废水反硝化脱硫工艺功能微生物分布规律及调控机制研究

发布时间：2017-12-20 16:25

  本文关键词：废水反硝化脱硫工艺功能微生物分布规律及调控机制研究　出处：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：制药、印染、造纸等.行业生产过程中排放出.大量含硫含氮有机.废水,协同消减.有机污染物.和含硫含氮污染物.的需求迫切。一些特定的.厌氧微生物.能够利用硝酸盐.作为电子受体,在反硝化的同时将硫化物氧化为.单质硫,同步实现COD、氮和硫的脱除和硫的回收(反硝化脱硫)。课题组前期研究针对含硫含氮有机废水处理提出硫酸盐还原.-反硝化脱硫-.氨氧化组合工艺,旨在有效处理.含硫含氮有机废水.同时以单质硫的形式.回收水中的硫系污染物。本论文在此基础上,采用模拟废水针对组合工艺中的反硝化脱硫工艺单元,以连续搅拌式反应器(Continuous Stirred Tank Reactor,CSTR)、膨胀颗粒污泥床(Expanded Granular Sludge Bed,EGSB)、厌氧折流板(Anaerobic Baffled Reactor,ABR)三种类型的反应器.作为反硝化脱硫装置,探讨并明确了反硝化脱硫工艺的优化运行参数,如碳源条件、碳氮硫比率、进水负荷以及硫酸盐投加,同时,通过分析各类运行条件下系统内部各类功能菌群和基因的分布及表达,探讨了反硝化脱硫系统内功能微生物的作用和运行机制,为反硝化脱硫工艺的实际运行提供理论基础。为明确不同碳源供给情况下反硝化脱硫功能微生物的分布作用效果,研究首先探明了反硝化硫氧化细菌在有机碳源(乙酸钠)、无机碳源(碳酸氢钠)和混合碳源(乙酸钠+碳酸氢钠)的分布规律,发现碳源显著地影响着反硝化硫氧化细菌的分布和运行效果。其中混和碳源培养条件下中,Thauera和Arcobacter为核心菌属;在无机碳源培养条件下,Thiobacillus为核心菌属;在有机碳源培养条件下,Azoarcus和Pseudomonas为核心菌属。其中混合碳源培养条件反硝化脱硫工艺运行稳定,且单质硫回收率较高。反硝化脱硫工艺中微生物菌群的结构和多样性受电子受体与电子供体比率的显著影响。单质硫回收率又受到功能微生物丰度和活性影响,当硫氮比(S2--S/NO3--N)为5:6时,单质硫生成率最高(84.4%),此时系统中主要功能类群为Thiobacillus,Enterobacter,Stappia,Rhizobium和Thauera。其中Thiobacillus和Thauera具备硫氧化和反硝化功能。此条件下,功能基因nirK、sqr拷贝数达到最高较其余硫氮比(5:2、5:4、5:8、5:9),可确定反硝化脱硫工艺最佳硫氮比在5:6。进水负荷是影响工艺效果的另一个因素,研究考察了不同碳氮硫进水负荷条件下对反硝化脱硫系统的运行效能影响及微生物作用机制。发现当CO D,硝酸盐,硫化物负荷分别为1.05/0.60/0.95 kg d-1m-3,HRT=24h时,出水中几乎没有单质硫生成,且出水中硫酸盐较高(182 mg/L)。当进水负荷提高1倍后,COD去除率发生波动,然而很快恢复至90%的水平。高负荷时单质硫平均生成率为83.7%,且出水硫酸盐较低(24 mg/L)。分析两种负荷条件下反应器内不同高度的微生物群落结构发现,条件I下,不同高度中的微生物差异度较大,其中Anaerolineaceae为优势菌属;条件II中,不同高度中的微生物差异度较小,且Thauera和Azoarcus为优势菌属。功能基因分析发现,条件I中,功能基因nirk、sqr和sox基因在反应区上部无活性,相反在条件II下三种基因表达活性较高,说明进水负荷影响了DSR工艺的硫氧化的终产物的价态。基于实际运行情况下反硝化脱硫单元易受硫酸盐还原单元中未还原的硫酸盐的影响,研究考察了在混合硫化合物体系中(硫化物、硫酸盐)不同碳硫比(COD/SO_4~(2-))对系统的运行效能影响及微生物作用机制。当进水碳硫比为1时,反硝化脱硫系统出水硫酸盐及硫代硫酸盐含量较高,分别为139.6mg/L、48.2mg/L,单质硫含量为101.8mg/L。当进水碳硫比提高至3时,出现明显的产甲烷现象,甲烷产量最高可达到5.4L/d,出水硫化物浓度达到270.1 mg/L,单质硫生成量为20.3 mg/L。当进水碳硫比恢复为1:1时,产甲烷现象消失,单质硫生成量逐渐提高。推测硫酸盐共存条件下微生物代谢机制为:在硫代谢中,Desulfobulbus将硫酸盐还原为硫化物,Sulfurovum则利用硝酸盐将硫化物氧化为单质硫,有时Sulfurovum还将单质硫/硫化物氧化为硫酸盐。Sulfurovum和Anaerolineaceae主要参与了反硝化过程。Anaerolineaceae、Desulfobulbus、Sulfurovum经厌氧发酵产生甲酸和二氧化碳,同时Anaerolineaceae还可以产氢。Methanobacterium利用甲酸、氢气产生甲烷,Methanosaeta则直接利用种间电子传递产生甲烷。基于以上结果,依据功能微生物生态位不同,采用新型ABR型反应器调控功能微生物分布。ABR反应器设有四个隔室,硝酸盐于反应器的第三个隔室注入。通过调整进水的硫氮比(SO_4~(2-)-S/NO3--N,5:2;5:5;5:8),发现硫氮比为5:5时反应器运行效果最优。通过对不同隔室的微生物群落结构和功能基因表达分析,发现硝酸盐抑制了第三、四隔室中的硫酸盐还原过程,因此前两个隔室主要发挥硫酸盐还原功能,后两个隔室主要发挥反硝化硫氧化功能,达到了基于微生物不同生物位调控功能微生物的丰度的目的。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X703

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本文编号：1312745