典型PPCPs降解菌的筛选及其在曝气生物滤池中的应用

论文摘要

近年来,药品和个人护理品（Pharmaceutical and personal care products, PPCPs）作为新污染物,成为研究的热点。常规的混凝、沉淀、过滤等给水处理工艺不能有效地去除这些有毒有害物质。对水源水进行生物预处理,使PPCPs减量甚至完全去除,不失为一种简便经济的对策。目前,尚未见有报道结合生物强化技术和曝气生物滤池技术（Biological Aerated Filter, BAF）去除微污染水源水中微量污染物PPCPs。本实验筛选出降解典型PPCPs的细菌,并对其应用进行研究,为去除水环境中PPCPs提供技术支持。以苯扎贝特（Bezafibrate, BZF）、卡马西平（Carbamazepine, CBZ）和布洛芬（Ibuprofen, IBU）为典型PPCPs,从上海松江污水处理厂活性污泥中得到BZF降解菌株B-31、CBZ降解菌株DHU-33、IBU降解菌株BL-1。根据菌株的菌落形态结构、生理生化特征及其16SrRNA基因序列分析鉴定,其分别属于恶臭假单胞菌、产碱杆菌和粘质沙雷氏菌。它们都是通过共代谢机制降解各PPCPs。摇瓶试验表明降解各PPCPs的最适条件为：培养基初始pH值7.0,温度30℃。最适条件下,菌株B-31在含有1%甲醇和30 mg/L的BZF的无机盐培养基中生长5 d后,BZF的降解率为48%。菌株DHU-33在含有1%甲醇和25mg/L的CBZ的无机盐培养基中生长5 d后,CBZ的降解率为34%。菌株BL-1在含有1%甲醇和30mg/L的IBU的无机盐培养基中生长5 d后,IBU的降解率为75%。与甲醇相比,酵母粉、蛋白胨、葡萄糖等营养物质可以使各PPCPs的降解率明显增加,尤其是加入5 g/L酵母粉后,5 d降解率分别达76.67%、54.4%和94.3%。研究了各PPCPs降解与葡萄糖消耗之间的关系。总体上,各PPCPs的降解与葡萄糖消耗呈正相关。除BZF的降解过程接近零级反应动力学外,CBZ、IBU和葡萄糖消耗过程接近一级反应动力学。当以甲醇为初级基质时,GC-MS检测到BZF有7种降解产物。其中以4-氯苯甲酸为主。根据降解产物分析,BZF的降解过程包括酰胺键水解、伯胺基团氧化、苯环双羟基化等重要过程；CBZ的4种降解产物,分别为CBZ-EP、CBZ-DiOH2-羟基苯甲酸和邻氨基苯甲酸。IBU的降解产物为2-（4-乙酰苯基）丙酸。另外菌株BL-1在降解IBU过程中会利用初级基质产生天然红色色素。将PPCPs降解菌和活性污泥混合后分别投加到两种填料（生物陶粒和高效纤维球）的曝气生物滤池,接种挂膜。以不加PPCPs菌为对照,分析了曝气生物滤池挂膜阶段CODMn和氨氮的去除率生物相,结果表明向曝气生物滤池添加的工程菌的生物生长量没有明显加速挂膜周期。在进水水温15.6℃-24.5℃,pH 6.88-7.27的条件下,CODMn和氨氮的去除率随水力负荷的增大、气水比的减少而降低。当进水负荷为0.2 m3/m2·h,气水比为1.5：1时,投加有工程菌的BAF对氨氮和CODMn的处理略微有一定优势,与不加工程菌的生物陶粒BAF和高效纤维球滤料BAF相比,氨氮去除率同比提高0.60%和1.56%,CODMn去除率同比提高1.17%和1.44%。无论投加工程菌与否,各PPCPs的去除率随水力负荷的增大、气水比的减少而降低。生物陶粒BAF的去除效能要优于高效纤维球BAF。当进水负荷为0.2 m3/m2·h,气水比为1.5：1时,与不加工程菌的生物陶粒BAF和高效纤维球滤料BAF相比,工程菌的使用短期内对典型PPCPs的去除率具有显著的提高。尤其是投加工程菌的生物陶粒BAF对各PPCPs处理效果普遍比其他BAF处理效果好。其对CBZ、IBU和BZF去除率最高分别为46.55%,93.03%和96.97%。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1 前言

2 药品及个人护理品（PPCPs）简介

2.1 水环境中的PPCPs及其来源

2.2 PPCPs的生态与健康影响

2.3 PPCPs的去除工艺简析

3 微污染水源水的曝气生物滤池（BAF）预处理技术

3.1 曝气生物滤池简介

3.2 曝气生物滤池原理

3.3 曝气生物滤池的工艺特点

4 生物强化技术

5 课题研究意义、研究内容以及创新点

5.1 研究背景及意义

5.2 研究内容

5.3 创新点

第二章实验设计

1 实验材料

1.1 实验仪器

1.2 培养基及试剂

1.3 典型PPCPs的选择及其性质

1.4 曝气生物滤池强化实验用水

1.5 曝气生物滤池的填料及其参数

1.6 曝气生物滤池强化实验装置

2 典型PPCPs降解菌筛选的实验方法

2.1 灭菌方法

2.2 典型PPCPs降解混合优势菌群的富集

2.3 降解典型PPCPs菌的驯化

2.4 降解典型PPCPs菌的分离筛选及鉴定

2.5 菌种的保存

3 典型PPCPs降解菌降解特性的实验方法

3.1 初级基质对降解能力的影响

3.2 pH对降解能力的影响

3.3 温度对降解能力的影响

3.4 降解产物的检测

4 曝气生物滤池强化实验方法

4.1 曝气生物滤池的运行方式及设备参数

4.2 曝气生物滤池的启动

4.3 生物强化实验效果分析

5 本章小结

第三章同时检测微污染水源水中典型PPCPs（BZF、CBZ和IBU）的方法

1 前言

2 实验方法

2.1 标准溶液的配制

2.2 高效液相色谱法条件

2.3 样品制备

2.4 标准曲线的绘制和检测限

2.5 方法的回收率及精密度

2.6 加标回收率与准确度

3 本章小结

第四章典型PPCPs降解菌的筛选与鉴定

1 前言

2 典型PPCPs降解混合优势菌群的富集

3 降解典型PPCPs菌的驯化

4 降解典型PPCPs菌的分离筛选

5 菌种鉴定

5.1 菌落形态

5.2 电镜照片

5.3 理化特征

5.4 分子生物学鉴定

6 本章小结

第五章典型PPCPs降解菌降解特性研究

1 菌株B-31对BZF的降解特性

1.1 初级基质的影响

1.2 pH及温度

1.3 降解产物分析

2 菌株DHU-33对CBZ的降解特性

2.1 初级基质的影响

2.2 pH及温度的影响

2.3 降解产物分析

3 菌株BL-1对IBU的降解特性

3.1 初级基质的影响

3.2 pH及温度的影响

3.3 降解产物分析

4 本章小结

第六章曝气生物滤池强化实验

1 曝气生物滤池的启动

1.1 挂膜期间曝气生物滤池运行效果

1.2 挂膜期间生物相分析

1.3 挂膜完成后生物载体的电镜观察

2 稳定运行时曝气生物滤池对常规污染指标去除效率的影响因素

2.1 水力负荷对常规污染指标去除率的影响

2.2 气水比对常规污染指标去除效率的影响

3 曝气生物滤池反冲洗及其周期

3.1 反冲洗方式

3.2 曝气生物滤池的反冲洗周期

3.3 反冲洗的时间及强度

4 曝气生物滤池对3种典型PPCPs共存体系的去除特性研究

4.1 不同水力负荷下曝气生物滤池对3种典型PPCPs的去除效率

4.2 不同气水比下BAF对3种典型PPCPs的去除效率

5 本章小结

第七章结论与建议

1 结论

2 建议

参考文献

硕士期间发表的学术论文与申请的专利

致谢

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