SNAD-IFAS工艺中微生物群落相互作用机制与调控研究

发布时间：2020-06-07 07:09

【摘要】：近年来,国内外提出了能量中和(Energy neutral)或能量盈余(Energy positive)作为市政污水(主流污水)处理的发展目标。其主要思路是首先回收污水中的有机碳源(COD)并将其转化为甲烷,再采用低能耗技术进行生物脱氮。亚硝化/厌氧氨氧化/反硝化(SNAD)-固定生物膜/活性污泥(IFAS)工艺因其具有能同时脱氮除碳、能耗低、节省运行费用和工艺流程简明等优势,而被列为未来污水生物脱氮的重要工艺。但是,由于SNAD-IFAS工艺内微生物种类繁多,微生物之间关系复杂,造成工艺稳定性难以调控,并且针对自养脱氮生物膜形成及工艺内微生物群落调控与相互作用的机制尚不明确。因此,本论文通过分子生物学技术,并结合微生物资源管理与第二信号分子概念,分析了环二鸟苷酸(c-di-GMP)在自养脱氮生物膜形成过程中的作用及其在SNAD-IFAS工艺中对微生物群落结构的影响。同时,还阐明了不同调控条件下SNAD-IFAS工艺内微生物群落空间异质性、微生物群落变化规律和微生物群落相互作用关系。为了解自养脱氮生物膜形成的机制,本研究利用第二信号分子概念,分析了在自养脱氮生物膜形成过程中c-di-GMP与胞外聚合物(EPS)之间的关系。研究结果表明自养脱氮生物膜的紧密结合型EPS(TB-EPS)含量要高于好氧氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(AnAOB),而生物膜的松散结合型EPS(LB-EPS)含量明显低于AOB和AnAOB。同时,AOB、AnAOB和生物膜上EPS中总的多糖含量与c-di-GMP浓度具有相同的变化趋势,并且AnAOB分泌的EPS中总的多糖含量和菌体内c-di-GMP含量要高于AOB。在生物膜形成过程中,AnAOB中高浓度的c-di-GMP可以提高其胞外聚合物中多糖的合成,从而促进对AOB的粘附以及自养脱氮生物膜的形成。为进一步理解SNAD-IFAS工艺中微生物群落,本研究通过分子生物学技术,对SNAD-IFAS工艺中微生物种属、空间异质性和微生物之间的相互作用关系展开了深入的探究工作。研究结果表明,在所构建的SNAD-IFAS工艺中,AnAOB为Candidats Kuenenia stuttgartiensis,AOB 为 iNtrosomonas europaea,反硝化菌(DNB)为 Denitratsoma oestradiolicum。其中AnAOB和DNB主要分布于生物膜上,占比分别为51.49%和2.07%,而AOB主要分布于悬浮污泥中,占比为18%。Candidatus Kuenenia在微生物网络中占据主导地位,其他微生物都是围绕它的生命活动展开。其中与Candidatus Kuenenia存在显著正相关的菌属有Caldilinaeaceae、Ignavibacterium、Bryobacte 和Denitratisma。此外,AnAOB与DNB成正相关性,而与AOB成负相关性。在SNAD-IFAS工艺中,一些异养菌(Calldilinaeaceae、Bryobacter和Ignavibaacterium)可以作为AnAOB重要的伴生菌种,与AnAOB存在着密切的相关性。pH是影响微生物群落结构和多样性的一个重要因素,关于微生物群落对pH响应机制的研究长期忽略一个因子,即c-di-GMP的功能。基于以上研究结果,针对pH调控群落结构变化及引起群落结构变化的内在机制进行了研究。结果表明,在SNAD-IFAS工艺中,当pH从7.5升高到8.5,悬浮污泥中Nitrospira(硝化细菌,NOB)的相对丰度从7.1%升高到38%,而生物膜中Candidatus Kuenenia(AnAOB)的相对丰度则从10.9%下降到0.8%。造成此现象的原因是在pH为8.5的条件下,NOB仍然具有很高的活性。随着pH的升高,悬浮污泥中的一些细菌开始从附着态向运动态转变。因为过高的pH(≥8.5)会导致这些菌体内c-di-GMP含量的降低,从而增强了它们的运动性,以至于随出水洗出反应器。这将导致悬浮污泥中微生物群落结构发生改变并造成悬浮污泥中NOB占比的增加,影响生物膜上AnAOB的活性。针对利用SNAD-IFAS工艺处理主流模拟污水的运行方案进行了深入研究,并分析了 C/N比在调控主流SNAD-IFAS工艺处理效果和微生物群落结构方面的作用。研究结果表明,利用SNAD-IFAS工艺处理主流污水的最佳C/N比为1.2±0.2,出水中COD、NH4+-N、NO2--N 和 N03--N 的平均浓度分别为 7.2、0.4、1.1 和 13.4mg/L。过高的 C/N比(≥ 2.0)将导致异养细菌(Hydrogenophaga)和NOB(Nitrspira)在悬浮污泥中过量繁殖,从而使主流SNAD-IFAS工艺的脱氮效率降低。在主流SNAD-IFAS工艺中存在两种不同的脱氮途径,即生物膜上的脱氮过程主要由AnAOB和NDB完成,而悬浮污泥中的脱氮过程则由AOB、NOB、AnAOB和DNB共同完成。此外,生物膜和悬浮污泥中多糖的含量与c-di-GMP浓度具有很强的相关性。AnAOB(Candidats Kuenenia)之所以可以在含低浓度有机物的环境中生长,是因为AnAOB与一些异养细菌(Limnobacter、Bryobacter)呈现出明显的共存关系(正相关性),而这些细菌可以保护厌氧氨氧化菌免受不利环境(氧气、有机物质)的影响。主流SNAD-IFAS工艺与高速活性污泥和厌氧水解反硝化工艺相结合在城市污水处理厂提标改造过程中具有极大的应用潜力。
【图文】：

地表水污染

劣Ｖ类水质断面比例分别为７１．２％、１９．７％和９．１％，湖泊（水库）中，贫营养的１０个，中逡逑营养的７３个，轻度富营养的２０个，中度富营养的５个。湖泊（水库）的富营养化问题仍逡逑然很突出。地表水的污染特点见图１．１。其中常规污染物主要包括化学物质和氮磷等营逡逑养物质，而有毒有害、痕量污染物主要是重金属和有毒的有机物，污染主要分为点源、逡逑面源和其他典型污染源。水体的人为污染导致了饮用水的匮乏，同时还会引起疾病的传逡逑播，淡水资源的水体缺氧现象也是人为污染的一个环境问题。水体缺氧现象根本上是由逡逑水体富营养化引起的，而水体富营养化又离不开营养物质（氮和磷）被大量排放到水体中，逡逑且排放的量己经超过自然界同化这些营养物质的水平。水体中的氮素主要以还原态的氨逡逑氮和氧化态的亚硝氮和硝氮形式存在，过量的氨氮会造成水体中氧气的消耗，而水体中逡逑的亚硝酸盐和硝酸盐对于有氧呼吸的动物而言是具有毒性的。逡逑第一次全国污染源普查结果显示［２］，２００７年全国废水排放总量２０９２．８１亿吨，其中逡逑化学需氧量３０２８．９６万吨，总氮４７２．８９万吨，，氨氮１７２．９１万吨，总磷４２．３２万吨。由此逡逑可见

硝化反硝化,工艺原理

１．２．１传统硝化反硝化工艺逡逑生物脱氮工艺的第一个阶段是传统硝化反硝化工艺，该工艺主要是通过硝化细菌与逡逑反硝化细菌协同完成的脱氮过程。该工艺原理见图１．２。首先是好氧氨氧化菌（ａｍｍｏｎｉａ－逡逑ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ邋ｂａｃｔｅｒｉａ，邋ＡＯＢ）邋通过消耗邋７５％邋的分子氧将邋１邋ｍｏｌ邋氨氮转化成邋１邋ｍｏｌ邋的亚硝氮，之逡逑后通过亚硝氮氧化细菌（ｎｉｔｒｉｔｅ－ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ邋ｂａｃｔｅｒｉａ，ＮＯＢ）将１邋ｍｏｌ的亚硝氮转化为１邋ｍｏｌ的逡逑硝氮，此时消耗２５％的分子氧。此类生物反应式在好氧的环境条件下完成，主要通过两逡逑类自养菌完成。在将氨氮氧化成硝酸盐后，通过在厌氧条件下，异养反硝化完成脱氮过逡逑程，将硝酸盐转化为氮气。其中，４０％的碳源用于还原硝酸盐到亚硝酸盐，剩余的６０％逡逑的碳源用于将亚硝酸盐转化为氮气。该工艺过程需要消耗分子氧４．７５邋ｇ／ｇＮＨ４＋－Ｎ，碳源逡逑消耗量邋４．７７邋ｇ邋ＣＯＤ／ｇ邋Ｎ０３－－Ｎ。逡逑Ａｕｔｏｔｒｏｐｈｉｃ逦Ｈｅｔｅｒｏｔｒｏｐｈｉｃ逡逑Ａｅｒｏｂｉｃ邋Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ逦１邋ｍ0｜邋Ｎｉｔｒａｔｅ逦Ａｎｏ．ｉｃ邋Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ逡逑（Ｎ０３＇）逦一邋４０％邋Ｃａｒｂｏｎ逡逑？ｊ邋＼逡逑１邋ｍｏｌ邋Ｎｉｔｒｉｔｅ逦１邋ｍｏｌ邋Ｎｉｔｒｉｔｅ逡逑（Ｎ0２邋）逦（ＮＯ？邋）逦－－邋６０％邋Ｃａｒｂｏｎ逡逑１邋ｍｏｌ邋Ａｍｍｏｎｉａ逦ｍｏｉ邋Ｎｉｔｒｏｇｅｎ邋Ｇａｓ逡逑（ＮＨ＾／ＮＨ，＊）逦（Ｎ２）逡逑Ｏｘｙｇｅｎ邋ｄｅｍａｎｄ邋４．５７邋ｇ邋／邋ｇ邋ＮＨ％－Ｎ逦Ｃａ
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

【参考文献】