嗜热螯台球菌TAD1的脱氮性能及其好氧反硝化分子机制的初步研究

发布时间：2020-06-10 04:24

【摘要】：目前，活性氮污染在世界范围内正呈现愈演愈烈的趋势，其范围不仅包括水体中的硝氮、亚硝氮及铵态氮等，还包括大气中的NO_x（主要为NO和NO_2）气体，因而如何去除活性氮的污染成为近年来的研究热点。生物法脱氮作为一种低成本且无污染的绿色技术，已引起越来越广泛的关注。然而，根据传统的反硝化理论，氧的存在抑制反硝化的进行，降低了生物脱氮的效率，因此，最初的生物反应器均是在厌氧下进行，这很明显增加了运行成本，进而限制了其大规模的工业化应用。此外，部分工业含氮废水及经过洗涤后的燃煤烟气的温度均达到了50℃左右，而当前的相关生物技术的最佳温度均为常温，因而，开发高温生物脱氮技术具有切实的工程应用价值。本文选用嗜热螯台球菌TAD1（ChelatococcusdaeguensisTAD1）为研究对象，并应用于不同的反应器内，深入分析了TAD1在多种条件下的脱氮性能，初步探讨了TAD1发生好氧反硝化的分子机制，以期为真正地工业应用提供实践与理论指导。首先，采用PB（Plackett-Burman）设计法和基于中心组合实验设计（CCD）的响应面法，对生物滴滤塔的循环液组分进行了优化。结果表明，对脱氮率影响最大的因子是柠檬酸铵和硫酸亚铁，对实验数据进行二次多项式回归拟合后，获得响应值脱氮率（Y）对自变量柠檬酸铵（X1）和硫酸亚铁（X2）的二元二次回归方程：Y=-2.15+3.13X_1~2+204X_2-0.657X_1~2-1844X_2+5.68X_1X_2，求导后得到模型的极值点，即柠檬酸铵为2.62g/L，硫酸亚铁为0.059g/L，相应的模型预测的最大脱氮率为8.0318mg/(L·h)。其次，在实验室内建一小型生物滴滤系统，利用优化后的循环液组分，开放条件下以TAD1挂膜后来处理模拟烟气。该系统在不同负荷和氧浓度下均可实现对NO_x的有效去除。在进口NO浓度为600ppm、112.5s的空床停留时间（EBRT）下，NO_x的去除率（RE）可达到80.2 92.3%，氧对RE没有产生负面影响。同时，在系统运行的整个过程中，TAD1始终占有优势地位，说明其具有处理实际烟气的可行性。第三，分析TAD1在高温下的同步硝化反硝化性能，并将其应用于高温曝气生物滴滤池中。结果表明，无论是在纯种培养还是在曝气生物滴滤池中，TAD1均有良好的异养硝化－好氧反硝化性能。在纯种培养下，铵的去除能力达到6.97mg-NH_4~+-N/(L·h)，约有32.3%的总氮被TAD1转化成氮气；在曝气生物滤池中，12小时后在三种条件下的氮去除效率均达到100%，氮去除能力（平均脱氮率）分别为12.67mg/(L·h)、3.62mg/(L·h)及16.53mg/(L·h)，揭示TAD1具有应用于高温废水脱氮的潜力。第四，在实验室生物滴滤塔上进一步探索影响脱氮效果的最佳工艺参数及条件，随后在广州电厂一生物滴滤系统内，用TAD1挂膜，以火电厂经过脱硫除尘的烟道气为研究对象。结果显示，在实验室生物滴滤塔内，，初始NO-3浓度和空气流速对脱氮没有产生负面影响，综合考虑，乙酸钠为最佳碳源；在电厂生物滴滤系统中，NO_x去除效率可达到84.3-86.7%，最大污染负荷和最大处理能力分别为159.4g/(m~3·h)和137.3g/(m~3·h)，相应的NO_x进口浓度为558mg/m~3。虽然TAD1在生物膜中没有占绝对优势，但与其它多种微生物共存，共同完成处理NO_x的过程。最后，通过实时荧光定量PCR系统分析四种反硝化基因在不同溶氧下的表达规律，从基因水平初步探讨TAD1在高温下的好氧反硝化发生机制。结果表明，TAD1的硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和一氧化氮还原酶的基因类型分别为napA、nirK和cnorB，且含有氧化亚氮还原酶基因nosZ。随着溶氧的提高，napA、nirK、cnorB和nosZ的表达量呈下降趋势，说明高氧浓度对四种反硝化基因有抑制作用，而氧限制或微好氧环境可能更有利于基因的表达。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X703

【引证文献】