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氮磷同化海洋菌—藻共生系统的建立及其在含盐污水处理中的研究

李雅婷  
【摘要】:随着城镇化进程的加快和环境污染的日益严重,水资源的短缺已经成为制约全球发展的重要因素。为了缓解淡水资源的短缺并达到清洁饮用水质的要求,越来越多的科研工作者开始研究和关注替代水源的开采和使用,其中海水作为最经济环保的替代水源,已经广泛应用于工农业生产及城市生活等多个领域,而海水冲厕的应用更是已经覆盖香港80%的人口。但是海水代用依然面临一些问题和挑战,海水冲厕产生的污水(俗称黑水)需进入市政污水处理系统与其他废水一同处理后深海排放,而海水黑水高盐、高氨氮、低碳氮比等特点都会严重冲击生物处理系统。现有的生物除氮方法,例如硝化/反硝化、ANAMMOX、SHARON、CANON以及HNAD等,都是将氨氮、硝氮等无机氮最终转化为N2逸散,且过程中产生NxO等中间产物,不仅会导致水体中氮的大量流失还危害生态环境;另一方面,磷矿这一不可再生的资源如果不加节制的开采,也会在未来50-100年内枯竭,磷矿资源储量已成为制约农业可持续发展的主要因素之一。事实上,现有污水处理只关注去除污染物质以达到排放标准,传统三级处理中氮和磷的最大回收率分别只有15-20%和20-30%,因此污水处理与资源回收一体化会成为污水处理的新方向。螺旋藻作为兼性异养的光合藻类,具有耐盐性好、生长速度快、能够以同化吸收的方式处理去除氮、磷并收获富营养藻体的特点,虽能用其实现污水处理与资源回收一体化,但微藻处理系统仍有出水pH过高,有机物处理效率低下的问题。针对以上挑战,本研究选择了一株具有高效氮、磷去除能力的海洋菌,在研究其氮磷去除相关特性和机理的基础上,建立菌-藻共生系统,并设计光合膜生物反应器用于处理模拟海水冲厕污水,在实现碳、氮、磷高效去除的同时,回收高营养价值的菌、藻体。本论文主要包括以下几个部分:(1)系统地研究了海洋菌Vibrio.spY1-5对硝氮、氨氮和混合氮等不同氮形式的除氮机理及其生态毒性。该菌系同化性硝酸盐还原菌,能够在兼性有氧的条件下逐步将硝态氮还原为亚硝氮,再进一步还原为氨氮。硝酸盐还原酶位于细胞质中,氧浓度的增加只加速了硝氮转化而不影响去除效率。在纯好氧条件下,氨氮不通过羟胺-亚硝氮-硝氮的硝化过程,而是直接以同化吸收的方式将氨氮转化为有机氮储存于细胞内,且该菌能够耐受1600 mg/L的氨氮时844.6 mg/L氨氮被吸收。当硝氮和氨氮同时存在时,氨氮的同化首先发生,且氨氮的同化对硝酸盐的还原有一定抑制作用。氮平衡实验表明在所有氮形式的转化过程中没有N2O和N2等氮氧化气体的产生而导致氮损失或危害生态环境,以丰年虾为模型生物的毒性试验证明该菌对水生生态系统并不具有毒性。(2)系统研究了海洋菌Vibrio.spY1-5在处理模拟海水冲厕污水时除磷特性及其生物可利用性。该菌能够在NaCl为1%-7%、pH为5-9、C/N为10-20、初始磷浓度1-40mg/L的条件下生长良好并高效除磷,最多除磷30mg/L左右;该菌只能在纯好氧条件下除磷,厌氧环境会使菌体细胞休眠,既不生长也无磷释放,恢复好氧条件后菌株快速生长并高效除磷,与纯好氧环境除磷效率相当;菌体内含磷量占细胞干重的16.7%,是聚磷菌(PAOs)的两倍以上,其中易于迁移和可生物利用的磷形式OP+NAIP占比高达97.12%。31PNMR表明该菌能够将正磷酸盐逐渐同化吸收转化为磷脂、焦磷、聚磷等。其中,磷酸单脂和磷酸双脂等有机磷形式占总磷的比例为86.35%-76.68%;无机磷以正磷为主,占总磷比例的13.65%-13.98%,焦磷和聚磷所占比例极少。(3)借鉴现有海水冲厕污水的处理方案,研究海洋菌Vibrio.spY1-5处理不同比例混合(1:0、7:3、5:5、3:7)的海水黑水(海水冲厕污水)与灰水(市政废水)的效果。黑水配比越高,生长状况越好,氨氮去除率随黑水配比的降低,从68.7%升高至93.2%,配比为5:5和3:7时磷去除率高达97.39%和98.12%,所有配比的COD去除率都在90%以上。营养物的去除与生物量直接相关,并且直接受到体系溶解氧浓度的影响,营养物去除过程中产生626 mg/g-DW的胞外聚合物(EPSs),分别能去除63.9%的磷和71.7%的氮。EPSs去除的氮只以芳香-蛋白类物质储存于EPSs中,且过程中没有中间产物的生成,同化的磷则主要以磷酸单脂和磷脂双脂等有机磷形式存在,占总磷的70.28%。在pH调控下,系统中的金属与正磷酸盐以Mg3(PO4)2和Ca(P03)2等磷酸盐沉淀的形式存在EPSs上,促进了磷的去除。(4)基于海洋菌Vibrio.spY1-5能够在单级好氧、高有机负荷等条件下去除营养物的特性,及其钝顶螺旋藻耐盐性好、光合产氧、兼性异养的特性,建立海洋菌-螺旋藻共生系统,用于处理以海水冲厕污水为代表的一类富营养含盐污水。响应曲面实验设计研究表明,螺旋藻接种浓度OD560为0.2,Vibrio.spY1-5接种浓度为10%(v/v)时,有机物和营养物的去除效果最佳。海洋菌能有效调节系统pH保障出水pH低于9,避免了因藻类生长导致的pH过高,无论从污水处理指标还是生物量收获菌-藻混合系统都优于菌、藻单独系统的总和,真正实现了菌藻的互利共生,TN去除率为85.4%(初始200 mg/L)、总磷去除率87.8%(初始40 mg/L)、COD的去除率98.6%(初始1600 mg/L)。最终收获生物量为4.28 g/L,其中油脂含量16.3%、蛋白含量62.6%。系统氨氮、总氮和磷的去除主要通过同化和积累作用,质量平衡分析表明有81 ±14%的氮和86± 17%的磷被回收。系统的兼性异养实验表明螺旋藻能够根据环境条件自发调节自养和异养性能,不但确保了菌所需有机碳源的供应,也实现有机物的有效去除。PAC分析证实藻光合作用产氧影响菌/藻生物量比;藻生物量、营养物去除、pH有明显的相关关系;氮去除主要依靠藻的同化吸收;而有机物和磷的去除主要依靠菌的作用。(5)把菌-藻共生系统投加到光合膜生物反应器(DMPBR)处理海水冲厕污水,以单藻系统为对照,研究逐级降低进水COD浓度时,污水处理的性能,生物量及其相关营养成分的回收情况。研究结果发现,相比于单藻系统,菌-藻共生系统启动时间更短,动态膜形成更快;整个运行周期里,菌藻共生系统对氨氮、总氮、总磷和COD的去除效率及其生物量产生率都明显高于单藻系统。进水COD从1600 mg/L降低至400 mg/L过程中,系统除氮效率从94.2%降低至68.1%;而除磷效果先升高后降低,在进水COD为800 mg/L前期,TP去除率最高达94.2%;整个运行阶段,出水COD的去除率都高于90%,当进水COD为1200-400 mg/L时,出水COD都在50 mg/L以下。就生物量产生及营养成分而言,进水COD浓度越高,生物量积累量就越大且菌-藻系统的生物量产生率都高于单藻系统。进水COD从1600 mg/L降低至400 mg/L过程中,胞内多糖积累量先升高后下降,含量高于一般微藻及菌藻培养系统。蛋白质含量逐渐增加,且菌-藻系统比单藻系统增加更快,最终达到61.9%-DW,但仍低于培养基培养的螺旋藻。盐胁迫下油脂产量较高(22%),但随着进水碳源的降低而稍有降低;菌-藻系统的叶绿素a含量与单藻系统持平,菌-藻共生作用提高了螺旋藻的藻体品质。胞外聚合物(SMP+eEPS)分析和SEM表征结果表明,仅在反应器启动前期出现膜截留效果不佳,出水浊度过高的现象,挂膜成功后,未出现膜堵塞膜污染的情况,且共生系统出水浊度低于单藻系统。


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