好氧颗粒污泥系统处理含PPCPs污水的效能及微生物群落演替

发布时间：2020-11-18 05:07

　　 近年来,药品及个人护理用品(Pharmaceuticals and personal care products,PPCPs)这类新兴污染物在水体中的残留成为新的环境问题,特别是一些地表水和城市污水中PPCPs含量达几十微克/升甚至更高。污水处理过程不能有效去除这类污染物,含有PPCPs的污水排入受纳水体,给生态环境和人类健康带来潜在危害。探寻经济有效的去除污水中PPCPs的处理技术和工艺已成为水处理研究者当前面临的一个新挑战,也是水处理领域非常重要的研究课题。具备高效能、成本低、反应温和等显著优势的生物处理法,正逐渐成为处理污水中该类物质的关键技术。本研究利用微生物造粒固定化技术,对两种生物处理工艺去除污水中5种抗菌消炎PPCPs污染物的效能进行考察,并从微生物分子生态学水平探讨反应体系中微生物群落结构演替和种群多样性特征,对污染物的去除机制进行深入研究。通过优化的工艺条件参数,在序批式颗粒化生物反应器(GSBR)和好氧颗粒污泥-膜生物反应器(GMBR)工艺中培养并获得好氧颗粒污泥(AGS)。在GSBR体系中最终形成表面光滑、轮廓清晰、淡黄色颗粒,生物量累积3.8g/L,粒径1.0~4.0mm的颗粒污泥占污泥总体积的80%,颗粒污泥的沉速与粒径正相关,表现出良好的沉降性,微生物活性高。颗粒污泥中分泌的类蛋白质促进了污泥颗粒的形成和疏水性作用,成熟颗粒污泥含水率保持在96.7%~97.6%之间,明显低于絮体污泥。而在GMBR体系中,最终形成表面光滑、质地柔软、米粒或不规则椭圆状的土黄色颗粒,粒径为1.0~3.0mm的颗粒污泥占污泥总体积的58.6%,生物量累积达5.1g/L,颗粒污泥沉降性能优于普通活性污泥。在已经成功培养获得好氧颗粒污泥的体系中,选取5种抗菌消炎PPCPs作为目标污染物,考察GSBR和GMBR两种工艺对5种物质的去除效能和工艺运行稳定性。结果表明,在含有PPCPs的污水体系中颗粒污泥能够较好地稳定运行,但5种目标物的去除效果存在差异。GSBR工艺泼尼松龙的去除效果明显,平均去除率84%,萘普生、磺胺甲恶唑和诺氟沙星的去除率分别达70.5%、75.7%和79.8%,而布洛芬的去除率仅为45%。GMBR工艺对常规污染物和PPCPs的去除效果均有提高,颗粒吸附、生物降解与超滤膜截留对污水中几种污染物的整体去除率有贡献。其中对泼尼松龙、诺氟沙星、萘普生的去除效果较为理想,去除率分别提高至98.5%、87.8%和84%。对磺胺甲恶唑和布洛芬的去除率较前三种药物去除率略有降低。污泥颗粒化进程提高了GMBR工艺对有机物的去除效率,COD去除率维持在90%左右,TP去除率逐渐提升至92%,TN去除率近95%,NH4+-N去除率保持在90%以上。此外,考察了污泥龄(SRT)与胞外多聚物(EPS)对工艺稳定运行中膜污染的影响,结果表明,GMBR体系有较强的抗膜污染能力,EPS中蛋白质含量的增多维持了好氧颗粒结构的稳定,对反应体系的膜污染有一定的缓解作用。进一步考察了好氧颗粒污泥对两种代表性有机物磺胺甲恶唑(SMZ)和萘普生(NPS)的吸附和降解作用。研究表明,好氧颗粒污泥对两种药物的去除是一个化学吸附和缓慢生物降解的过程。在相同条件下,初始浓度为10mg/L时,SMZ和NPS的生物降解占好氧颗粒去除该物质的比例分别是59.4%和41.3%,表明颗粒污泥对SMZ的生物降解更明显。Freundlich吸附等温模型能较好地描述两种物质与颗粒污泥间的相互作用;准二级动力学模型较好拟合了好氧颗粒污泥对两种物质的吸附过程,可以猜测它们之间的吸附是一个物理-化学吸附过程。利用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)和高通量测序对两种工艺的微生物群落演替和种群多样性进行分析,解析多层次多种微生物的作用规律。结果发现,GSBR和GMBR工艺的微生物群落演替具有明显的差异性,出现各自的功能性优势种群。硬壁菌(Firmicutes)、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)和嗜水气单胞菌属(Aeromonas)是两种工艺降解药物过程起重要作用的关键功能菌群,它们属于抗药性基因的携带者,这些微生物的存在可保证体系较高的污染物去除效率。GMBR工艺在不同水平上微生物的优势菌群数量较GSBR丰富,其物种丰度和多样性有明显提高,说明污水中抗菌消炎PPCPs药物的去除是体系内多种微生物的共代谢协同和增效作用,耐药性强的微生物菌群的出现使得反应体系能够稳定运行。本论文研究成果将对我国城市污水行业由水体单一控制COD向生态安全保障方面的转移发挥积极作用,对有效处理含抗菌消炎PPCPs药物的污水具有重要意义。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：X703
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 PPCPs污染现状及其主要处理工艺
        1.1.1 我国PPCPs污染现状
        1.1.2 含PPCPs污水处理工艺与技术
        1.1.3 PPCPs有机污染物的去除机理分析
    1.2 好氧颗粒污泥技术应用于水处理的研究现状
        1.2.1 好氧颗粒污泥特性
        1.2.2 好氧颗粒污泥形成过程的影响因素
        1.2.3 好氧颗粒污泥的形成机制及代谢模型
        1.2.4 好氧颗粒污泥微生物特性
        1.2.5 好氧颗粒污泥技术的应用现状
    1.3 好氧颗粒污泥-膜生物反应器应用于水处理的研究进展
        1.3.1 膜生物反应器处理技术的应用与发展
        1.3.2 膜生物反应器处理技术研究中存在的问题
        1.3.3 好氧颗粒污泥-膜生物反应器处理技术的发展趋势
    1.4 微生物分子生态学技术研究进展
        1.4.1 PCR-DGGE技术分析群落演替
        1.4.2 荧光原位杂交技术分析群落结构
        1.4.3 高通量测序分析种群多样性
    1.5 本研究的目的和主要内容
        1.5.1 本研究的目的和意义
        1.5.2 本研究的主要内容与技术路线
第2章 实验材料与方法
    2.1 实验材料与仪器
        2.1.1 污泥接种与培养
        2.1.2 试剂与水样
        2.1.3 仪器设备
        2.1.4 其他标准物质
    2.2 反应装置与运行条件
        2.2.1 好氧颗粒污泥序批式反应器（GSBR）
        2.2.2 好氧颗粒污泥-膜生物反应器（GMBR）
        2.2.3 PPCPs的吸附和降解
    2.3 分析方法
        2.3.1 常规指标测定
        2.3.2 样品前处理方法
        2.3.3 PPCPs及代谢产物分析
        2.3.4 颗粒污泥理化性质分析
        2.3.5 微生物群落结构与功能基因分析
第3章 处理含PPCPs污水的GSBR工艺的启动及稳定运行
    3.1 引言
    3.2 GSBR工艺的启动及稳定运行
        3.2.1 污泥颗粒化培养过程
        3.2.2 好氧颗粒污泥形成机理
        3.2.3 好氧颗粒污泥的特性
        3.2.4 不同污泥微生物代谢产物
        3.2.5 综合污染物的去除情况
    3.3 GSBR工艺处理含PPCPs污水的效能与机制
        3.3.1 好氧颗粒污泥的性能变化
        3.3.2 污染物的去除效能分析
        3.3.3 好氧颗粒污泥对两种PPCPs物质的去除机制探讨
    3.4 本章小结
第4章 GMBR工艺稳定性及处理含PPCPs污水的效能
    4.1 引言
    4.2 GMBR中好氧颗粒污泥的培养及稳定化运行
        4.2.1 好氧颗粒污泥的形成
        4.2.2 好氧颗粒污泥的特性
        4.2.3 常规污染物的去除情况
    4.3 GMBR工艺处理含PPCPs污水的效能及影响因素
        4.3.1 好氧颗粒污泥的性能变化
        4.3.2 好氧颗粒污泥的除污效能分析
        4.3.3 污水中抗菌消炎PPCPs的降解效果影响因素分析
        4.3.4 好氧颗粒污泥系统对综合污染物的去除效果
    4.4 本章小结
第5章 GSBR和GMBR工艺微生物群落特征比较及除污染机理分析
    5.1 引言
    5.2 两种工艺污染物去除效能比较
        5.2.1 常规污染物处理效果比较与讨论
        5.2.2 目标污染物去除效果对比
    5.3 微生物群落结构动态变化
        5.3.1 基于PCR-DGGE解析微生物群落结构变化
        5.3.2 基于高通量测序揭示微生物的群落结构和功能
        5.3.3 微生物群落特征比较
    5.4 微生物种群多样性和丰富度比较
        5.4.1 基于高通量测序分析微生物的种群多样性
        5.4.2 微生物种群多样性比较
    5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
缩略词索引
致谢
个人简历

【共引文献】

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1 张瑞;雍晓雨;周俊;吴美容;王舒雅;闫志英;陈怡露;郑涛;;分子生物学技术在产甲烷古菌多样性研究中的应用[J];江苏农业科学;2015年01期

本文编号：2888352