生物滤器处理恶臭气体及其微生物生态研究

发布时间：2020-05-28 22:00

【摘要】： 恶臭污染为世界七大环境公害之一，寻求合理的治理途径和控制方案已成为世界各国亟待解决的热点课题。生物滤器是近年来受到广泛关注的恶臭处理新技术，具有经济高效、无二次污染和运行管理方便等特点，并在实际应用中取得了较好的处理效果。然而，目前生物滤器在诸如微生物生态学、运行过程控制和新型高效填料研发等方面的系统研究尚不够完善。为促进生物滤器的研究发展及其在恶臭污染控制中的应用，本论文针对目前生物滤器存在的若干不足，选取三甲胺(TMA)、正丁酸和氨等低阈值恶臭气体为处理对象，通过实验室模拟试验，对比了不同生物滤器的除臭效能，探讨了恶臭污染物在生物滤器中的生物转化机制，揭示了生物滤器中微生物种群多样性及群落结构的演替，阐明了生物滤器性能与微生物种群结构多样性之间的相互关系，提出生物滤器微生态调控策略，在此基础上研发了一种新型的生物滴滤器复合填料，并确定了最佳工艺参数，旨在为新型高效生物滤器的设计和运行过程微生态调控提供理论依据。分别选用堆肥和污泥为填料，通过自制三段式生物过滤器处理三甲胺恶臭气体。结果表明，两种填料生物过滤器均能有效去除三甲胺恶臭气体，处理效率可达100％。堆肥填料生物过滤器第一段去除效率较高，在80％以上，而污泥填料生物过滤器仅为60％左右。两种填料生物过滤器第一段三甲胺最大去除容量分别为9．31g TMA m~(-3) h~(-1)和9．13 g TMA m~(-3) h~(-1)。填料性质和代谢产物时空变化特征分析表明，三甲胺在两种生物过滤器中的生物转化机制存在较大差异，堆肥填料生物过滤器具有有效去除三甲胺及其代谢产物氨的能力，第二段填料中的氮素主要以硝态氮形式累积；而污泥填料生物过滤器只具备三甲胺生物降解和氨吸附功能，缺乏氨生物降解能力。运用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)结合分子克隆技术对以上两种填料除三甲胺生物过滤器微生物生态进行研究。结果表明，两生物过滤器种群结构演替规律不同，微生物群落组成、数量和丰度存在明显的时空特征。堆肥填料中除大量三甲胺降解菌外，还有氨氧化菌(Nitrosospira multiformis)存在，堆肥填料生物过滤器因此具有生物降解氨的能力。相反，在污泥填料生物过滤器中未能检测到与氨氧化菌相关的微生物菌群。试验结果表明，氨氧化菌是对除三甲胺生物过滤器性能有重要影响的限制性生态因子，提出向污泥填料中添加氨氧化菌等生物滤器微生态优化调控策略。通过以堆肥和污泥为填料的生物过滤器(BFC和BFS)与以鲍尔环和多面空心球为填料的生物滴滤器(BTFP和BTFM)处理正丁酸恶臭气体试验，比较了有机填料生物过滤器和无机填料生物滴滤器对正丁酸的去除能力。渗滤液成分和CO_2气体分析结果表明，各种生物滤器对正丁酸的去除作用主要是通过生物降解。动力学分析和雷达图综合评价结果表明，各种生物滤器运行性能为BTFMBTFPBFCBFS。生物滴滤器的压降均高于生物过滤器。因此，在实际应用中需要适当控制生物滴滤器无机填料生物膜的厚度，以避免生物质过度生长堵塞填料层而降低反应器的运行效率。研究结果为恶臭气体合适处理工艺的选择提供一些理论依据。在此基础上，结合传统平板培养法和PCR-DGGE技术，从微生物的种类、数量和种群结构三方面考察除正丁酸生物滤器的微生物生态。从运行效果良好的除正丁酸生物滤器中分离得到5株优势正丁酸降解菌，并首次在生物滤器中分离得到蜡状芽孢杆菌。菌落形态、生理生化及16S rDNA基因扩增测序同源性比对分析表明，5株正丁酸降解菌分别属于蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus)，假单胞菌属(Pseudomonas sp．)、肠杆菌属(Enterobacter sp．)和腔隙莫拉氏菌(Moraxella lacunata)，GenBank数据库中登录号分别为EF514401、EF514402、EF514898、EF514900和EF514899。除正丁酸生物滤器中三大类群微生物(细菌、真菌和放线菌)的计数结果显示，正丁酸对放线菌的生长有较强的抑制作用，细菌和真菌在生物滤器处理正丁酸过程中起着主要作用。PCR-DGGE分子指纹图谱结果表明，不同填料生物滤器的微生物多样性和群落结构演替规律各不相同，高微生物多样性是生物滤器高效运行的必要条件。维持生物滴滤器高效运行的关键在于开发新型填料。研发了一种新型复合生物滴滤器填料。以高浓度氨气为研究对象，考察该复合填料生物滴滤器的除臭效能、最适工艺运行条件及其影响因素。试验结果表明，，复合填料生物滴滤器对氨的去除率可达100％，完全去除容量为42．3 g NH_3 m~(-3) h~(-1)，最大去除容量为90．5 gNH_3 m~(-3) h~(-1)。动力学分析表明，复合填料生物滴滤器最大表观去除速率V_m为1000 g NH_3 m~(-3) d~(-1)，表观半饱和常数K_s为98．9 mg m~(-3)。实验确定最佳气体停留时间为45 s；当入口氨浓度分别为0-100 mg m~(-3)、100-150 mg m~(-3)和150 mg m~(-3)以上时，对应的最适喷淋量为50 mL min~(-1)、75 mL min~(-1)和100 mL min~(-1)。最适工艺运行条件的确定为实际运行提供合理参数和理论基础。
【图文】：

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3.1生物过滤器微生物群落结构演替生物过滤器填料样品DNA经PCR扩增后，产物通过琼脂糖凝胶电泳检测，结果如图3一2所示。条带大小约 200bp左右。生物过滤器A生物过滤器B}}}} 014bl4mM14t67b67m67t014b14ml4t67b67m67tM图3一2生物过滤器A和B各时期各段填料样品PCR扩增结果Fig.3一 2TheresultofthePCRofsamPlesintheBiofilterAandB Thelanesarelabeledaso，14b，14m，14t，67b，67m，67t.0，14

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两种填料生物过滤器的DGGE图谱表现出较大的差异;同一反应器不同运行时期不同段微生物群落组成和丰度也明显不同。由图3一3可知，与运行初堆肥填料相比，接种运行14天的生物过滤器A底部填料样品中有2条条带(D4和DS)明显增亮，运行67天后，又新增了4条明亮条带(D7，DS，Dg和D10)，其余条带变暗或消失，中部和顶部填料样品微生物群落变化不如底部明显。这是因为生物滤器底部进气的方式使得底部填料所承受的污染负荷最大，而大部分三甲胺又是在底部得到去除，所以三甲胺对底部填料的微生物群落结构的影响也最大
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：X701

【引证文献】