基于脱氮功能基因分析的渗滤液氮去除机理及优化

发布时间：2017-07-14 17:07

  本文关键词：基于脱氮功能基因分析的渗滤液氮去除机理及优化

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【摘要】：垃圾渗滤液成分复杂,高难降解有机物和高氨氮是生物脱氮处理面临的主要难题。本文主要研究了填埋场生物反应器与两级A/O系统处理渗滤液的脱氮功能基因及脱氮机理。通过对填埋场生物反应器进水水质中有机负荷、BOD/TN口NO2--N/NH4+-N指标变化、及两级A/O系统正常运行和受负荷冲击影响时氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)和氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria, AOB)的功能基因amoA,厌氧氨氧化菌(Anaerobic ammonium oxidation, Anammox)功能基因hzsA,反硝化菌功能基因nirS, nirK, nosZ和细菌16s-rDNA分布特点研究,探讨填埋场生物反应器脱氮机理,为渗滤液生物处理过程氮去除优化提供依据。论文主要结论如下：(一)填埋场生物反应器脱氮系统(1) 填埋场生物反应器样品中硝化功能基因amoA检测显示：AOA均高于AOB,最高比例为125.82,表明AOA是反应器中的优势硝化功能微生物。大部分反应器中nirK高于nirS,最高比值为16.57,说明nirK型反硝化菌在填埋场生物反应器中处于优势。nosZ基因最高丰度为1.63%。基因丰度最高是的hzsA,可达27.7%。分析表明填埋场生物反应器中Anammox菌仅为Candidatus Kuenenia stuttgartiensis。(2)在本研究的参数范围内,进水水质中有机负荷为0.04 kg/(m3·d)、 BOD/TN为0.2和NO2--N/NH4+-N为1.5时,Anammox菌与反硝化菌功能基因之和丰度最高,达30.2%,总氮去除效果最高达92.66%。脱氮基因与进水水质之间的相关性分析表明：Anammox菌与进水的BOD/TN极显著相关,nirK,nosZ与NO2--N/NH4+-N存在显著相关,而AOA与BOD/TN和NO2--N/NH4+-N存在负显著相关。同时脱氮基因与脱氮效果之间的相关系分析表明：hzsA与氨氮、亚硝氮、总氮去除率显著相关,显示了Anammox菌进行厌氧氨氧化脱氮途径在反应器脱氮中的重要作用。表明在填埋场反应器中厌氧氨氧化和反硝化具有协同脱氮作用。(3)接种污泥的填埋场生物反应器氨氮平均去除率与总氮平均去除率分别为89.58%和86.29%,比未接种反应器提高了8.38%和8.19%。其原因是接种污泥使得脱氮功能基因丰度增加,其中硝化基因AOB和反硝化基因nirS平均值分别为1.61×103 copies/ngDNA和2.36×103 copies/ngDNA,比未接种反应器提高了约150%和66%。且nirS、nirK、nosZ最高分别为4.88%、7.46%和0,96%,均为接种反应器。同时接种污泥后反应器中的nirS增加,为Candidatus Kuenenia stuttgartiensis进行厌氧氨氧化提供了氧化剂(NO)促进脱氮作用。(二)两级A/O工艺脱氮系统(1)反应池中AOB功能基因amoA基因在1.06×103-2.17×103 copies/ngDNA范围,AOA功能基因amoA和hzsA含量均低于AOB功能基因amoA约3个数量级。反硝化功能基因中nirS丰度最高,最高达19.62%,在反应池中皆呈现nits高于nirK,最高比例为26.25。nosZ基因最高丰度为1.76%。(2)受负荷冲击影响时,反应池中AOB功能基因amoA在2.17×100-1.04x 10。copies/ngDNA范围,最高增加了9.19%,反应池出水氨氮能稳定达标。但反硝化功能基因nirS, nirK, nosZ整体含量较低,在6.97×103-9.61×103 copies/ngDNA范围。相对丰度最高减少10.89%,2.69%和1.35%,导致出水硝氮和总氮较高,达不到排放要求(高于60 mg/L)。综上所述,通过调控水质,填埋场反应器中反硝化和厌氧氨氧化基因可以最大限度共存并协同脱氮。反应器中厌氧氨氧化细菌为单一的Candidatus Kuenenia stuttgartiensis o接种污泥可通过增加脱氮功能基因加快反应器启动,并提高脱氮效果。而处理渗滤液的A/O系统中受到冲击时尽管硝化功能基因增加,但反硝化功能基因丰度明显减少,整体脱氮性能变差。
【关键词】：垃圾渗滤液 填埋场生物反应器 A/O工艺 脱氮功能基因 Q-PCR
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【目录】：

• 中文摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 绪论13-24
• 1. 研究背景13-14
• 2. 渗滤液生物脱氮研究进展14-17
• 2.1 生物脱氮反应14-16
• 2.2 渗滤液生物脱氮工艺研究16-17
• 3. 脱氮功能基因研究进展17-22
• 3.1 硝化基因研究17-20
• 3.2 反硝化基因研究20-22
• 4. 本文研究内容及技术路线22-24
• 4.1 研究内容22-23
• 4.2 研究技术路线23-24
• 第二章 进水水质影响反应器脱氮的功能基因研究24-42
• 1. 前言24
• 2. 材料与方法24-31
• 2.1 实验装置与工况运行24-25
• 2.2 样品采集与测定25-26
• 2.3 填料土样DNA提取26
• 2.4 功能基因PCR扩增26-30
• 2.5 克隆文库测序30-31
• 3. 结果与讨论31-40
• 3.1 反应器中脱氮功能基因特点31-34
• 3.2 反应器脱氮效果及机理分析34-39
• 3.3 Anammox菌克隆文库39-40
• 4. 本章结论40-42
• 第三章 反应器快速启动的脱氮功能基因研究42-50
• 1. 前言42
• 2. 材料与方法42-43
• 2.1 接种污泥及反应器运行42-43
• 2.2 样品采集43
• 2.3 水质和基因PCR检测43
• 3. 结果与讨论43-49
• 3.1 反应器中脱氮功能基因特点43-45
• 3.2 反应器脱氮效果及机理分析45-49
• 4. 本章总结49-50
• 第四章 两级A/O系统的脱氮功能基因研究50-59
• 1. 前言50
• 2. 材料与方法50-52
• 2.1 渗滤液处理厂活性污泥采样50-52
• 2.2 水质和基因PCR检测52
• 3. 结果与讨论52-58
• 3.1 A/O反应池脱氮功能基因丰度52-54
• 3.2 负荷冲击后脱氮功能基因变化54-56
• 3.3 脱氮相关性分析56-58
• 4. 本章总结58-59
• 第五章 结论与展望59-61
• 1. 结论59-60
• 2. 展望60-61
• 参考文献61-73
• 附录73-75
• 致谢75

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本文编号：541897