反硝化聚磷菌的特性及同步脱氮除磷机理研究

发布时间：2020-05-10 10:37

【摘要】：氮、磷污染是目前水污染防治领域所关注的焦点。为适应当前污水的资源化以及提高污水处理深度的要求,为解决传统生物除磷脱氮工艺固有的矛盾,加深反硝化除磷机理的认识,本课题以AOA (anaerobic/aerobic/anoxic,厌氧／好氧／缺氧)型SBR (sequencing batch reactor)为背景工艺,系统的研究了采用生活污水对SBR反应器同步反硝化除磷的启动运行情况。并从微生物学角度,研究了反硝化聚磷菌DPAOs (denitrifying polyphosphate-accumulating organisms)的筛选、鉴定、生理生态特性及其脱氮除磷效能。以及在此基础上进行的生物强化SBR反应器快速启动的研究。考察了SBR反应器的启动性能并成功富集了DPAOs。结果表明,尽管进水强度持续降低且波动较大,但系统对低碳磷比水质的容忍性很强,反应器对COD、氮和磷等指标的去除基本达到要求,反应器的启动完成。在启动过程中出现了短程硝化现象,并在缺氧段发生了典型的同步反硝化脱氮除磷过程,主要以NO2--N为电子受体,过量摄取环境中的PO43--P。同时,在反应器42天的启动期间,以NO2--N为电子受体的DPAOs得到了富集,由第1天的15.67%(DPAOs/PAOs)增加到第42天的41.5%(DPAOs/PAOs)。基于16S rRNA的DGGE分析表明,在反应器启动期间,微生物的群落结构和种群数量存在着明显的演替过程。反应器内微生物主要包括α-、β-和γ-变形菌(Proteobacteria),放线菌(A ctinobacteria,高G+C革兰氏阳性菌)和浮霉状菌(Planctomeces)。其中,与放线菌相关的聚磷菌(Actinobacteria-related PAOs)、不动杆菌(A cinetobacteria)和聚糖菌GAOs (glycogen-accumulating organisms)得到了明显的富集,演替过程较明显。对反硝化功能基因nirS和nirK的DGGE分析表明,基于亚硝酸还原酶Nir的反硝化菌的数量很丰富,但群落结构较稳定,没有明显的演替过程,与16S rRNA的DGGE图谱所观察到的现象不一致。采用富磷和反硝化专性培养基,定向分离聚磷菌和反硝化菌,共得到14株菌。通过硝酸盐还原产气试验,好氧吸磷试验并辅助PHB(poly-β-hydroxybutyrate)颗粒和异染颗粒染色试验进行筛选,试验结果表明分离得到的14株菌均具有反硝化能力,能在好氧条件下吸磷,且体内有PHB颗粒或者异染颗粒。经形态特征观察、生理生化鉴定、脂肪酸鉴定并结合16S rRNA全序列系统发育分析的结果表明,菌株ZQP2、ZQP3、ZQN1、ZQN2、ZQN3、ZQN4、ZQN5、ZQN6和ZQN7为芽胞杆菌(Bacillus sp.)。菌株ZQP1、ZQP4、ZQP5、ZQP6和ZQP7为假单胞菌(Pseudomonas sp.)。对亚硝酸盐还原酶Nir的研究表明,菌株ZQP2、ZQP3、ZQP4、ZQP7、ZQN2、ZQN3、ZQN4、ZQN5和ZQN7为nirS+和nirK-型(其余5株菌的nirS和nirK基因的PCR试验扩增结果都呈阴性)。通过对关键生长因子的考察表明碳源和pH值对菌株的生长和吸磷影响最大,以乙酸钠或柠檬酸钠为碳源,pH值为6～9,温度25～35℃的条件下可以获得最佳的生长,硝酸盐浓度≥40mg/L会对反硝化吸磷产生抑制作用。DPAOs的复配效果不理想,相对于单株菌的吸磷率都并未表现出优势。菌株ZQN4的胞外聚合物EPS (extracellular polymeric substances)中蛋白质的含量最高,占总量的80%左右,其次为DNA和多糖。EPS的提取效率很大程度上取决于提取方法的选择。本试验中,超声波法提取的EPS比较完全,是一种较好的提取DPAOs菌株EPS的方法。在好氧条件下,菌株ZQN4对磷的去除率为89.4%左右,其中有88%左右聚集在菌体内,另外12%左右的磷聚集在EPS中,并且大部分以磷酸盐P043--P的形式存在。同时,建立了DPAO的生长动力学方程,较好的拟合了培养过程中菌体的生长与时间的关系,能较好的描述DPAO的生长过程。采用投加DPAO的生物强化技术,成功的进行了AOA模式SBR反应器的快速启动,经生物强化后的反应器出水各项指标均优于未经生物强化的对照系统,尤其是对磷的去除和反硝化功能方面。在系统启动后的13～16d,生物强化反应器出水达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A的标准。强化系统16S rRNA的DGGE分析表明,微生物群落的多样性较为丰富,强化系统中的菌群处于一定的动态变化过程中。系统中微生物主要包括了α-和γ-变形菌(Proteobacteria),黄杆菌(Flavobacteria),假单胞菌(Pseudomonas)和芽胞杆菌(Bacillus)。与放线菌相关的聚磷菌(Actinobacteria-related PAOs)的菌种在系统中处于非常明显的优势地位。所投加的菌株Bacillus cereus strain ZQN4代表的条带在强化启动期间始终存在,并在系统微生物群落内部的结构调整过程中形成了稳定的生态位。强化系统基于反硝化功能基因nirS和nirK的DGGE分析表明,与nirK基因的DGGE结果相比而言,标记nirS基因的群落结构较稳定,微生物种群数量也较为丰富。标记nirS基因的反硝化菌主要包括β-变形杆菌属(β-Proteobacteria)、假单胞菌属(Pseudomonas sp.)和红环细菌属(Rhodocyclus sp.)。标记nirK基因的反硝化菌包括假单胞菌属(Pseudomonas sp.)和α-变形杆菌(a-Proteobacteria)中的根瘤菌属(Rhizobium sp.)。通过上述研究可以确定,投加强化菌可以缩短SBR系统的启动时间,在一定程度上改善了活性污泥的性能,同时也提高了系统的处理效果。为反硝化聚磷功能菌生物强化技术的推广应用提供了一定的指导和借鉴,也为完善城镇污水生物脱氮除磷工艺及其高效稳定的处理提供了有效的新途径。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X703

【参考文献】