氧化锌纳米颗粒对污泥厌氧消化过程及微生物群落的影响研究

发布时间：2017-09-15 07:00

  本文关键词：氧化锌纳米颗粒对污泥厌氧消化过程及微生物群落的影响研究

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【摘要】：目前,纳米材料广泛应用于生产和生活多个领域,由于消费需求的增加,越来越多的纳米材料进入污水处理厂、污泥和垃圾填埋场。厌氧消化法广泛应用于废水处理、城市污泥及固体垃圾处理。因此,进行纳米材料对厌氧消化过程的影响研究是十分必要的。本课题选取ZnO-NPs为研究对象,主要研究不同浓度梯度下的ZnO-NPs对污泥厌氧消化过程不同阶段及微生物群落的影响,为纳米污染物对污泥厌氧消化过程的抑制效应评价提供了依据。ZnO-NPs能在一定程度上对污泥厌氧消化水解酸化过程产生影响。ZnO-NPs的暴露浓度设定为0,2,30,60,90,120,150mg/g-VSS,通过考察产气量、挥发酸、有机物降解效率、污泥减量效果等指标的变化,分析ZnO-N Ps对污泥厌氧消化水解酸化和产甲烷阶段的影响及关键酶活性的影响。ZnO-NPs暴露3d后,发现随着ZnO-NPs浓度的升高,系统中溶解性组分糖类、蛋白质、SCOD的降解效率逐渐下降,而总挥发酸的浓度没有显著变化。ZnO-NPs的暴露浓度从2增加到150mg/g-VSS时,产气组分中H2和CH4的百分含量分别从4.98%和0.98%升高到30.63%和9.67%,CO2含量从95.01%下降到58.23%。ZnO-NPs对污泥厌氧消化中产甲烷阶段的抑制作用相对较大。ZnO-NPs会使厌氧消化过程中的产气量减少,SCOD去除率、TCOD去除率和R(VSS/TSS)值降低,在ZnO-NPs浓度升高到120mg/g-VSS时达到最大,SCO D去除率、TCOD去除率分别减少到对照组的3%、36.5%和74%。污泥VSS减量率、蛋白质和多糖的减量率随着ZnO-NPs浓度的升高而逐渐减小。ZnO-N Ps的投加会在一定程度上抑制蛋白酶、纤维素酶、乙酸激酶和辅酶F420的活性。低浓度的ZnO-NPs暴露对关键酶活性的影响较小,而高浓度时抑制作用较大;ZnO-NPs对产甲烷类酶的抑制作用大于水解酸化类酶。通过高通量测序分析结果显示:4个样本的古菌丰富度排列顺序分别为:03090150,细菌丰度的排列顺序为03090150,由此可知,ZnONPs的浓度升高,古菌的群落丰度升高,而细菌的群落丰度下降。对样本的微生物群落进行差异性分析表明:ZnO-NPs能影响厌氧消化系统的微生物群落,并使之出现聚类上的差异,且细菌和古菌的群落的差异性均随着ZnO-N Ps浓度的升高而逐渐增大。对样本进行不同水平上的群落结构分析发现:Methanomicrobia是古菌生物群落中的最优势菌群,Methanobacteria和Thermoplasmata是次优势菌群,随着ZnO-NPs浓度的升高Methanom icrobia的丰度分别下降10.87%、13.44%、21.65%,从而导致系统的产甲烷效率下降;在无ZnO-NPs系统Clostridia,Anaerolineae,Bacteroidia是优势细菌菌群,当ZnO-N Ps的浓度为30,90,150mg/g-VSS时,Clostridia含量分别为13.11%、20.61%、12.29%,Bacteroidia的群落占有量分别为9.75%、14.92%、16.14%,的群落占有量分别为18.89%、11.54%、3.62%,这说明ZnO-NPs能促进Clost ridia和Bacteroidia的活性,而对Anaerolineae门的厌氧蝇菌属在产甲烷生物系统中降解大分子化合物具有抑制作用。
【关键词】：氧化锌纳米颗粒(ZnO-NPs) 纳米毒理学 污泥厌氧消化 微生物群落
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 课题来源和背景10-11
• 1.1.1 课题来源10
• 1.1.2 课题背景10-11
• 1.2 纳米材料在环境中的来源及应用11-15
• 1.2.1 纳米材料在环境中的来源及其进入环境的途径11-12
• 1.2.2 纳米材料在环境中的应用12-14
• 1.2.3 纳米氧化锌的概述14-15
• 1.3 纳米颗粒的毒性效应及致毒机理15-17
• 1.3.1 纳米颗粒的毒性效应15-16
• 1.3.2 致毒机理16-17
• 1.4 纳米颗粒对污水/污泥处理系统影响的研究现状17-21
• 1.4.1 纳米颗粒在对污水处理系统的影响17-19
• 1.4.2 纳米颗粒对污泥厌氧消化系统的影响19-21
• 1.4.3 ZnO-NPs对厌氧消化系统的影响21
• 1.5 研究目的、意义和内容21-23
• 1.5.1 研究目的及意义21-22
• 1.5.2 研究内容22-23
• 第2章 实验材料与方法23-32
• 2.1 实验材料与仪器23-25
• 2.1.1 化学试剂23-24
• 2.1.2 实验仪器24
• 2.1.3 污泥来源24-25
• 2.2 实验装置与方验方法25-27
• 2.2.1 实验装置25-26
• 2.2.2 实验方法26-27
• 2.3 ZnO-NPs的表征方法27
• 2.4 测试项目与方法27-32
• 2.4.1 VAF的测定27-28
• 2.4.2 酶指标的检测28-29
• 2.4.3 微生物群落分析29-30
• 2.4.4 其他指标的检测30-32
• 第3章 ZnO-NPs对污泥厌氧消化机理研究32-44
• 3.1 引言32
• 3.2 ZnO- NPs在污泥中的形貌分析及去向研究32-34
• 3.2.1 ZnO-NPs在污泥中的形貌分析32-33
• 3.2.2 ZnO-NPs在污泥中的去向分析33-34
• 3.3 ZnO- NPs对厌氧消化水解酸化的影响34-36
• 3.3.1 ZnO-NPs对溶解性组分的影响34-35
• 3.3.2 ZnO-NPs对产气组分的影响35-36
• 3.4 ZnO- NPs对污泥厌氧消化产甲烷阶段的影响36-41
• 3.4.1 ZnO-N Ps对产气效果的影响36-38
• 3.4.2 ZnO-NPs对污泥有机物降解效率及组分的影响38-39
• 3.4.3 ZnO-NPs对污泥减量效果的影响39-41
• 3.5 ZnO- NPs对污泥厌氧消化各阶段酶活性的影响41-42
• 3.6 本章小结42-44
• 第4章 ZnO-NPs对污泥厌氧消化系统微生物群落的影响44-56
• 4.1 引言44
• 4.2 微生物群落丰度及多样性分析44-46
• 4.3 微生物群落差异性分析46-48
• 4.4 微生物群落结构变化分析48-54
• 4.4.1 古菌群落结构变化48-51
• 4.4.2 细菌群落结构变化51-54
• 4.5 本章小结54-56
• 结论56-58
• 参考文献58-66
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果66-68
• 致谢68

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本文编号：854974