几种有毒物质对硫自养—电化学氢自养耦合反硝化系统的毒性效应研究

发布时间：2020-04-18 23:11

【摘要】：由于地表及地下水中超标的硝酸盐会对水环境和人类健康造成严重威胁,寻求高效、低耗、无二次污染的硝酸盐去除技术已成为当今水处理界的一个重要课题。而生物处理技术因具有高效低耗的特点,己成为最具优势的硝酸盐去除技术。虽然硝酸氮的生物处理技术已经得到了广泛的研究和论证,但是很多情况下硝酸氮污染的水体会同时面临着重金属和致毒有机物的威胁,目前,虽然部分研究开始涉足生物反应器对硝酸氮、重金属及有机物的同步去除,但是关于重金属和致毒有机物对反硝化的影响以及与硝酸氮同步降解的机理并没有系统的研究,本文尝试在反硝化的前提下,研究几种重金属及致毒有机物对生物自养反硝化系统反硝化效果、优势菌群、关键酶活性、反硝化功能基因、胞外聚合物等的影响,从宏观及微观层面揭示几种重金属及致毒有机物对反硝化过程的毒性效应,对生物自养反硝化的实际应用具有重要的意义。本文构建硫自养-电化学氢自养耦合反硝化系统,研究重金属离子Cr(VI)和V(V),致毒有机物苯酚(phenol)、对硝基酚(PNP)和氯霉素(CAP)对耦合系统反硝化过程的影响。结果表明当耦合反硝化系统初始Cr(VI)的浓度从零增加到150 mg/L时,耦合反硝化系统的脱氮效率不断降低。在100mg/L初始Cr(VI)的胁迫下,耦合反硝化系统对100 mg/L浓度以下的NO3--N均能够基本实现完全反硝化,但当初始N03--N的浓度为200 mg/L时,耦合系统的脱氮效果降低到81.69%。在100 mg/L初始Cr(VI)的胁迫下,耦合反硝化系统在pH为7时能取得最好的反硝化效果,硝酸氮的平均去除率达到93.01%。当初始Cr(VI)的浓度为150 mg/L时,耦合反硝化系统中的硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶的活性均出现了较大幅度的降低。100 mg/L以内的Cr(VI)对耦合反硝化系统生物膜的形成的影响较小,但是继续增加Cr(VI)的浓度到150 mg/L,耦合反硝化系统内的微生物受到明显影响,将分泌较少的EPS。耦合系统在Cr(VI)的胁迫环境下某些反硝化微生物会受到一定的毒性影响而使其减少或者消失。耦合系统能够取得较好的反硝化效果,主要依靠Proteobacteria、Firmicutes菌门和Betaproteobacteria、Clostridia菌纲的反硝化功能。当初始Cr(VI)的浓度从0增加到150mg/L,耦合反硝化系统中主要的反硝化功能基因nirS,nirK,narG,napA的拷贝数均呈现下降的趋势。Cr(VI)在耦合反应系统内被去除主要是通过生物还原过程变为Cr(III)与生物膜结合在一起,或最终随生物膜一起脱落并被排出反应器。当耦合反硝化系统初始V(V)的浓度从零增加到100 mg/L时,耦合反硝化系统的脱氮效率不断降低。在60 mg/L初始V(V)的胁迫下,当电流从50 mA增加到200 mA时,耦合反硝化系统的反硝化效果逐渐增加,但当电流增大到400 mA时,耦合系统反硝化的效果反而降低。在60 mg/L初始V(Ⅴ)的胁迫下,耦合反硝化系统在中性环境下脱氮效果最佳,酸性或碱性环境都会降低脱氮效果。当初始V(Ⅴ)的浓度大于60 mg/L时,硝酸盐还原酶活性和亚硝酸盐还原酶活性均显著地降低,这与明显降低的硝酸氮的去除率相对应。LDH释放率和ROS产率的分析结果表明了高于60 mg/L的V(Ⅴ)的胁迫环境会对硫自养-电化学氢自养耦合反硝化系统内的微生物产生损害。V(Ⅴ)的胁迫会使硫自养-电化学氢自养耦合反硝化系统内的微生物丰度、物种总数和微生物多样性都呈现下降的趋势。耦合反硝化系统中占主导地位的菌门和菌纲为Proteobacteria、Firmicutes菌门和Betaproteobacteria、Clostridia、Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria菌纲。不断增加的V(V)的浓度会对耦合反硝化系统中主要的反硝化功能基因的丰度产生抑制作用,从而导致耦合系统反硝化效果的不断降低。被去除的V(Ⅴ)在耦合反硝化系统中被生物还原的最终产物为V(Ⅳ)。当耦合反硝化系统初始苯酚的浓度从零增加到100 mg/L时,耦合反硝化系统的脱氮效率不断降低,100 mg/L的苯酚对耦合反硝化系统的抑制作用最为明显。在50 mg/L初始苯酚的胁迫下,随着初始硝酸氮的浓度的增加,耦合反硝化系统对硝酸氮的去除率逐渐降低。在50 mg/L初始苯酚的胁迫下,pH为7时硫自养-电化学氢自养耦合反硝化系统取得最佳的脱氮效果。随着初始苯酚的浓度的增加,硝酸盐还原酶活性和亚硝酸盐还原酶活性均呈现出降低的趋势,这与不断降低的反硝化效率相一致。随着初始苯酚浓度的增加,耦合反硝化系统分泌越来越少的EPS,从而影响耦合反硝化系统内生物膜的形成,降低脱氮效率。当初始苯酚浓度低于50 mg/L时,耦合反硝化系统内的微生物多样性在苯酚的刺激下表现出增加的趋势,但是当苯酚浓度增加到100 mg/L时,耦合反硝化系统内的微生物的多样性下降,100 mg/L的苯酚对耦合反硝化系统内的微生物产生了较为明显的负面影响。苯酚在耦合反硝化系统中被去除,主要是作为碳源参与异养反硝化过程,此时耦合系统中的反硝化过程是自养和异养结合的反硝化过程。当初始对硝基酚的浓度从零增加到100 mg/L,耦合反硝化系统的反硝化效率逐渐降低,但是降低的幅度相对较小。在60 mg/L的初始对硝基酚的胁迫环境下,随着初始硝酸氮的浓度不断增加,耦合反硝化系统对硝酸氮的去除率逐渐降低。在60 mg/L的初始对硝基酚的胁迫环境下,pH为7时硫自养-电化学氢自养耦合反硝化系统取得最佳的脱氮效果,当pH为酸性或碱性时,耦合反硝化系统内的微生物的活性会受到抑制,从而导致反硝化不完全,亚硝酸氮也出现了一些累积。100 mg/L以内的对硝基酚对耦合反硝化系统的硝酸盐还原酶活性和亚硝酸盐还原酶活性影响相对较小。乳酸脱氢酶的释放量和活性氧的产生量随着对硝基酚的浓度的增加升高的幅度并不是很大,说明100 mg/L以内的对硝基酚对耦合反硝化系统内的微生物的细胞膜的损害相对较小。当耦合反硝化系统在对硝基酚的胁迫环境下时,系统中最优势的Proteobacteria菌门占耦合反硝化系统总菌门的比例波动相对较小,这表明了对硝基酚对耦合反硝化系统的主导菌门影响较小,这与对硝基酚胁迫环境下耦合系统降低程度较小的反硝化效率是相一致的。对硝基酚在耦合反硝化系统中被去除主要是被反硝化微生物还原为对氨基酚。当初始氯霉素的浓度从零增加到150 mg/L,耦合反硝化系统的反硝化效率逐渐降低。在100 mg/L的氯霉素的环境下,随着初始硝酸氮的浓度的增加,有限的电子供体不能无限制的用于还原硝酸氮,所以硝酸氮的去除效果降低。在100 mg/L的氯霉素的胁迫环境下,随着电流从50 mA增加到200 mA,在氯霉素的胁迫环境下耦合反硝化系统对硝酸氮的去除率逐渐增加,但是当电流为400 mA时,耦合反硝化系统对硝酸氮的去除率反而降低为85.11%。耦合反硝化系统中初始氯霉素的浓度的不断增加,会使系统硝酸盐还原酶活性和亚硝酸盐还原酶活性都降低。随着氯霉素浓度的增加,耦合反硝化系统中乳酸脱氢酶的释放量和活性氧不断增加的趋势表明系统中的微生物受到的损害越来越严重,从而反硝化效果越来越差。氯霉素的环境会对耦合反硝化系统内的微生物物种产生较大的影响。随着氯霉素的浓度从零增加到150 mg/L,耦合反硝化系统中的反硝化功能基因nirS,nirK,narG和napA的拷贝数均呈现降低的趋势,表明氯霉素的胁迫环境会使系统中主要的反硝化功能基因的丰度降低。氯霉素在耦合反硝化系统中被降解可能是作为异养反硝化的碳源被利用。
【图文】：

自养,反硝化反应,电化学

２－１硫自养－电化学氢自养耦合反硝化反应装置示意图。逡逑ｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃｏｍｂｉｎｅｄ邋ｓｕｌｆｕｒ邋ａｕｔｏｔｒｏｐｈｉｃ－ｂｉｏｅｌｅａｕｔｏｈｙｄｒｏｇｅｎｔｒｏｐｈｉｃ邋ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ，逡逑启动阶段，将取自武汉市二郎庙污水处理厂的污泥（加入反应器进行挂膜启动。这个阶段共持续６０天，反ＣＶ－Ｎ邋３０邋ｍｇ／Ｌ，ＨＣＣＶ邋６０邋ｍｇ／Ｌ，邋ＭｇＣｈ邋１０邋ｍｇ／Ｌ，ＺｎＣｌｇ／Ｌ，邋ＭｎＳ０４邋１．００邋ｍｇ／Ｌ，邋ＮｉＣｌ２邋０．３０邋ｍｇ／Ｌ，邋ＣｕＣｌ２邋０．３０邋ｍｇ／Ｌ０．５０邋ｍｇ／Ｌ，，邋Ｎａ２Ｍｏ０４邋０．３０邋ｍｇ／Ｌ。电流维持在邋５０邋ｍＡ，，进水ｐＨ值为６。５－７．５。此阶段监测反应器的脱氮效率，除效率均在９５％以上，而且上部碳纤维毡表面和下部密的生物膜，即认为反应器启动成功，可以进行后续的养段和电化学氢自养段的生物膜量分别约为５２邋ｍｇ／ｇ析项目及方法逡逑水质检测项目及方法逡逑

脱氮效果,浓度,自养,反硝化

Ｆｉｇｕｒｅ邋３－１邋Ｎｉｔｒａｔｅ邋ｒｅｍｏｖａｌ邋ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ邋ｉｎ邋ｔｈｉｓ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｕｎｄｅｒ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋Ｃｒ（ＶＩ）逡逑ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ。逡逑图３－１表示的是当初始Ｃｒ（ＹＩ）浓度从０增加到１５０邋ｍｇ／Ｌ时，耦合系统反硝化逡逑的效率变化及出水亚硝酸氮浓度的变化。当初始Ｃｒ（ＶＩ）的浓度为零时，耦合反硝逡逑化反应器表现出了很好的脱氮效率，硝酸氮的平均去除率可以达到９８．３４％。出逡逑水亚硝氮的浓度也都保持在接近零的水平。这说明了硫自养－电化学氢自养耦合逡逑反硝化反应系统具有较好的脱氮效果。当初始Ｃｒ（ＶＩ）的浓度为５０邋ｍｇ／Ｌ时，反硝逡逑化的效率略为降低，平均值为９７．６２％，说明５０邋ｍｇ／Ｌ的Ｃｒ（ＶＩ）对耦合反硝化系逡逑１７逡逑
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X52

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