间歇曝气条件下河流内源氮转化及微生物机制

发布时间：2020-11-16 04:33

　　 当外源氮逐步得到控制后,底泥中内源氮的释放也是造成水体污染的重要污染源。连续曝气技术是现今水体修复的主要方式,虽然曝气技术实现了氮的硝化过程使氨氮明显降低,但是忽略了反硝化而使水体中总氮和硝态氮含量仍较高。该论文采集十五里河上覆水和底泥,通过间歇曝气的方式实现内源氮的释放及短程硝化反硝化的生物脱氮。采用分子生物学方法,主要分析间歇曝气短程生物脱氮过程中微生物群落组成及功能微生物,并分析对微生物群落及氮转化功能基因丰度影响的主要环境因素。采用近红外光谱法研究间歇曝气过程中氮转化及氮指标的快速检测,主要研究结果如下:1.应用间歇曝气法研究受污染河流的氮的释放及转化规律。间歇曝气实验结果表明:上覆水曝气阶段,氨氮浓度逐渐降低,亚硝酸盐浓度逐渐升高,上覆水曝气阶段发生了明显的短程硝化作用;上覆水停止曝气阶段,氨氮因底泥释放表现为逐渐上升,而亚硝酸盐氮逐渐因短程反硝化而减少,上覆水停止曝气阶段发生了明显的短程反硝化作用;而整个间歇曝气期间,硝酸盐氮变化稳定且浓度变化范围较小(0～0.38 mg/L);总氮浓度呈现逐渐下降的趋势。反复间歇曝气有利于河流上覆水短程硝化反硝化生物脱氮。2.采用分子生物学方法研究间歇曝气过程中微生物群落结构及微生物多样性,并采用冗余分析法和变差分解法分析对微生物群落及多样性影响的主要环境因子。上覆水微生物群落结构研究表明,在短程硝化阶段,上覆水中Comamonas(丛毛单胞菌属)发挥了重要的短程硝化功能。在短程反硝化过程中,上覆水中的短程反硝化菌的特征菌较少,对脱氮贡献不大。冗余分析表明,DO、pH和FA对上覆水短程硝化阶段微生物种群结构的变化的影响最大,DO、pH、FA、NH4+是上覆水短程反硝化阶段对微生物种群结构的变化影响较大的因素。底泥微生物多样性分析表明,在短程硝化阶段,底泥中的短程硝化功能菌在门水平上可能存在,在纲和属水平未发现明显的短程硝化功能菌。而在短程反硝化过程中,底泥中Thauera菌属是实现河流短程生物脱氮的主要微生物。冗余分析表明,水质理化因子DO和pH对底泥短程硝化阶段微生物种群分布的影响均较大。pH和N02-对短程反硝化阶段微生物种群分布的影响均较大。3.采用PCR荧光定量法研究底泥中氮转化功能基因对河流上覆水间歇曝气环境变化的响应规律。采用冗余分析法分析反应过程中对底泥功能基因影响的主要环境因子。采用皮尔森相关性分析氮转化功能基因与底泥化学指标的关系。PCR荧光定量分析表明,短程硝化阶段,底泥中氨氧化功能基因amoA呈现明显的增长趋势,表明较强的短程硝化功能。而硝化功能基因nxr变化趋势不大,且变化趋势不显著的,说明亚硝酸盐氮转化成的硝酸盐氮较少。短程反硝化阶段,功能基因nirK和nirS呈现明显增加趋势,cnorB也呈现较明显的增加趋势,说明由亚硝酸盐氮转化为一氧化氮的量明显较多,一氧化氮向一氧化二氮转化也较明显。底泥基础化学指标及其与氮转化功能基因的皮尔森相关性表明,在短程硝化阶段亚硝酸盐氮与nxr功能基因有显著相关性(Pearson相关性:r=0.924),而且 DO 与 Archaeal-amoA、Bacterial-amoA、nirS 有显著相关性(Pearson 相关性:r=0.909;r=0.934;r=-0.917)。短程反硝化阶段 NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN、C:N及TOC与多种氮转化功能基因具有显著相关性。冗余分析和变差分解分析表明,短程硝化阶段DO、NH4+-N和C:N是影响短程硝化阶段底泥功能基因转化的主要因素。而短程反硝化阶段DO、NO2--N和TOC是影响底泥功能基因转化的主要因素。4.氮的及时检测是控制间歇曝气工艺稳定高效运行的关键。为克服传统化学检测方法耗时、耗,药且产生二次污染等缺陷,采用绿色快捷的近红外光谱结合数理统计学方法,即iPLS(间隔偏最小二乘法)、siPLS(组合间隔偏最小二乘法)、BP神经网络、支持向量机建立总氮、氨氮和亚硝酸盐氮含量的定量分析模型。研究结果表明,近红外光谱结合不同的数理统计学方法所建立的快速分析模型均能进行对总氮、氨氮和亚硝酸盐氮的含量进行检测,其中siPLS方法所建立的氮指标的定量分析模型最精确,BP神经网络定量分析模型其次,再次是iPLS定量分析模型和支持向量机定量分析模型。论文对受污染河流上覆水间歇曝气进行了上覆水短程生物脱氮研究。利用分子生物学手段开展了微生物群落组成特征及其对环境变化响应研究,进一步分析了底泥中氮转化功能基因丰度及环境因素的相关关系。采用近红外光谱法结合数理统计学方法实现氮指标的快速表征。该研究丰富了对受污染河流短程生物脱氮中氮的循环机制的认知,并为受污染河流的有效治理及氮指标的检测提供了技术参考。
【学位单位】：安徽大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X52
【部分图文】：

Ｆｉｇ．?２．１?Ｕｎｉｔｅ?ｏｆ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｏｐｅｒａｔｉｏｎ??采用活塞式柱状采样器（ＫＨ０２０４）采集氮污染严重超标的ｔ五里河表层３０??ｃｍ的底泥并避光保存，同时采集上覆水，采样点如图２．２所示。把采集的底泥??和上覆水运回实验室按１：３比例放入间歇曝气反应器。??该实验进行了?１３８?ｄ，探索间歇曝气条件下氮转化功能微生物种群、丰度及??其对环境因子的响应，揭示间歇曝气条件下氮转化的新机制。并探索间歇曝气条??件下氮转化规律及基于近红外光谱法氮的快速无污染检测方法；实验初期阶段为??２５??

＿?懦动泵??图２．１?＿歇曝ｚ〔实验装置??Ｆｉｇ．?２．１?Ｕｎｉｔｅ?ｏｆ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｏｐｅｒａｔｉｏｎ??采用活塞式柱状采样器（ＫＨ０２０４）采集氮污染严重超标的ｔ五里河表层３０??ｃｍ的底泥并避光保存，同时采集上覆水，采样点如图２．２所示。把采集的底泥??和上覆水运回实验室按１：３比例放入间歇曝气反应器。??该实验进行了?１３８?ｄ，探索间歇曝气条件下氮转化功能微生物种群、丰度及??其对环境因子的响应，揭示间歇曝气条件下氮转化的新机制。并探索间歇曝气条??件下氮转化规律及基于近红外光谱法氮的快速无污染检测方法；实验初期阶段为??２５??

??和１３０￣１３５ｄ为曝气期，其余为停止曝气期。各种氮指标的变化如图２．３所示。??从图２．３可以看出，在稳定期间（１２ｄ），底泥中的氨氮持续向上覆水释放，??导致上覆水中氨氮浓度整体呈现上升趋势，最终氨氮浓度从３７．９７?ｍｇ／Ｌ上升到??最大值为４５．０４?ｍｇ／Ｌ。总氮整体也呈现上升趋势，从３８．６０?ｍｇ／Ｌ上升至４５．４５??ｍｇ／Ｌ；而该阶段亚硝酸盐氮呈现微弱的增长趋势，其浓度从０．１０２?ｍｇ／Ｌ上升至??１．００?ｍｇ／Ｌ，硝酸盐氮则基本没有变化，其浓度范围在０？０．００７?ｍｇ／Ｌ。综上，在??稳定期间，总体表现为氨氮和总氮表现为明显的增长趋势，而亚硝酸盐氮和硝酸??盐氮变化趋势不明显，主要是因为稳定期反应器环境处于厌氧或缺氧的环境，基??本没有发生亚硝化和硝化反应。??６０１???？？?＊?１Ｎ??■Ｔ５０＇?？?ＮＨ；－Ｎ??４０?？?＂?．?ＮＯ；－Ｎ??￡?Ｖ??ｃ?、?＼?ＮＯ．－Ｎ??．２?３０??Ｉ?、、．＇？？、？＇?？??Ｉ２０－?＇？、?．??Ｑ?＇〇■?＇？?一？）、．．广??０?’??０?１５?３０?４５?６０?７５?９０?１０５?１２０?１３５??Ｔｉｍｅ?（ｄ）??图２．３?Ｎ歇曝条件丨、＇氮的转化??Ｆｉｇ．?２．３?Ｃｈａｎｇｅｓ?ｏｆ?ｉｎｏｒｇａｎｉｃ?ｎｉｔｒｏｇｅｎ?ｄｕｒｉｎｇ?ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ?ａｅｒａｔｉｏｎ??从图２．３可以看出
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本文编号：2885622