强化淹没式生物膜活性污泥复合工艺中硝化菌群特性研究

论文摘要

生物脱氮法是现代城市污水处理中普遍采用的一种方法,其中由硝化细菌完成的硝化反应是将氨氮从污水中去除最为关键的一步。自然状况下的化能无机自养硝化细菌具有生长速率低、生物量小和对环境因子敏感等生理特点,使得污水处理厂的脱氮效果很不稳定。结合生物强化技术研究污水处理系统中硝化细菌的数量、种群结构和多样性既可以有效地指示系统中硝化作用的状况,提高系统脱氮性能,又能够为优化群落结构、调节群落功能和发现新的重要微生物功能类群提供可靠的依据。本课题主要进行了以下几方面的研究工作:从布吉河水质净化厂EHYBFAS工艺（Enhanced Hybrid Submerged Biofilm Activatid Sludge Process）好氧池获取活性污泥样品进行土著硝化细菌的富集培养。经过5个周期富集,氨氧化细菌（AOB）数量达到1.5×107MPN/mL,比富集前（2.5×103 MPN/mL）提高了6 000倍,NH4+-N去除率达到70%,同时NO2--N含量也由0提高到160 mg/L。将富集得到的土著硝化菌群与具有良好亚硝氮去除效果的市售硝化菌剂A进行复配,构建出高效降解氨氮及亚硝氮的硝化菌群,高效硝化菌群培养1d氨氮去除率可达62.8%,亚硝氮去除率可达96.1%。并通过单因素实验得到高效硝化菌群较佳的氨氮去除效果的氨氮底物浓度范围为126.75323.75 mg/L,C/N为215,pH值为7.08.5,摇床转速为100150 r/min （相当于DO 1.52.5）,温度2035℃。对EHYBFAS工艺实际污水处理系统及小试模型进行脱氮性能调查,结果显示实际污水处理系统脱氮效果不佳,出水氨氮长期在20 mg/L以上,小试投菌前出水氨氮浓度在25 mg/L以上,投加高效硝化菌群1个月后,出水氨氮显著下降,达到8 mg/L以下。采用MPN-Griess法对各污水处理系统中的硝化细菌及异养菌进行计数,结果显示EHYBFAS工艺实际污水处理系统及小试投菌前AOB数量占总菌比例低于1‰,NOB占总菌比例低于万分之一,投菌后1个月,小试模型膜样中AOB数量占总菌比例最高达到3.02%,NOB数量占总菌比例最高达到1.08%,可见硝化细菌占总菌比例的多少与系统脱氮性能密切相关。为了进一步探讨投菌前后小试模型的脱氮性能与硝化细菌的关系,利用PCR-DGGE技术对投菌前后小试模型中AOB的种群结构进行解析。实验结果表明,高效硝化菌群的优势AOB共有5种,分别为A1、A3、A4、A8和A9。其中A3、A4和A8与已知亚硝化单胞菌序列相似度为98%,结合测序及系统发育分析,A1可能为类亚硝化单胞菌。投菌前后系统中AOB群落结构比较稳定,各样品中的AOB群落组成相似度都较高,都大于78.75%,优势种属基本一致,都为亚硝化单胞菌,初步判断增强系统脱氮性能的菌属有A1和A8两个菌属,分别与Uncultured bacterium （EF645139）和Uncultured Nitrosomonas sp. （EU426932）相似性为97%和98%。硝化细菌的数量及所占总菌比例相对于AOB群落结构对系统脱氮性能影响更显著。Person相关性分析表明AOB种群数量与氨氮和总氮浓度呈显著负相关,与硝氮浓度呈显著正相关,与AOB种群多样性呈正相关。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 硝化细菌研究现状
• 1.2.1 硝化细菌的生物学特性
• 1.2.2 影响硝化作用的环境因素
• 1.2.3 污水生物脱氮中硝化作用的强化
• 1.3 分子生物学技术在硝化细菌研究中的应用
• 1.3.1 分子生物学技术对水环境中硝化细菌的研究
• 1.3.2 硝化细菌的功能基因片段
• 1.4 本研究中采用的分子生物学技术
• 1.4.1 PCR-DGGE 技术
• 1.4.2 基因组序列的分析
• 1.4.3 分子进化与系统发育分析
• 1.5 目的意义及技术路线
• 1.5.1 研究目的和意义
• 1.5.2 技术路线
• 1.6 主要研究内容
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 工艺简介
• 2.1.1 实验装置
• 2.1.2 水质状况
• 2.2 实验用培养基及其组分
• 2.3 主要试验仪器
• 2.4 实验方法
• 2.4.1 高效硝化菌群的构建
• 2.4.2 水质分析项目及分析方法
• 2.4.3 单因素实验
• 2.4.4 传统MPN-Griess 法分析硝化细菌数量
• 2.4.5 PCR-DGGE 技术分析硝化细菌群落结构
• 第3章 高效硝化菌群的构建及其影响因素分析
• 3.1 土著硝化细菌的富集培养
• 3.2 高效硝化菌群的优化复配
• 3.3 高效硝化菌群降解氨氮的影响因素分析
• 3.3.1 氨氮底物浓度对菌群氨氮降解效果的影响
• 3.3.2 C/N 对菌群氨氮降解效果的影响
• 3.3.3 pH 值对菌群氨氮降解效果的影响
• 3.3.4 DO 值对菌群氨氮降解效果的影响
• 3.3.5 温度对菌群氨氮降解效果的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 EHYBFAS 工艺脱氮性能及硝化细菌数量分析
• 4.1 实际污水处理系统脱氮性能及硝化细菌数量变化规律
• 4.1.1 污水处理系统的脱氮性能
• 4.1.2 硝化细菌及异养菌的数量及分布规律
• 4.1.3 系统脱氮性能与硝化细菌数量的关系
• 4.2 投菌前后小试模型的脱氮性能及硝化细菌数量变化规律
• 4.2.1 投菌前后小试模型脱氮性能分析
• 4.2.2 投菌前后小试模型中硝化细菌数量变化规律
• 4.2.3 小试模型脱氮性能与硝化细菌数量的关系分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 小试模型中硝化细菌群落结构分析
• 5.1 总DNA 提取
• 5.2 巢式PCR 扩增
• 5.3 AOB 的DGGE 电泳图谱分析
• 5.3.1 AOB 的种群变化
• 5.3.2 AOB 相似性分析
• 5.3.3 AOB 多样性分析
• 5.3.4 DGGE 特征条带的测序分析
• 5.3.5 系统发育分析
• 5.4 硝化细菌群落特性与系统脱氮性能的关系
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢