脱硫脱氮工艺普遍存在的问题,采用宏基因组学技术-功能基因芯片(GeoChip)解析硫酸盐还原-反硝化脱硫耦合工艺(Sulfate reductiondenitrifying sulfide removal process, SR-DSR)和反硝化脱硫工艺(Denitrifyingsulfide removal process DSR)的微生物群落,分析影响SR-DSR工艺运行效能的因素,提出了采用曝气强化方式来提高工艺单质硫转化效率的方法并解析溶解氧(Dissolved oxygen, DO)对微生物群落功能以及对单质硫转化的影响机制,发现了DSR工艺不同运行阶段对微生物群落结构功能的影响以及自养、异养微生物在反硝化和硫氧化过程中的协作规律,为稳定系统运行提高处理效能提供了重要理论依据。 针对SR-DSR工艺单质硫转化率偏低的问题,通过与DSR工艺微生物群落进行比较,发现两种工艺系统中微生物群落结构、多样性指数以及功能基因的丰度都明显不同。与DSR工艺相比,在SR-DSR工艺中检测到硫酸盐还原菌(Sulfate-reducing bacteria, SRB)丰度较高,反硝化脱硫细菌(Nitrate-reducingsulfide-oxidizing bacteria, NR-SOB)如Thiobacillus denitrificans, Sulfurimonasdenitrificans和Paracoccus pantotrophus的丰度较低。这些NR-SOB丰度的变化与单质硫转化的趋势相同,表明它们在单质硫转化过程中起重要作用。分析认为NR-SOB的丰度较低是导致SR-DSR工艺单质硫转化效率低的主要原因。 本研究提出,控制微氧条件提高SR-DSR工艺单质硫转化率的方法。当硝酸盐和氧共同作为电子受体时控制DO浓度为0.15mg/L的条件下单质硫转化率达到82.6%,以氧作为单一电子受体时,控制DO浓度为0.10mg/L单质硫转化率可达83%。本研究发现溶解氧能显著地影响微生物群落结构及其生物多样性。功能基因分析发现溶解氧对硝酸盐还原菌的丰度影响较小,而对硫酸盐还原菌的影响较大,当DO为0.35mg/L时,其丰度显著降低,这表明工艺中的SRB在该溶解氧条件下受到抑制。对工艺适量的曝气可以有效提高SOB的丰度,从而提高工艺的单质硫转化效率。此外,在适度曝气条件下,以硝酸盐和氧共同作电子受体时检测到SOB中NR-SOB的丰度较高,而以氧作为单一电子受体时检测到的SOB的多样性较高。分析表明在有硝酸盐存在的条件下,适度曝气可以有效提高NR-SOB的丰度,进而提高单质硫转化效率。 本研究发现在自养反硝化脱硫条件下运行反硝化脱硫工艺能承受的最大进水硫化物浓度为400mg/L,而工艺在自养-异养微生物协同反硝化脱硫时能承受的最大进水硫化物浓度为800mg/L。对微生物群落结构进行分析发现了自养条件下生物多样性指数偏低,微生物群落结构与异养条件以及自养-异养微生物协同反硝化脱硫时的群落结构明显不同。自养条件下检测到的反硝化微生物的丰度与多样性较低,这是导致工艺在该阶段反硝化效果差的主要原因,同时也说明异养反硝化微生物在脱氮过程中起重要作用。对自养反硝化脱硫阶段与自养-异养微生物协同反硝化脱硫阶段样品检测到的功能菌群进行研究表明,在自养反硝化脱硫阶段SOB受到了抑制导致系统运行效能下降,而在高负荷自养-异养微生物协同反硝化脱硫阶段异养SOB可与NR-SOB进行联合脱硫,同时进水中的乙酸盐缓解了硫化物对NR-SOB的抑制,工艺运行效能得到成功恢复。 本研究对同步脱硫脱氮工艺中微生物群落及其功能进行深入探索,为稳定工艺运行、构建高效的功能菌群以及制定合理有效地调控策略并应用于废水处理提供理论指导。


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