人工湿地中基于锰矿物驱动的甲烷厌氧氧化（AOM）及相关过程机理研究

发布时间：2020-04-06 14:04

【摘要】：人工湿地是重要污水处理构筑物,因其构造和运营维护简单,所用应用非常广泛。其在处理污水过程中是CH_4和CO_2排放源,CH_4和CO_2又是大气中主要的温室气体。温室气体增加是全球变暖的主要原因,因此人工湿地中CH_4和CO_2的减排的研究显得十分重要。试验采用锰矿物作为填料建立人工湿地,研究湿地中的甲烷厌氧氧化现象和机理。从时间上监测人工湿地运行情况,包括有机物去除效果、pH变化值和出水Mn~(2+)浓度;从空间上监测人工湿地内部特点,包括不同深度上的有机物含量pH值和Mn~(2+)浓度等。在人工湿地稳定运行的基础上,从基质中取样并提取DNA通过高通量测序的手段分析湿地中的微生物多样性和群落结构。最后,建立厌氧瓶装置并从基质中提取微生物菌液用于活性试验,验证甲烷厌氧氧化效果,分析锰矿填料人工湿地中碳转移途径,计算甲烷厌氧氧化效率,验证菌液对不同类型电子受体的利用情况。主要研究结论如下:(1)在上向流人工湿地运行过程中,污水在底部经历一个产酸阶段,葡萄糖被分解为小分子有机物,污水pH值降低;而后,这些小分子有机物和氢气被产甲烷反应和异化金属还原(锰矿组特有)反应竞争消耗,污水pH值回升;锰矿组人工湿地中发生甲烷厌氧氧化反应并进一步消耗氢离子,使得锰矿组污水pH值比砾石组pH值略高,甲烷厌氧氧化和异化金属还原反应生成的Mn~(2+)和HCO_3~-离子结合生成MnCO_3沉淀并留在湿地中。人工湿地在运行过程中对有机物去除效果良好,锰矿组和砾石组出水DOC分别为12.37±8.44mg/L和12.53±6.10mg/L,DOC的平均去除率分别为92.68±2.79%和91.01±2.32%。长期监测结果显示锰矿填料人工湿地的CH_4和CO_2排放通量都小于普通砾石人工湿地,在运行稳定过后锰矿组和砾石组的CH_4排放分别为2.43g/(m~2·Day)和4.40g/(m~2·Day),而CO_2排放通量分别为0.22g/(m~2·Day)和2.42g/(m~2·Day)。(2)DNA基因测序结果显示锰矿物人工湿地系统相对于普通砾石人工湿地系统微生物多样性指数更高。细菌方面,锰矿填料人工湿地组和砾石填料人工湿地组细菌门水平上具有相似的群落结构,优势菌门都有变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和绿弯菌门(Chloroflexi);两者的属水平菌群丰度有差异,优势菌属都有有黄质菌属(Flavobacterium)、嗜甲基菌属(methylotenera、methylophilaceae)、假单包杆菌属(Pseudomonas)、嗜氢菌属(Hydrogenophaga)和生固氮菌(Azoarus),锰矿组中还含特殊的异化金属还原菌,包括厌氧粘细菌(Anaeromyxobacter)和地杆菌属(Geobacter)。古菌方面,锰矿填料人工湿地组和砾石填料人工湿地组微生物门水平群落组成相似但丰度差异大。Euryarchaeota和Miscellaneous_Crenarchaeotic是锰矿组的优势古菌门,其占比分别达到了68.21%和30.67%;而Miscellaneous_Crenarchaeotic和Thaumarchaeota是砾石组中的优势古菌门,其占比分别达到了83.15%和3.61%;两者属水平上的微生物群落结构和丰度差异较大,两者的主要优势菌属有甲烷八叠球菌(Methanosarcina)和甲烷杆菌属(Methanobacterium)砾石组中主要的产甲烷菌有乙酸型产甲烷菌如甲烷鬃菌属(Methanosaeta)和甲烷八叠球菌(Methanosarcina),嗜氢型产甲烷菌如甲烷杆菌属(Methanobacterium),锰矿组只有嗜氢型产甲烷菌。锰矿物的作用下抑制了乙酸型产甲烷菌的生长。(3)厌氧瓶试验验证了锰矿物驱动的甲烷厌氧氧化现象,其中甲烷厌氧氧化速率为0.226μmol/hour。在产甲烷抑制试验中,微生物对DOC去除速率为84.12±10.46μmol/Day,锰矿填料人工湿地组和无锰控制组的CH_4生成速率分别为34.38±7.47μmol/Day和50.74±8.65μmol/Day,CO_2生成速率分别为37.42±14.25μmol/Day和111.53±24.79μmol/Day,结果显示异化金属还原和产甲烷作用共同完成了锰矿湿地中有机碳的去除。不同类型电子受体驱动的甲烷厌氧氧化试验结果显示锰矿物、δ-MnO_2和SO_4~(2-)都能够被菌液利用还原并与甲烷厌氧氧化过程中耦合,SO_4~(2-)不能作为电子受体被锰矿物人工湿地中的菌液利用。
【图文】：

试验装置图,试验装置,厌氧,橡胶塞

图 2.1 试验装置图Figure 2.1Test equipment ofActivity Experiment② 厌氧瓶组装组装厌氧瓶反应器，厌氧瓶可分为瓶身和密封装置两个部分。瓶身采用 250mL试剂瓶，自带刻度，螺口，瓶口口径为 450mm。密封装置采用加厚 T 型橡胶塞做为密封塞，，该橡胶塞密封性好耐扎针，在试验时可由取样针多次扎入取样，橡胶塞上也可插入针头和曝气管用于曝气以实现瓶中厌氧环境。在塞上橡胶塞之后再用 parafilm 封口膜包裹瓶口防止厌氧瓶被污染。在包裹完成后再用带加厚的硅胶垫的螺口瓶盖拧紧，防止厌氧瓶与外发生气体交流，保证瓶中相对独立的环境。在部分实验中需要测量瓶中的气压变化，使用 WTW Oxitop 分析仪通过呼吸法（压力计法）测量反应瓶中气压变化，将气压变化值用于试验结果的计算。厌氧瓶装置示意图和实物图如 2.2 所示。

水样,碳分布,水质指标,抗坏血酸

图 4.10 计量学分析装置Figure 4.10 MetrologyAnalysis Device水质指标的检测中的水中锰的形态分为三种，包括 Mn2+、MnO2和 M将水样中的锰分为三种类型，分别是 Mn2+、MnO2和总锰，对其测预处理。Mn2+的测量时先向水样中加入浓盐酸溶解 MnCO3，然后进行测量先向水中添加 1:1 盐酸，然后加入抗坏血酸还原，最后测量。试的碳分布如图 4.11 所示100150200碳的量/μmolTOC/μmol TIC/μmolCH4/μmol CO2/μmol
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

【参考文献】