基于微生物群体感应的厌氧氨氧化生物膜反应器快速启动研究

发布时间：2020-05-30 17:59

【摘要】：厌氧氨氧化(Anammox)作为一种新型废水生物脱氮工艺,具有经济高效等优点,倍受国内外环保工作者的关注。然而,厌氧氨氧化菌的细胞产率很低,倍增时间很长,以及严格的代谢条件导致厌氧氨氧化反应器的启动缓慢。鉴于此,本论文基于微生物群体感应理论通过提高进水基质中信号分子AI-2活化因子(硼)浓度,以解决厌氧氨氧化反应器启动时间长的问题。同时,建立检测实际水样中痕量微生物信号分子AI-2浓度的方法。然后,采用硼酸化学交联法制备出聚乙烯醇(PVA)水凝胶,并以PVA凝胶球为生物载体实现了厌氧氨氧化SBBR工艺快速启动。最后,采用高通量测序对SBBR反应器中的微生物群落结构进行了分析,旨在为厌氧氨氧化SBBR工艺快速启动提供理论依据与技术支持。主要研究结果如下:(1)建立了针对实际水样中痕量微生物信号分子AI-2检测的柱前衍生-固相萃取-高效液相色谱串联荧光检测法。该方法具有检测限低、准确度和精密度高等优点。利用此方法对不同形态Anammox污泥中信号分子AI-2浓度进行检测,结果表明信号分子AI-2广泛存在于Anammox污泥中。(2)以普通活性污泥作为接种物,采用SBR运行方式对厌氧氨氧化菌进行富集。通过在进水中提高硼酸浓度,反应器经过48天运行便启动成功,系统中少量反硝化菌与厌氧氨氧化菌协同脱氮,反应器总氮去除率接近100%,表明AI-2活化因子(硼)能够提高厌氧氨氧化反应器启动速度。(3)综合比较凝胶球外形、孔隙结构、强度和COD释放速率等因素,得出制备凝胶球最佳PVA浓度为7%和海藻酸钠(SA)浓度为1%。制得凝胶球球粒径大致为4mm,密度大致在1.0471g/cm~3左右,比表面积为24.233 m~2/g,平均孔径为60.895nm,孔隙分布以大孔和中孔分布为主。凝胶球具有较好的热稳定性和丰富的孔隙结构,适合用作水处理中的悬浮载体。(4)厌氧氨氧化SBBR工艺启动及运行试验表明:反应器实际氮容积负荷可达1.164g N/(L·d),总氮去除率为93.92%,测得厌氧氨氧化活性(SAA)为5.86mg N·g~(-1) VSS·h~(-1)。在凝胶球挂膜运行阶段,前期由于COD浓度增加,厌氧氨氧化菌受到抑制。但随着COD浓度恢复正常,厌氧氨氧化菌解除抑制开始恢复活性。在第237天反应器恢复较好脱氮效果,总氮去除率为99.92%,测得厌氧氨氧化活性为8.99mg-N·g~(-1) SS·h~(-1),信号分子AI-2浓度为0.762ng/mL。(5)采用扫描电镜(SEM)和高通量测序方法,对厌氧氨氧化SBBR反应器启动运行期间污泥及生物膜特性及菌群组成进行分析。结果表明,反应器内优势菌群为变形菌门(Proteobacteria,14%)、浮霉菌门(Planctomycetes,24.21%)以及绿弯菌门(Chloroflexi,23.67%)。其中,绿弯菌门以丝状菌厌氧绳菌目Anaerolineales为主,其与污泥颗粒化和生物膜的形成密切相关。浮霉菌门布罗卡德目Brocadiales中三种已知的厌氧氨氧化菌属在反应器中被检测出来,分别为Candidatus Jettenia、Candidatus Brocadia和Candidatus Kuenenia。其中主要以Candidatus Jettenia为主。
【图文】：

联氨,厌氧氨氧化,代谢模型,亚硝酸盐还原酶

1-1 厌氧氨氧化菌的代谢模型（HDH 为联氨脱氢酶，HZS 为联氨合成酶，，Nir 为亚硝还原酶）[11]Fig 1-1 The Metabolic model of anammox bacteria(HDH is hydrazine dehydrogenase, HZS hydrazine synthase, and Nir is nitrite reductase)氧氨氧化菌生物学特性氧氨氧化菌分类氨氧化菌在自然生态系统中，首次发现于海洋，Kuypers 等人[12]结合分子同位素示踪等分析手段，证实在黑海中确实发生厌氧氨氧化反应。自此之过一些现代分子生物学技术手段，证实了厌氧氨氧化菌广泛存在于自然界、河流湖泊、温泉、地下水、污水处理厂、海水沉积物以及一些极地区域[13由于厌氧氨氧化作用所造成的水体环境中氮损失占全年氮总损失的 50%左至今仍未获得厌氧氨氧化菌的纯培养，厌氧氨氧化菌的分类学研究主要[20]

厌氧氨氧化,16SrRNA基因,菌系,遗传距离

基于微生物群体感应的厌氧氨氧化生物膜反应器快速启动研究表 1-2 厌氧氨氧化菌的分类Table 1-2The classification of Anaerobic ammonia oxidation bacteria菌种来源B.anammoxidans[21]荷兰 Gist-Brocades 污水处理厂B.fulgida[22]荷兰鹿特丹生产性 ANAMMOX 反B.sinica[23]实验室脱氮反应器K.stuttgartiensis[24]德国斯图加特废水处理滴滤池S.broade[25]英国 Pitsea 垃圾渗滤液处理厂S.wagneri[25]英国 Pitsea 垃圾渗滤液处理厂S.sorokinii[26]黑海海底沉积物S.profunda[27]古尔马峡湾海底沉积物bus A.propionicus[28]实验室 SBR 反应器J.asiatica[29]实验室生物膜反应器
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

【参考文献】