基于Fe基质生物载体的低C/N比污水自养反硝化脱氮研究
发布时间：2021-06-07 18:39
硝酸盐氮（NO3/-N）污染是造成水体富营养化的重要原因之一,已经成为水生态系统中一个严重的环境问题。去除水中NO3-N的方法包括物化法和生物法,其中生物反硝化过程是相对经济、高效的脱氮技术,但实际污水中较低的有机物浓度是制约反硝化脱氮效果重要因素,因此,自养反硝化技术成为目前脱氮研究的热点。为了开发针对低碳氮（C/N）比污水生物反硝化脱氮新技术,解析自养反硝化微生物群落多样性和代谢功能,本论文首先构建了基于Fe基质生物载体的自养-异养耦合反硝化脱氮连续运行工艺;进而建立了 Fe基质生物载体的自养-异养耦合反硝化标记体系,应用13C-DNA稳定性同位素标记（DNAbased stable isotope probing,DNA-SIP）技术对耦合体系中自养和异养反硝化细菌进行有效识别;进一步构建了完全无机条件下的自养反硝化脱氮连续运行工艺;并对自养反硝化体系中自养反硝化细菌进行有效识别,解析自养反硝化细菌碳、氮代谢途径,为水中NO3-N的高效快速脱除提供理论依据。主要研究结果如下:（1）构建了 Fe基质生物载体自养-异养耦合反硝化连续运行工艺,在C/N比为1并控制出水pH为8.2时的N...
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１氮循环??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｎｉｔｒｏｇｅｎ?ｃｙｃｌｅ．??
并保持不变的生理生化特性，在后续分析中，将１２Ｃ－ＤＮＡ与１３Ｃ－ＤＮＡ分离，利??用标记的重同位素标记微生物信息反应体系中活性微生物的代谢过程的分子机??制（图１．２）。当体系微生物中ＤＮＡ被底物标记１３Ｃ或１５Ｎ取代时，其ＤＮＡ分子??在氯化铯介质中浮力密度增加约０．０５１?ｇ／ｍＬ或０．０２?ｇ／ｍＬ，高于理论上的有效分??离值０．０１２?ｇ／ｍＬ［１３１］，即在标记后体系中可有效被分离分别分析。值得注意的是，??标记体系能否被有效分离还取决于标记底物被利用程度及目标基因组ＧＣ含量。??１７??
原性铁粉、活性炭粉末、铁屑、复合金属催化剂等充分混合均匀，加入粘合剂、??发泡剂水溶剂，室温条件下造粒后放入烘箱烘干，将烘干载体放入无氧条件下灼??烧至成品［１３７＿１３９］。具体制备流程如图２．１所示。根据造粒大小和灼烧程度不同，??其理化性质稍有变化。应用在本研究中的Ｆｅ基质生物载体具备如下物理特性：??平均颗粒直径为５－１０?ｍｍ、孔隙率为５０－６５％。相比于其他生物载体，具有较大??比表面积、孔隙率和机械强度，这不仅能为反硝化细菌提供良好的附着条件，而??且保证了体系中铁的不断供应（图２．２）。??铁粉丨一Ｉ?丨齡剂胃Ｉ?千燥｜——？！灼烧??铁肩?—混勾｜—？Ｍ混匀造粒’??■?１?＇ｗ??活性炭丨」?丨多元４化剂｜??■?图２．１?Ｆｅ基质生物载体制备过程（邓时海等［１３８］）??Ｆｉｇｕｒｅ?２．１?Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ?ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ?ｏｆ?Ｆｅ?ｂａｓｅｄ?ｂｉｏｃａｒｒｉｅｒｓ．??（ａ）?＾?（ｂ）???（ｃ）?贏一?■＇ｍ??ｊｊｆｃ?蠢??图２．２本研究所用Ｆｅ基质生物载体（ａ．未挂膜载体；ｂ．载体附着生物膜初期；ｃ．附着生物??膜载体）??Ｆｉｇｕｒｅ?２．２?Ｆｅ?ｂａｓｅｄ?ｂｉｏｃａｒｒｉｅｒｓ?ｉｎ?ｔｈｉｓ?ｓｔｕｄｙ，?（ａ．?ｂｉｏｃａｒｒｉｅｒｓ；?ｂ．?ｂｉｏｃａｒｒｉｅｒｓ?ｗｉｔｈ?ｅａｒｌｙ?ｂｉｏｆｉｌｍ；?ｃ．??ｂｉｏｃａｒｒｉｅｒｓ?ｗｉｔｈ?ｂｉｏｆｉｌｍ）??２３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Microbiome analysis and-omics studies of microbial denitrification processes in wastewater treatment: recent advances[J]. Lili Miao,Zhipei Liu. Science China（Life Sciences）. 2018(07)
[2]林冠受损对小坑林场土壤固碳微生物群落结构的影响[J]. 禹飞,梁俊峰,史静龙,王胜坤,陆俊锟. 微生物学通报. 2017(10)
[3]碳氮比对不同滤料反硝化滤池脱氮效果的影响[J]. 吴兴海,李咏梅. 环境工程学报. 2017(01)
[4]北京市农村饮用水中硝酸盐暴露水平及分布特征[J]. 田佩瑶,王心宇,魏建荣,张永. 中国卫生检验杂志. 2016(19)
[5]稻田土壤固碳功能微生物群落结构和数量特征[J]. 刘琼,魏晓梦,吴小红,袁红朝,王久荣,李裕元,葛体达,吴金水. 环境科学. 2017(02)
[6]异养与硫自养反硝化协同处理高硝氮废水特性研究[J]. 李祥,马航,黄勇,朱亮,杨朋兵,朱强. 环境科学. 2016(07)
[7]北京密云水库小流域地下水硝酸盐污染来源示踪[J]. 鲁垠涛,刘芳,姚宏,于晓华,张士超,臧星华. 环境化学. 2016(01)
[8]厌氧氨氧化体的组成、结构与功能[J]. 赵弋戈,郑平. 微生物学报. 2016(01)
[9]硝酸盐型厌氧铁氧化菌的种类、分布和特性[J]. 王茹,郑平,张萌,赵和平,周晓馨. 微生物学通报. 2015(12)
[10]污染河流底泥亚铁氧化硝酸盐还原菌分离及代谢特性[J]. 谢小兰,余光伟,种云霄,龙新宪. 中国环境科学. 2015(05)
博士论文
[1]基于自养反硝化工艺处理低有机碳水中硝酸盐技术研究[D]. 佟爽.中国地质大学(北京) 2017
[2]地表水中硝态氮的去除及其与硫的相关性[D]. 郑猛.中国科学院烟台海岸带研究所 2017
[3]厌氧甲烷氧化微生物代谢分子机制及其潜在参与矿物形成机理的研究[D]. 陈颖.上海交通大学 2014
[4]不同电子供体深度脱氮工艺及微生物群落特征研究[D]. 李彭.清华大学 2014
[5]自养菌—异养菌协同反硝化脱硫工艺的运行与调控策略[D]. 陈川.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]珠江口海水和辽河口沉积物中微生物丰度及群落结构分析[D]. 季凤云.大连海洋大学 2016
[2]珠江水体硫氧化细菌多样性及其硫代谢途径研究[D]. 谭小琴.华南理工大学 2016
[3]北京市某远郊区地下水中硝酸盐污染来源研究[D]. 闫绍静.中国地质大学(北京) 2016
[4]硫铁矿自养反硝化去除地下水中硝酸盐的研究[D]. 蒲娇阳.中国地质大学(北京) 2015
[5]生活污水自养反硝化滤池深度脱氮研究[D]. 李恋云.中国石油大学(华东) 2015
[6]采用高效纳滤—低压反渗透集成膜工艺的海水淡化研究[D]. 周栋.宁波大学 2015
[7]珠江水体自养细菌及其群落结构研究[D]. 何庆.华南理工大学 2014
[8]短程反硝化—厌氧氨氧化联合用于污水脱氮的研究[D]. 张树立.北京工业大学 2012
[9]典型城市与农业区地表水与地下水硝态氮来源研究[D]. 徐志伟.东北师范大学 2012
[10]以天然黄铁矿和硫磺为硫源的自养反硝化特性研究[D]. 袁玉玲.南京大学 2011
本文编号：3217094
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１氮循环??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｎｉｔｒｏｇｅｎ?ｃｙｃｌｅ．??
并保持不变的生理生化特性，在后续分析中，将１２Ｃ－ＤＮＡ与１３Ｃ－ＤＮＡ分离，利??用标记的重同位素标记微生物信息反应体系中活性微生物的代谢过程的分子机??制（图１．２）。当体系微生物中ＤＮＡ被底物标记１３Ｃ或１５Ｎ取代时，其ＤＮＡ分子??在氯化铯介质中浮力密度增加约０．０５１?ｇ／ｍＬ或０．０２?ｇ／ｍＬ，高于理论上的有效分??离值０．０１２?ｇ／ｍＬ［１３１］，即在标记后体系中可有效被分离分别分析。值得注意的是，??标记体系能否被有效分离还取决于标记底物被利用程度及目标基因组ＧＣ含量。??１７??
原性铁粉、活性炭粉末、铁屑、复合金属催化剂等充分混合均匀，加入粘合剂、??发泡剂水溶剂，室温条件下造粒后放入烘箱烘干，将烘干载体放入无氧条件下灼??烧至成品［１３７＿１３９］。具体制备流程如图２．１所示。根据造粒大小和灼烧程度不同，??其理化性质稍有变化。应用在本研究中的Ｆｅ基质生物载体具备如下物理特性：??平均颗粒直径为５－１０?ｍｍ、孔隙率为５０－６５％。相比于其他生物载体，具有较大??比表面积、孔隙率和机械强度，这不仅能为反硝化细菌提供良好的附着条件，而??且保证了体系中铁的不断供应（图２．２）。??铁粉丨一Ｉ?丨齡剂胃Ｉ?千燥｜——？！灼烧??铁肩?—混勾｜—？Ｍ混匀造粒’??■?１?＇ｗ??活性炭丨」?丨多元４化剂｜??■?图２．１?Ｆｅ基质生物载体制备过程（邓时海等［１３８］）??Ｆｉｇｕｒｅ?２．１?Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ?ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ?ｏｆ?Ｆｅ?ｂａｓｅｄ?ｂｉｏｃａｒｒｉｅｒｓ．??（ａ）?＾?（ｂ）???（ｃ）?贏一?■＇ｍ??ｊｊｆｃ?蠢??图２．２本研究所用Ｆｅ基质生物载体（ａ．未挂膜载体；ｂ．载体附着生物膜初期；ｃ．附着生物??膜载体）??Ｆｉｇｕｒｅ?２．２?Ｆｅ?ｂａｓｅｄ?ｂｉｏｃａｒｒｉｅｒｓ?ｉｎ?ｔｈｉｓ?ｓｔｕｄｙ，?（ａ．?ｂｉｏｃａｒｒｉｅｒｓ；?ｂ．?ｂｉｏｃａｒｒｉｅｒｓ?ｗｉｔｈ?ｅａｒｌｙ?ｂｉｏｆｉｌｍ；?ｃ．??ｂｉｏｃａｒｒｉｅｒｓ?ｗｉｔｈ?ｂｉｏｆｉｌｍ）??２３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Microbiome analysis and-omics studies of microbial denitrification processes in wastewater treatment: recent advances[J]. Lili Miao,Zhipei Liu. Science China（Life Sciences）. 2018(07)
[2]林冠受损对小坑林场土壤固碳微生物群落结构的影响[J]. 禹飞,梁俊峰,史静龙,王胜坤,陆俊锟. 微生物学通报. 2017(10)
[3]碳氮比对不同滤料反硝化滤池脱氮效果的影响[J]. 吴兴海,李咏梅. 环境工程学报. 2017(01)
[4]北京市农村饮用水中硝酸盐暴露水平及分布特征[J]. 田佩瑶,王心宇,魏建荣,张永. 中国卫生检验杂志. 2016(19)
[5]稻田土壤固碳功能微生物群落结构和数量特征[J]. 刘琼,魏晓梦,吴小红,袁红朝,王久荣,李裕元,葛体达,吴金水. 环境科学. 2017(02)
[6]异养与硫自养反硝化协同处理高硝氮废水特性研究[J]. 李祥,马航,黄勇,朱亮,杨朋兵,朱强. 环境科学. 2016(07)
[7]北京密云水库小流域地下水硝酸盐污染来源示踪[J]. 鲁垠涛,刘芳,姚宏,于晓华,张士超,臧星华. 环境化学. 2016(01)
[8]厌氧氨氧化体的组成、结构与功能[J]. 赵弋戈,郑平. 微生物学报. 2016(01)
[9]硝酸盐型厌氧铁氧化菌的种类、分布和特性[J]. 王茹,郑平,张萌,赵和平,周晓馨. 微生物学通报. 2015(12)
[10]污染河流底泥亚铁氧化硝酸盐还原菌分离及代谢特性[J]. 谢小兰,余光伟,种云霄,龙新宪. 中国环境科学. 2015(05)
博士论文
[1]基于自养反硝化工艺处理低有机碳水中硝酸盐技术研究[D]. 佟爽.中国地质大学(北京) 2017
[2]地表水中硝态氮的去除及其与硫的相关性[D]. 郑猛.中国科学院烟台海岸带研究所 2017
[3]厌氧甲烷氧化微生物代谢分子机制及其潜在参与矿物形成机理的研究[D]. 陈颖.上海交通大学 2014
[4]不同电子供体深度脱氮工艺及微生物群落特征研究[D]. 李彭.清华大学 2014
[5]自养菌—异养菌协同反硝化脱硫工艺的运行与调控策略[D]. 陈川.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]珠江口海水和辽河口沉积物中微生物丰度及群落结构分析[D]. 季凤云.大连海洋大学 2016
[2]珠江水体硫氧化细菌多样性及其硫代谢途径研究[D]. 谭小琴.华南理工大学 2016
[3]北京市某远郊区地下水中硝酸盐污染来源研究[D]. 闫绍静.中国地质大学(北京) 2016
[4]硫铁矿自养反硝化去除地下水中硝酸盐的研究[D]. 蒲娇阳.中国地质大学(北京) 2015
[5]生活污水自养反硝化滤池深度脱氮研究[D]. 李恋云.中国石油大学(华东) 2015
[6]采用高效纳滤—低压反渗透集成膜工艺的海水淡化研究[D]. 周栋.宁波大学 2015
[7]珠江水体自养细菌及其群落结构研究[D]. 何庆.华南理工大学 2014
[8]短程反硝化—厌氧氨氧化联合用于污水脱氮的研究[D]. 张树立.北京工业大学 2012
[9]典型城市与农业区地表水与地下水硝态氮来源研究[D]. 徐志伟.东北师范大学 2012
[10]以天然黄铁矿和硫磺为硫源的自养反硝化特性研究[D]. 袁玉玲.南京大学 2011
本文编号：3217094
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