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水解酸化处理印染废水过程中微生物群落结构变化及其优化调控研究

刘娜  
【摘要】:印染废水排放量大,有机物组成复杂,可生化性低,且具有一定毒性,是公认的最难处理的工业废水之一。印染废水的排放对水环境和人类健康都造成极大的威胁。水解酸化工艺不仅能够提高废水可生化性,而且对色度具有一定去除能力。因此,被广泛应用于印染废水的处理之中。然而,水解酸化工艺处理效率较低,出水一般达不到排放标准。所以,其处理效率还有很大的提升空间。因此,通过了解水解酸化过程中微生物相互作用规律,选取适当的调控方法,对水解酸化过程进行优化调控,从而提高水解酸化处理印染废水效率,是一个具有探索意义和发展前景的研究方向。本论文以模拟印染废水为研究对象,首先,构建水解酸化反应器,探索反应器启动过程中处理效果及微生物群落结构变化。接着,通过改变染料结构和浓度,研究不同染料对水解酸化处理效果和微生物群落结构变化的影响,及两者之间的相互联系。最后,通过利用共基质强化和菌剂强化两种调控方法,对水解酸化处理印染废水过程进行优化调控,旨在提高其水解酸化效率,并深入分析强化前后微生物群落结构和优势菌种的变化。本文所开展的主要工作如下:1)水解酸化反应器的启动阶段首先,构建一个水解酸化反应器,并利用它处理模拟印染废水。在启动期间,通过监测水解酸化前后废水的理化性质,表征水解酸化处理效果。同时,利用PCR-DGGE(聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳)技术追踪整个启动阶段微生物的群落结构变化。结果表明,经过100天的启动期,水解酸化过程的脱色率和COD去除率分别达到了65%和50%左右。同时,模拟印染废水的可生化性得到了一定提高。DGGE图谱显示,随着反应器启动时间的增加,微生物群落结构发生了显著的变化。系统发育树分析结果表明,Bacteroidetes(拟杆菌)是水解酸化反应器中的优势菌群,它可能是水解酸化处理模拟印染废水过程中的主要功能菌群。2)不同染料对水解酸化处理模拟印染废水影响研究水解酸化反应器进入稳定期后,根据模拟印染废水所用染料结构的不同,将整个过程分为两个阶段:第一阶段(所用染料为活性黑5,RB5,偶氮染料),RB5的浓度从10 mg/L逐渐增加到200 mg/L;第二阶段(所用染料为活性艳蓝,rbbr,蒽醌染料),rbbr的浓度从10mg/l逐渐增加到200mg/l。通过监测整个过程的理化性质,探讨不同染料结构和浓度对水解酸化反应器处理效果的影响。采用傅氏转换红外线光谱(ftir)和气谱-质谱联用(gc-ms)技术,检测不同阶段的水解酸化产物。同时,利用miseq高通量测序和pcr-dgge两种分子生物学技术,分析染料结构和浓度对水解酸化过程中微生物群落结构的影响。结果显示,水解酸化反应器第一阶段的脱色率和cod去除率都优于第二阶段。ftir和gc-ms检测结果证实,染料rb5和rbbr在水解酸化过程中都得到了降解,且rb5比rbbr容易降解。pcr-dgge分析结果表明,微生物群落结构在两个阶段呈现出明显的差异,且与染料浓度相比,染料结构对微生物群落结构影响较大。miseq高通量测序结果显示,两个阶段的微生物群落结构在各个分类学水平上(门、纲、科、属)都呈现出显著的差异。菌种klebsiellasp.,lactococcussp.和desulfovibriosp.在水解酸化降解rb5和rbbr过程中都起到重要作用。菌种dysgonomonassp.和prevotellasp.选择性地分别对rb5和rbbr具有一定的降解潜力。3)共基质强化水解酸化处理模拟印染废水效果研究将不同的共基质分别加入到水解酸化反应器中,对模拟印染废水进行强化处理。这些共基质包括淀粉、葡萄糖、蔗糖、蛋白胨和酵母提取物(ye)。通过监测理化性质,反映不同共基质作用条件下,水解酸化反应器处理效果的变化。利用miseq高通量测序和pcr-dgge两种分子生物学方法,深入分析反应器中微生物群落结构变化规律,探讨不同共基质对微生物群落结构的影响。结果表明,当以蔗糖作为共基质时,水解酸化反应器对模拟印染废水达到了最佳脱色率(约为50.64%)和cod去除率(约为60.73%)。与氮源(蛋白胨、ye)相比,当以碳源(淀粉、葡萄糖、蔗糖)作为共基质时,水解酸化反应器取得了更高的脱色率和cod去除率。pcr-dgge和miseq高通量测序结果都表明,不同共基质对水解酸化反应器中微生物的群落结构和多样性都造成了极大的影响。序列分析结果表明,在不同共基质作用下,bacteroidetes(拟杆菌)、proteobacteria(变形菌)和firmicutes(厚壁菌)都是优势菌种。本实验的最适共基质是蔗糖,因为它的加入不仅使水解酸化反应器得到了最佳处理效果,而且强化了具有染料降解潜力的菌种,如raoultellasp.,desulfovibriosp.,tolumonassp.,clostridiumsp.等。4)菌剂强化水解酸化处理模拟印染废水效果研究以对染料具有高效脱色能力的混合菌群ff作为强化菌剂,通过流加进入的方式,加入到水解酸化反应器中,对水解酸化处理模拟印染废水进行菌剂强化。通过监测反应器进出水的色度、cod、b/c值和vfas生成量,来反映菌剂强化的效果。结果表明,经过菌剂强化,水解酸化过程对模拟印染废水的脱色率和COD去除率比强化前分别提高了大约15%和20%。同时,印染废水的可生化性也得到显著提高。采用PCR-DGGE技术对菌剂强化前后水解酸化反应器中微生物群落结构和多样性进行追踪探索。结果显示,经过菌剂强化,微生物多样性指数(香农-威尔指数,H)从2.17增加到2.56,表明物种丰富度增加。DGGE图谱显示,菌剂强化前后,微生物群落结构发生明显变化。系统发育树结果表明,经过菌剂强化,不仅水解酸化系统中原来存在的优势菌种Bacteroidetes得以保持优势地位,而且系统中的Proteobacteria和Firmicutes同时得到了强化。印染废水有机物组成复杂,对处理过程造成了一定难度。仅仅利用传统的水解酸化工艺难以达到预期的处理效果。本论文通过利用共基质强化和菌剂强化两种手段,对水解酸化处理印染废水过程进行强化,取得了良好的效果。本研究为强化实际水解酸化工艺的处理效果提供理论依据。


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