高盐废水强化多路径耦合脱氮技术及机理研究

发布时间：2020-04-17 15:04

【摘要】：针对高盐胁迫下的高浓度有机废水生物脱氮效能低、系统构建时间长、脱氮功能菌群结构分布、演替规律及作用机制不明的问题,提出高盐废水强化多路径耦合脱氮技术。研究采用序批式生物膜反应器(SBBR)构建出高盐废水多路径脱氮系统,探究了高盐胁迫下系统微生物种群演替规律;解析了不同环境因子下系统的脱氮路径及功能菌属的迁移规律,明确了多路径脱氮系统对环境因素的微生物响应机制;在此基础上,提出了强化异养硝化-好氧反硝化的高盐废水多路径耦合脱氮技术,以及强化硫循环的超高盐废水多路径耦合脱氮除硫技术,研究得出了系统高效运行的关键控制参数,利用Illumina MiSeq高通量测序及Q-PCR等分子生物学技术,揭示了高盐/超高盐废水多路径耦合系统的微生物作用机理。主要研究成果如下:在SBBR反应器中构建出高盐(盐度3%,NaCl计)废水脱氮系统,系统的COD、TN去除率分别为86.48%±1.7%、94.37%±3.15%。高盐胁迫下普通脱氮功能菌群丰度、种类显著下降,嗜盐功能菌种丰度上升。荧光定量PCR结果表明:系统氨氧化古菌AOA、氨氧化细菌AOB的amoA基因拷贝数与低盐(1%)对照组相比分别下降37.80%、60.94%,AOA/AOB拷贝数比值为1.20×10~3,是低盐对照组的1.59倍,表明古菌氨氧化演替成为高盐脱氮的重要组成部分。PacBio SMRT DNA全长16s rRNA细菌测序及llumina MiSeq古菌测序结果表明,与对照组相比系统Nitrospirae在内的常规硝化菌消失,常规反硝化菌群演替为耐盐菌属。系统硝化过程由AOA(Candidatus Nitrososphaera、Nitrosopumilus)与AOB(Nitrosomonas)共同完成;反硝化由好氧反硝化菌Pseudomonas、Denitromonas与缺氧反硝化菌Thauera共同承担,系统脱氮路径呈现出多路径耦合特征。碳源种类对高盐废水脱氮效能、脱氮功能菌属、脱氮路径影响显著。乙酸钠、葡萄糖及复合碳源的脱氮系统,TN去除率分别为96.96%±1.88%、65.86%±6.26%、94.99%±3.29%。乙酸钠系统中脱氮功能菌相对丰度最高,脱氮物种最为丰富,对系统脱氮效能提高有显著的促进作用。Illumina MiSeq16S rDNA测序表明,乙酸钠碳源的脱氮系统中,硝化功能菌群有Pseudomonas_stutzeri(异养硝化好氧反硝化),反硝化主要由Thauera、Denitromonas、Pseudomonas(好氧反硝化)和Halomonas功能菌属完成;乙酸钠及复合碳源脱氮系统中,自养硝化(AOA为主)、异养硝化、好氧反硝化、缺氧反硝化功能菌属耦合共存,通过多路径完成脱氮;而葡萄糖碳源不利于AOA的生长,其脱氮系统中仅存在异养硝化、好氧反硝化、缺氧反硝化脱氮路径。温度对脱氮系统效能、脱氮功能菌属的演替及脱氮路径影响显著。当温度分别为10℃、15℃、20℃、25℃、30℃和35℃时,系统出水TN去除率分别为61.96%、80.40%、85.19%、95.85%、98.15%和97.50%。在25℃~35℃时,系统以短程硝化(AOA+AOB)同步反硝化为主,AOA氨氧化速率/总速率的比值为48.08%~68.71%,AOA与AOB共同承担着系统的氨氧化任务,系统氨氧化速率是亚氮氧化速率的5.03~13.54倍,系统的脱氮路径主要为短程硝化反硝化,此外,其中25℃~30℃时,好氧反硝化相对占优;在10℃~20℃时,系统以全程硝化(AOA占优)同步反硝化为主,AOA氨氧化速率/总速率为87.61%~94.89%,系统中AOA对氨氧化的贡献相对更大,同时其氨氧化速率是亚氮氧化速率的0.51~0.77倍,系统逐渐从短程硝化反硝化向全程硝化反硝化系统过渡,其中20℃时,好氧反硝化相对占优,15℃时,系统中缺氧反硝化相对占优。盐度对系统效能、脱氮功能菌属的演替及脱氮路径影响显著。当盐度从高盐(3%)提升到超高盐(7%),系统TN平均去除率从94.37%下降至89.89%。盐度7%时,系统中氨氧化功能微生物(AOA/AOB)受到严重抑制,但古菌AOA的抑制小于AOB,AOA/AOB基因拷贝数比值从2.47×10~3上升到了1.20×10~3。随着盐度提升,Oceanimonas、Phaeodactylibacter等普通的耐盐/海洋脱氮菌种被淘汰,Halomonas(超高盐,74.71%)等嗜盐功能菌丰度上升,同时硫氧化还原菌丰度显著上升。超高盐样品中优势反硝化功能属有Halomonas(74.71%)、Phaeodactylibacter(好氧反硝化,1.15%),Arcobacter(硫自养反硝化,1.20%)。与硫氧化还原相关菌种有Desulfotignum、Arcobacter、Thiohalobacter、Alkalispirochaeta。与高盐系统相比,超高盐系统中,通过多路径的氨氧化(AOB/AOA/硫参与的氨氧化)、多路径的反硝化(缺氧、好氧异养反硝化/硫自养反硝化)实现了超高盐系统的良好的脱氮效果。研究发现当高盐废水系统中采用乙酸钠为碳源时,可以富集异养硝化-好氧反硝化菌,C/N比、DO、盐度对系统异养硝化-好氧反硝化菌优势富集影响显著。在C/N为25/1、盐度1%、DO 6.0mg/L条件下,初步构建出异养硝化-好氧反硝化菌系统,其优势异养硝化-好氧反硝化功能的种属有Pseudomonas(4.05%)、Bacillus(1.87%)、Paracoccus(1.69%);进一步从系统中筛选、纯化、富集培养异养硝化好氧反硝化菌,通过投加菌液快速(2d)构建出强化异养硝化-好氧反硝化的实际高盐废水多路径耦合脱氮系统,TN平均去除率达97.51%,硝化速率、好氧反硝化速率分别是未强化时的2.0倍与1.6倍,同时异养速率是自养硝化的2.15倍,脱氮速率得到大幅提升。Illumina MiSeq高通量测序研究表明,强化系统中成功富集了异养硝化-好氧反硝化功能种属Pseudomonas(3.42%)、Vibrio(1.40%)、以及反硝化功能菌属Oceanimona、Halomona、Nitrincola、Flavobacterium、Proteiniclasticum、Phyllobacteriaceae、Pseudomonas、Nitratireductor、Vibrio,系统功能菌种类(由3种增加至9种)及丰度显著增加;在强化系统中实现了异养-自养硝化、好氧-缺氧反硝化的多路径耦合脱氮过程。在单级SBBR系统中成功构建出基于强化硫氧化还原循环的超高盐废水脱氮除硫系统。有机负荷、硫酸盐负荷对系统效能影响显著。在温度30℃、盐度7%、有机物负荷0.5kgCOD/(m~3·.d)、硫酸盐负荷0.06kgSO_4~(2-)/(m~3·.d)最优工况下,系统TN、COD、SO_4~(2-)平均去除率分别达98.40%、84.69%、50.97%,与常规系统相比,TN、SO_4~(2-)去除率分别提高了8.79%与22.38%;同时,系统硫平衡研究表明,系统进水中的SO_4~(2-)主要转化为气态硫化氢12.50 mg/d,部分转化为可回收利用的单质硫2.56 mg/d,极小部分转化为硫代硫酸钠及硫化物。系统通过异养硫酸盐还原、自养硝化、自养/异养联合反硝化的多路径耦合实现了高效脱氮除硫。FISH研究结果表明,系统中硫酸盐还原菌、硫自养反硝化菌丰度分别达26.54%、16.38%;Illumina MiSeq16S rDNA测序表明,参与硫酸盐还原过程的功能菌有Desulfotignum(3.95%)、Desulfovibrio(2.47%)、Desulfatitalea(1.39%);硝化功能菌有Nitrosococcus(AOB,1.23%)、Nitrosomonas_halophila(AOB,0.01%),Nitrospira(NOB,1.24%);异养反硝化菌属有Halomonas(缺氧反硝化,22.91%)、Phaeodactylibacter(好氧反硝化,2.75%)、Defluviicoccus(内碳源反硝化,3.18%),硫自养反硝化菌群有Thiohalobacter(6.49%)、Thioalkalivibrio(1.75%)、Arcobacter(1.71%)。适宜的碳、氮、硫功能菌丰度比例,促使系统内相互竞争的功能微生物转化为相互促进、互为补充的良性生态关系,是实现系统多路径耦合的关键因素。
【图文】：

图 1.2 基于 amoA 探测到的 AOA 生物进化树[56]Fig.1.2Aneighbor-joining tree showing the amoAgenes of reference ammonia-oxidizingarchaea目前针对 AOA 的研究较多，主要集中在 AOA 的分离提纯及氨氧化机理，在自然环境中的分布、作用，环境因子对 AOA 的影响等等方面。学者们通过世界各地测试的amoA序列相似程度，估计仍有 90%以上的 AOA还未被人们探索与发现。此外，学者们还发现，氨氧化古菌 AOA 的代谢机理明显与氨氧化细菌 AOB 不同，由于对 AOA 的研究起步较晚，古菌氨氧化的机制尚未完全明确，一般认为氨氧化古菌的 NH4+-N 基质氧化路径有 3 条[57]。同时，学者们研究了底物浓度、PH、碳源、温度、DO、等环境因子对 AOA的影响。学者们认为，与 AOB 相比，AOA 对氨基质的亲和力较高，更适合寡营养生长条件[58]；AOA 有多种耐酸性机制，主导着酸性环境中的氨氧化反应[57]；同时。微宇宙实验和生态学的研究表明，AOA 是严格的自养生长还是混合营养生长尚不明晰，，人们在某些 AOA 的基因组中发现了编码三羧酸循环的基因，同时同位

胺、酰胺、N-烷基羟胺、铵、肟及芳香硝基化合物等。早在 19 世纪末和 20 世纪初，在土壤硝化过程中发现了异养硝化现象。测试手段有限，此现象并有引起广泛的重视。 20 世纪 80 年代，研究者壤和湖泊等自然环境中考察时，发现并证实了异养硝化反应在硝化过程中地位。近年来由于分子生物学手段的提高，大量的研究证明了异养硝化的存内外的自然环境如我国的酸性落叶松腐殖质、澳大利亚北部酸性阔叶森林美国内华达林区土壤等地都发现了异养硝化的主导作用，这些现象表明，化在自然界氮素循环中起着举足轻重的作用。目前对异养硝化的研究主要机理探究、土壤、湖泊等自然环境中的分布与作用及异养硝化菌的分离鉴。②异养硝化原理由于异养硝化菌可以利用的底物较多，且不同种类的异养硝化菌能够利物种类不同，生成的代谢中间产物也多种多样，因此异养硝化的代谢机理并不十分明确。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 韩懿;周健;张建兵;陈ml;;C/N值对异养硝化同步脱氮系统效能的影响[J];中国给水排水;2014年13期

2 辛玉峰;曲晓华;袁梦冬;荆延德;;一株异养硝化-反硝化不动杆菌的分离鉴定及脱氮活性[J];微生物学报;2011年12期

3 肖晶晶;郭萍;霍炜洁;于江;朱昌雄;;反硝化微生物在污水脱氮中的研究及应用进展[J];环境科学与技术;2009年12期

4 王晓姗;刘杰;于建生;;海洋氮循环细菌研究进展[J];科学技术与工程;2009年17期

5 林燕;孔海南;王茸影;李春杰;严立;何义亮;;异养硝化作用的主要特点及其研究动向[J];环境科学;2008年11期

6 蔡晶,芮铭先,芮尊元;H/O生化处理系统中硫酸盐的转化规律[J];环境保护;2001年10期

中国博士学位论文全文数据库 前6条

1 杨垒;高效异养硝化细菌的脱氮特性及其处理高氨氮废水研究[D];西安建筑科技大学;2016年

2 刘帅;典型生境中氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）的微生物生态学研究[D];浙江大学;2015年

3 远野;废水碳氮硫污染物共脱除工艺调拉与生物硫回收参数优化[D];哈尔滨工业大学;2015年

4 丁潂;氨氧化古菌的富集及其在污水土地处理系统中的特性[D];清华大学;2015年

5 李巍;废水同步生物脱氮除硫特性与效能研究[D];哈尔滨工业大学;2008年

6 李玲玲;高盐度废水生物处理特性研究[D];中国海洋大学;2006年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 陈川;EGSB同步脱硫反硝化的运行效能和颗粒污泥的特性研究[D];哈尔滨工业大学;2007年

本文编号：2631003