排水管道生物膜内氮元素迁移转化规律研究

发布时间：2017-10-11 16:36

  本文关键词：排水管道生物膜内氮元素迁移转化规律研究

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【摘要】：排水管道其内部空间巨大,污水的停留时间长达数小时之久,此外其特殊的构筑物形式使得其内部形成了好氧、缺氧、厌氧的环境,这客观上创造了有利于有机污染物降解的条件,污染物的降解主要是由于管壁附着生长的生物膜的作用。本研究主要关注了氮元素在排水管道内的迁移转化机理,而排水管道内的水力条件与污水基质浓度是影响生物膜结构的重要因素,进而影响氮元素的迁移转化。为此,本研究搭设了排水管道生物膜反应器,在不同的剪切力、C/N比条件下运行模拟管道培养生物膜,利用微电极技术测试生物膜内部物质浓度分布状况,主要包括DO、NH4+、NO2-、NO3-、NO、N2O等,结合宏基因组测试方法对生物膜内的生物多样性和功能多样性进行分析,从微环境和微生物学角度探索了氮元素的迁移转化机理。研究得出的主要结论如下:(1)在温度为25℃左右条件下,生物膜经培养到45天左右达到成熟,生物膜的生长过程先是逐渐增厚,到达最大值后逐渐减小,最终逐渐趋于稳定,厚度不再发生变化。1.0 Pa、1.5 Pa和2.0Pa三种剪切力条件下对应的生物膜厚度分别为(2.3±0.1)mm、(1.9±0.1)mm和(1.6±0.1)mm,生物膜厚度随着剪切力的增大而逐渐减小。在剪切力为1.5 Pa,C/N分别为2、5、10三种条件下对应的生物膜厚度分别为(1.7±0.1)mm、(1.9±0.1)mm和(2.0±0.1)mm,生物膜厚度随着C/N比的增大而逐渐增大。(2)微电极的测试结果表明:生物膜内的DO浓度、NH4+浓度和NO3-浓度沿纵深方向逐渐递减,而NO2-浓度、NO浓度、N2O浓度在生物膜内则是沿着纵深方向逐渐递增,三种剪切力条件、三种C/N比条件和三种溶解氧条件下,生物膜内的物质浓度均表现出明显的差异性。。(3)实验中在1.0 Pa、1.5 Pa和2.0Pa三种剪切力条件下,剪切力越大越有利于DO向膜内的扩散,从而导致生物膜内溶解氧越大,进而决定了生物膜内微环境的差别及物质浓度分布的差异。1.0Pa、1.5Pa剪切力条件下,在传质、反应和微生物的共同作用下,生物膜内形成了好氧/缺氧和硝化/反硝化的分层结构,硝化反应主要发生在生物膜的表层,反硝化反应主要发生在生物膜的底层,生物膜内的同步硝化反硝化反应本质上是由于传质阻力造成的DO浓度梯度的存在,而2.0Pa剪切力条件下整个生物膜内均为好氧条件,不利于反硝化反应的进行。(4)管道生物膜内存在丰富的生物多样性,其中细菌占到了绝大部分(90.46%),另外还有少量的真核生物、古细菌和病毒。在细菌中占主导地位的门主要有变形菌门Proteobacteria,拟杆菌门Bacteroidetes,疣微菌门Verrucomicrobia等。此外,还检测到了硝化螺菌门Nitrospira和浮霉菌门Planctomycetes,硝化螺旋菌门Nitrospira是存在于污水处理设施中主要的亚硝酸盐氧化菌,浮霉菌门Planctomycetes中的很多细菌属于厌氧氨氧化菌。(5)管道生物膜内存在丰富的功能基因,这些基因不仅维持了微生物正常的生命活动,也促进了微生物对于污染物的降解作用。在C/N比为10,剪切力为1.5Pa的条件下培养的生物膜内共检测到了722条参与N代谢的功能基因,占所有基因的比例为0.67%,这些基因分别参与了硝化(98条基因序列)、反硝化(393条基因序列)、固氮(43条基因序列)和氨化(123条基因序列)等过程,其中与反硝化相关的功能基因占据优势地位。论文通过对排水管道内生物膜中氮元素迁移转化规律的研究,为排水管道作为污水处理反应器这一理念的进一步推广以及今后的实际应用提供了理论支持,具有重要的学术意义和应用前景。
【关键词】：排水管道 生物膜 氮 微电极 宏基因组
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703;TU992
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-21
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 研究现状10-18
• 1.2.1 排水管道系统处理污水研究现状10-12
• 1.2.2 氮元素转化机理研究现状12-14
• 1.2.3 微电极在水处理领域中的应用现状14-16
• 1.2.4 宏基因组在水处理领域中的应用现状16-18
• 1.3 研究目的与内容18-21
• 1.3.1 研究目的18
• 1.3.2 研究内容18-19
• 1.3.3 技术路线19-21
• 2 材料与方法21-33
• 2.1 试验装置21
• 2.2 试验用水来源与水质21-22
• 2.3 分析项目与检测方法22-31
• 2.3.1 常规分析项目与检测方法22-23
• 2.3.2 生物膜厚度及膜内各指标检测方法23-25
• 2.3.3 微生物学检测方法25-31
• 2.4 实验安排31-33
• 3 剪切力对生物膜内部氮元素迁移转化的影响33-43
• 3.1 不同剪切力下污染物的去除效果33-36
• 3.2 不同剪切力对生物膜厚度的影响36-37
• 3.3 不同剪切力对生物膜内物质分布的影响37-41
• 3.4 本章小结41-43
• 4 C/N比对生物膜内部氮元素迁移转化的影响43-51
• 4.1 不同C/N比条件下污染物的去除效果43-46
• 4.2 不同C/N比对生物膜厚度的影响46
• 4.3 不同C/N比对生物膜内物质分布的影响46-50
• 4.4 本章小结50-51
• 5 管道生物膜内氮代谢路径研究51-63
• 5.1 DO对生物膜内部氮元素迁移转化的影响51-54
• 5.2 管道生物膜生物多样性分析54-59
• 5.2.1 细菌的生物多样性55-58
• 5.2.2 真核生物、古细菌及病毒的生物多样性58-59
• 5.3 氮代谢相关的功能菌59-60
• 5.4 氮代谢相关的功能基因和通路60-62
• 5.5 本章小结62-63
• 6 结论与建议63-65
• 6.1 结论63-64
• 6.2 建议64-65
• 致谢65-67
• 参考文献67-77
• 附录77
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文77
• B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目77

【参考文献】

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本文编号：1013654