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废水厌氧同时反硝化产甲烷过程耦合特性及微生物群落结构和功能研究

易晓辉  
【摘要】:近年来,随着全球工业化和城市化脚步的加快,水体中有机污染物组分日趋复杂、难降解污染物比例提升,氮、磷等营养物质增多,对传统水污染控制技术提出了挑战,在过去的十多年里,耦合处理技术因其可在更少的反应器内实现有机碳、氮、磷和硫等物质同除、有效缩短工艺流程、降低资源和能源消耗等优势而备受广大研究者的青睐。耦合处理技术,尤其是废水厌氧同时反硝化产甲烷技术,在单一反应器中实现反硝化和产甲烷过程适度耦合,促进菌群生物链式协同,有效提升体系稳定性及污染物去除效率。然而目前对同时反硝化产甲烷耦合过程代谢特性、耦合颗粒污泥物化特征及微生物群落结构和多样性、耦合机理等认识不足,在某种程度上限制了它的广泛应用。本研究中将体系碳氮比(COD/NO3--N)作为调控对象,借助短周期批实验和长周期连续实验探究不同调控方式下耦合过程代谢特性、颗粒污泥特征以及微生物群落结构和动态演替规律,以期初步揭示其代谢过程耦合机理。本文具体研究内容及主要研究成果如下:(1)不同碳氮比条件对厌氧产甲烷体系代谢特性影响研究。投加不等质量硝酸盐控制基质中碳氮比(COD/NO3--N)开展短时批实验,选取体系中pH和ORP值、氮素和产甲烷速率等作为代谢特性指标,结果表明在各碳氮比条件体系中,硝酸盐氮投加后均有反硝化代谢耦合,耦合程度与碳氮比呈反比例关系,体现在低碳氮比(3和5)时,体系中反硝化耦合程度大,产甲烷代谢过程近乎完全被抑制;高碳氮比(50和100)时,体系中反硝化耦合程度较小,过程仍以产甲烷代谢为主。当以葡萄糖为碳源时,碳氮比为8.0可用作持续促进同时反硝化产甲烷过程耦合的边界碳氮比条件。(2)耦合边界条件(碳氮比为8.0)过程中颗粒污泥物化特性研究。借助耦合过程,对颗粒污泥样品在连续培养初期前后物化特性展开对比研究,结果表明培养后颗粒污泥表面光滑程度下降,变得更加粗糙、结构蓬松,呈“绒毛”状,颜色变为浅棕或米黄色,沉降速度为52.7±3.2 m/h,平均粒径为1.4±0.5 mm,与对照组相比下降37.4%和22.1%。颗粒污泥外表面多附着短杆状和球状菌株,疑似有链球菌属(Streptococcus)增殖附着;其红外光谱在1745 cm-1处有一特征峰,可能与过程中菌体衰亡有关,耦合后颗粒污泥负电性增加,吸附性能和稳定性下降,且体系中核心代谢酶活性有显著变化,综合来看,短周期耦合过程对体系中颗粒污泥形态、粒径、沉速等物理特性,以及吸附性能、颗粒稳定性等化学特性主要表现出破坏和不利效应。(3)耦合过程初期颗粒污泥中微生物群落结构和多样性探究。借助变性梯度凝胶电泳和高通量测序等技术对实验组耦合过程初期颗粒污泥和对照组中菌群结构差异和演替规律展开探索。耦合初期颗粒污泥样品中三大主要细菌类群分别为变形菌门(Proteobacteria),拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes),另γ-变形菌纲、肠杆菌目、肠杆菌科和拟杆菌属是体系中最主要的纲、目、科、属分类层级细菌菌群,其可能与反硝化产甲烷耦合过程有关。耦合过程初期颗粒污泥与对照组相比,古菌菌群结构类似,仅在数量上有差别,过程中甲烷鬃毛菌属(Methanosaeta)和甲烷杆菌属(Methanobacterium)为主要的产甲烷古菌。(4)长周期实验中不同耦合程度下体系代谢特性及颗粒污泥间物化特性差异研究。在长周期连续提升体系中碳氮比过程中,不同耦合程度体系中碳素降解基本不受影响,硝酸盐氮几乎全部被降解,过程中有少量亚硝酸盐累积现象;过程中对产甲烷过程带来强烈抑制作用,代谢速率由3.5 L/h降至0.8~0.9 L/h,产气组分中甲烷含量有明显下降;不同碳氮比阶段体系颗粒污泥中化学官能团类型变化不明显,但其外部结构和内部空间构造随着碳氮比提升而呈现出解体破碎的现象,其可能与耦合过程有关。(5)不同耦合程度颗粒污泥中微生物群落结构和多样性异同及核心功能菌群探究。借助高通量测序技术探索其不同耦合程度下菌群结构差异和演替规律并尝试辨识其中功能菌群类型、数量及功能特征。连续实验表明,不同碳氮比条件下细菌菌群结构和数量波动较大,变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、绿弯菌门(Chloroflexi)和螺旋菌门(Spirochaetes)为不同耦合度过程中优势细菌菌群;Smithella菌属在低碳氮比(15.18和8.00)体系中大量增殖生长,推测可能与耦合过程反硝化菌群优先代谢丙酸和丁酸有关;甲烷鬃毛菌属(Methanosaeta)和甲烷杆菌属(Methanobacterium)菌群为同时反硝化产甲烷过程中优势产甲烷菌属,其与耦合过程中产甲烷过程密切相关,同时结果表明甲烷杆菌属比甲烷鬃毛菌属更易适应硝酸盐氮,尤其是在高浓度硝酸盐氮体系中。宏基因组分析显示耦合体系中Methanosaeta concilii GP6与产甲烷过程相关,Alicycliphilus denitrificans BC,Alicycliphilus denitrificans K601,Thauera sp.MZ1T和Acidovorax sp.JS42与体系中反硝化过程有关,为对应功能菌群。


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