反硝化聚磷菌的特性及同步脱氮除磷工艺效能的研究

论文摘要

氮和磷的超标排放是造成水体污染和富营养化的主要原因之一。因此,如何高效、经济的脱氮除磷对清洁水体具有重要意义。反硝化除磷理论的提出为脱氮除磷工艺的开发提供了新思路。本文旨在考察高效反硝化聚磷菌的微生物学特性及其脱碳除磷效能。分析了厌氧/好氧/缺氧（A/O/A）SBR这一新型脱氮除磷工艺在不同进水条件下对氮、磷的去除效率及系统内部的微生物群落演替。以期为反硝化聚磷菌应用于工程实践提供理论依据,为开发新型脱氮除磷工艺提供技术支持。采用专性培养基,从稳定运行的A/O/A SBR反应器中分离得到6株反硝化聚磷菌,选择1株脱氮除磷效果尤为突出的菌株Q-hrb05进行深入研究。菌株Q-hrb05是一株兼性好氧异养菌。结合菌株的形态观察、生理生化鉴定及16S rDNA序列分析,确定菌株Q-hrb05属于芽孢杆菌。菌株Q-hrb05的16S rDNA序列登录GenBank,登录号为GU214826。菌株Q-hrb05除磷效率高,在12h内除磷率可达到85%。经过厌氧/缺氧培养,发现菌株Q-hrb05的吸磷率与菌株内PHB的变化呈正相关。厌氧段,PHB在菌体内合成,约占细胞干重的12%,释磷率为66%;缺氧段,菌体内PHB含量下降,吸磷率为92%。试验还探讨了pH值、温度及碳源对菌株生长及脱氮除磷效能的影响。当pH值为7,温度为30℃,碳源为乙酸钠时,最利于菌株生长,且同步脱氮除磷效果最佳,此时除磷率为88%,脱氮率为81%。研究在不同进水条件下,A/O/A SBR工艺对脱氮除磷效能的影响及系统内微生物酶的活性分布。结果表明:当pH值为7.5,碳源为乙酸钠,碳氮比为1.4时,反应器运行效果最佳,系统对PO43--P,NH4+-N的去除率分别达到92.48%,99.5%。反应器运行效果最佳时,系统内脱氢酶含量23.17μg·ml-1、ATP含量32μg·ml-1、脲酶含量35.36μg·ml-1·24h-1、硝酸盐还原酶含量10μg·ml-1·24h-1、亚硝酸盐还原酶含量12.72μg·ml-1·24h-1。利用分子生物学技术研究A/O/ASBR反应器内部微生物群落演替,发现随着水质条件的改变,系统内微生物种群丰度变化较小,而微生物种群结构出现动态的演替现象,不同水质与微生物的种群结构具有一定的映射关系。当反应器运行效果最佳时,Uncultured Chlorobi bacterium在系统内被富集,成为A/O/A SBR反应器内具有反硝化除磷功能的优势菌种。利用FISH技术定性的分析反应器内功能微生物种群动态,发现随着驯化时间的延长,反应器运行趋于稳定,系统内聚磷菌和硝化菌从数量上有明显增加,说明反应器的运行条件适合该功能菌的生长与代谢。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 生物脱氮除磷理论及技术的发展
• 1.1.1 传统生物脱氮机理
• 1.1.2 传统生物除磷机理
• 1.1.3 生物脱氮除磷工艺
• 1.2 反硝化除磷技术的研究现状
• 1.2.1 反硝化除磷机理
• 1.2.2 反硝化除磷工艺
• 1.3 脱氮除磷系统中分子生物学研究
• 1.3.1 传统生物分类技术
• 1.3.2 分子生物学技术在微生物群落结构解析中的应用
• 1.4 研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 研究目的与意义
• 1.4.3 主要研究内容
• 第2章 试验材料与方法
• 2.1 试验系统的设计与试验方法
• 2.1.1 反硝化除磷反应器
• 2.1.2 试验用水及种泥来源
• 2.1.3 试验检测项目及检测方法
• 2.2 分子生物学检测方法
• 2.2.1 样品总DNA 的提取及检测
• 2.2.2 PCR 扩增及检测
• 2.2.3 DGGE 分析
• 2.2.4 测序及后续分析
• 2.2.5 荧光原位杂交（FISH）
• 2.3 微生物试验
• 2.3.1 反硝化聚磷菌的分离筛选
• 2.3.2 菌株鉴定方法
• 2.3.3 反硝化聚磷菌脱氮除磷效能试验
• 2.3.4 生长曲线及脱氮除磷的影响因素
• 2.3.5 微生物指标
• 第3章 反硝化聚磷菌的微生物学研究
• 3.1 菌种的筛选与鉴定
• 3.1.1 菌株的分离与筛选
• 3.1.2 菌株的鉴定
• 3.1.3 菌株的生长曲线
• 3.2 菌株的脱氮除磷效能
• 3.2.1 菌株Q-hrb05 的吸磷效能试验
• 3.2.2 菌株Q-hrb05 的脱氮效能试验
• 3.2.3 菌株Q-hrb05 的除磷效能与胞内PHB 的关系
• 3.3 生态因子对菌株的影响
• 3.3.1 pH 值对菌株 Q-hrb05 生长及脱氮除磷效能的影响
• 3.3.2 温度对菌株Q-hrb05 生长及脱氮除磷效能的影响
• 3.3.3 不同碳源种类对菌株Q-hrb05 生长及脱氮除磷效能的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 A/O/A SBR 反应器的性能研究
• 4.1 pH 值的影响
• 4.2 不同碳源种类的影响
• 4.3 碳氮比的影响
• 4.4 最优条件下一周期内水质变化
• 4.5 最优条件下反应器内微生物酶的活性
• 4.5.1 脱氢酶活性
• 4.5.2 ATP 的活性
• 4.5.3 脲酶活性
• 4.5.4 硝酸盐还原酶活性
• 4.5.5 亚硝酸盐还原酶活性
• 4.6 本章小结
• 第5章 不同进水条件下微生物群落结构和功能
• 5.1 活性污泥总DNA 提取结果
• 5.2 总DNA 的PCR 扩增结果
• 5.3 不同进水条件下污泥的DGGE 结果
• 5.4 不同进水条件对反硝化聚磷菌种群结构的影响
• 5.5 FISH 技术
• 5.5.1 FISH 技术检测反应器内聚磷菌
• 5.5.2 FISH 技术检测反应器内proteobacteria bacterium
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及参加科研情况