果汁废水处理中厌氧反应器的运行与颗粒污泥微生物多样性研究

论文摘要

果汁废水是目前渭河流域的主要污染源之一。其具有水质水量随季节变化大、浓度高、排放量大、水质偏酸等特点，特别是废水COD、SS和酸度均较高。若不经处理直接排放，将会导致水体有机酸大量积累，水质环境严重恶化，威胁人体健康并制约相关工业发展。因此寻找一条果汁废水资源化的处理工艺，已成为现阶段环保领域亟待解决的重要课题。在仔细研读国内外果汁废水处理最新研究成果的基础上，结合陕西省果汁生产废水处理现状，本实验小组运用“EGSB+SBR”联合工艺对果汁废水的处理展开了深入的工艺研究。本论文主要研究内容包括EGSB反应器的初次启动与二次启动、处理果汁废水厌氧反应器的驯化与反应器低碱度运行规律、厌氧颗粒污泥的微生物多样性三个方面。本论文主要研究结论如下：①反应器的初次启动与二次启动研究：两个阶段均以葡萄糖配水连续进水。初次启动阶段采用低负荷进水方式，逐步提高负荷。经174天的运行，容积负荷达到13.69kgCOD/（m3·d），COD去除率达到80%以上；二次启动采用高负荷进水方式，仅耗时16天，容积负荷即达到10.95kgCOD/（m3·d），反应器状态稳定，COD去除率达到80%以上，实现了反应器的二次快速启动。②处理果汁废水厌氧反应器的驯化与反应器低碱度运行研究：通过提升果汁废水的配比对反应器进行驯化实验。反应器运行23天后果汁废水进水COD为4500mg/L，容积负荷达到4.02kgCOD/（m3·d），COD去除率达到95%以上，出水COD、BOD5、SS均达到陕西省《浓缩果汁加工业污染物排放标准》（DB61/421-2008）B类排放标准。果汁废水是高浓度酸性废水，厌氧处理前常需消耗大量碱中和，故加药费用占据了废水处理成本中很大的一部分。为达到降低果汁废水处理成本的研究目的，实验采用出水回流的方式稀释进水浓度，以降低反应器对碱度的需求。结果表明当循环比为3:1时，无需投加NaHCO3，反应器即可有效处理COD浓度为6000mg/L以上的果汁废水并保持稳定运行，COD去除率达到95%以上。③处理果汁废水厌氧颗粒污泥的微生物多样性研究：传统“黑箱”研究模式是从COD去除率、产气量、颗粒污泥的粒径及产甲烷活性角度衡量厌氧反应器处理废水的效果。而运用分子生物学技术从颗粒污泥的微生物组成角度展开研究，变传统的“黑箱”模式为“灰箱”研究模式，可为厌氧反应器应用奠定生物学基础。本论文比选确定了适合厌氧颗粒污泥中微生物总DNA的提取方法，并使用PCR-DGGE对厌氧颗粒污泥细菌多样性进行了分析。结果表明：用于处理果汁废水的厌氧颗粒污泥中细菌可以分为厌氧氨氧化细菌、水解发酵细菌、同型产乙酸菌及硫酸盐还原菌四大类，含量分别为细菌总数的19.59%、43.44%、22.48%和14.31%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 果汁生产行业概述
• 1.2 果汁废水的来源及特点
• 1.3 国内外果汁废水的研究处理现状
• 1.3.1 果汁废水的处理工艺
• 1.3.2 国内果汁废水的研究处理现状
• 1.3.3 国外果汁废水的研究处理现状
• 1.4 厌氧微生物学理论
• 1.4.1 非产甲烷菌及其作用
• 1.4.2 产甲烷菌及其作用
• 1.5 研究背景及意义
• 1.6 研究内容
• 第二章 工艺路线、实验装置和实验方法
• 2.1 果汁废水处理工艺流程的选择
• 2.2 厌氧反应器的选择
• 2.3 EGSB 反应器的设计
• 2.4 实验分析项目及测定方法
• 2.4.1 废水性质及反应器运行参数的测定
• 2.4.2 污泥性质的测定
• 2.4.3 实验测定方法
• 2.4.4 主要仪器及设备
• 第三章 EGSB 反应器的启动及二次启动研究
• 3.1 实验材料
• 3.1.1 种泥来源
• 3.1.2 实验用水
• 3.2 反应器的启动与二次启动方案
• 3.3 运行结果及分析
• 3.3.1 EGSB 反应器的启动
• 3.3.2 EGSB 反应器的二次启动
• 3.4 本章小结
• 第四章 EGSB 反应器处理果汁废水实验研究
• 4.1 实验用水
• 4.2 运行方式
• 4.3 运行结果及分析
• 4.3.1 果汁废水驯化阶段反应器 COD、产气量与容积负荷的变化
• 4.3.2 反应器对于果汁废水 BOD5和 SS 的去除
• 4.3.3 颗粒污泥粒径的变化
• 4.3.4 颗粒污泥的微生物相变化
• 4.3.5 颗粒污泥产甲烷活性的变化
• 4.4 EGSB 处理果汁废水的低碱度稳定运行研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 颗粒污泥中微生物总 DNA 提取方法研究
• 5.1 分子生物学在厌氧颗粒污泥研究中的应用
• 5.1.1 变性梯度凝胶电泳
• 5.1.2 16S rDNA 序列分析
• 5.1.3 末端限制性片段长度多态性研究
• 5.1.4 单链构象多态性研究
• 5.1.5 实时定量 PCR
• 5.1.6 荧光原位杂交
• 5.2 实验材料与设备
• 5.2.1 供试颗粒污泥泥样品
• 5.2.2 主要仪器设备
• 5.3 DNA 的提取方法
• 5.3.1 苯酚-氯仿法
• 5.3.2 溶菌酶法
• 5.3.3 水饱和酚-氯仿法
• 5.4 DNA 的检测
• 5.4.1 DNA 电泳检测
• 5.4.2 16S rDNA 的扩增
• 5.5 结果与分析
• 5.5.1 DNA 凝胶电泳检测结果
• 5.5.2 16S rDNA 的扩增结果
• 5.6 本章小结
• 第六章 处理果汁废水的颗粒污泥细菌群落结构的 PCR-DGGE 分析
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1 厌氧颗粒污泥微生物总 DNA 的提取
• 6.1.2 基因组 DNA 的 PCR 扩增
• 6.1.3 PCR 产物的变性梯度凝胶电泳（DGGE）分析
• 6.1.4 切胶回收测序
• 6.2 结果与分析
• 6.2.1 厌氧颗粒污泥的 PCR 扩增
• 6.2.2 DGGE 图谱统计分析
• 6.2.3 测序结果及分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间学术成果
• 致谢