混合充氧强化水源水库贫营养好氧反硝化菌的脱氮特性及技术应用研究

发布时间：2017-12-16 21:05

  本文关键词：混合充氧强化水源水库贫营养好氧反硝化菌的脱氮特性及技术应用研究

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【摘要】：以削减水库的氮素、控制水库富营养化为切入点,针对分层型水源水库夏秋季底层缺氧、内源污染严重和藻类高发的问题,为防止水库内源污染物的释放,必须保持水库水体为好氧状态。因此,在水库中实现好氧反硝化脱氮成为一个新课题。本文以北方典型分层型水源水库-周村水库为例,采用高通量测序技术、Biolog-ECO技术、荧光定量PCR技术、三维荧光技术、现场监测与实验室模拟相结合的方法,重点研究了:(1)周村水库反硝化速率及反硝化功能菌群时空分布特征;(2)贫营养好氧反硝化菌的分离鉴定及其脱氮特性;(3)原位围隔-混合充氧强化水库好氧反硝化菌的脱氮特性;(4)扬水曝气强化水库好氧反硝化菌的脱氮特性;(5)好氧反硝化菌的技术应用研究。主要结论和成果如下:(1)借助水库水质、反硝化速率的现场监测以及反硝化群落的高通量分析,证实了周村水库在热分层初期,发生了明显的好氧反硝化生物脱氮。水库水温以及小分子量有机物的增加,是促使好氧反硝化脱氮的主要原因。与此同时,热分层初期水体和表层沉积物中好氧反硝化菌的菌落密度、反硝化功能基因丰度以及反硝化速率明显升高。周村水库反硝化速率以及群落结构呈现明显的时空差异,并且氮素、总磷、温度、溶解氧以及有机碳是影响水库反硝化菌群落分布的关键因素。(2)建立了高效贫营养好氧反硝化菌富集筛选的技术方法,基于生理生化、扫描电镜、16S rRNA测序、napA基因鉴定等分子生物学分析,确定好氧反硝化菌为不动杆菌属、新鞘脂菌属、水杆菌属、鞘脂单胞菌属、动胶杆菌属以及代尔夫特菌属。分析了不同氮源、碳源、温度、溶解氧、投菌量以及pH对好氧反硝化菌脱氮特性的影响,并提出了高效菌株的源水驯化方法。(3)通过水库原位围隔实验的实施,研究了混合充氧强化水库贫营养好氧反硝化菌的脱氮特性和代谢活性。结果表明:混合充氧的围隔系统中的氮素得到有效去除;好氧反硝化菌以及反硝化功能基因明显增加;氮循环菌Hydrogenophaga、Acinetobacter、Zoogloea、Sphingomonadaceae的丰度显著升高;经过强化后的贫营养好氧反硝化菌仍然具有高效的脱氮特性,水温4~12℃、30天内水体中总氮从2.27下降到1.40mg/L,表层沉积物中总氮从4040.24下降到2095.30μg/g;反硝化功能基因的丰度与氮去除量的相关性很高;强化系统中微生物代谢活性和多样性明显高于水库对照系统。通过原位混合充氧强化水库好氧反硝化菌进行微污染水源水体的生物修复是可行的。(4)基于扬水曝气系统的运行,探明了扬水曝气系统强化贫营养好氧反硝化菌实现生物脱氮的作用机理、影响因素以及脱氮效果。扬水曝气系统运行30天实现了水库作用区域水体的混合充氧,完成了营养物质在上下层水体的输送,为水库好氧反硝化菌完成生物脱氮提供了合适的环境条件;水库主库区总氮从2.55mg/L降到0.48mg/L,去除率达到81.18%,较往年同期总氮削减83.51%;水库主库区氨氮从2.39mg/L降到0.15mg/L,去除率达到93.72%,较往年同期氨氮削减91.98%;水库主库区的好氧反硝化菌的菌落数从2.56×10~3上升到1.63×10~8 cfu/m L,较往年同期增长了10~4倍;底层沉积物的反硝化速率得到明显增加,较往年同期增长了10~~20倍;与此同时,总磷、铁锰、TOC、嗅味/硫化物也得到明显削减,达到国家《地表水环境质量标准》III类标准;溶解氧、温度、锰、氨氮、TOC以及沉积物总磷是影响微生物群落结构变化的主要因素。扬水曝气系统的运行表明:基于扬水曝气技术原位强化好氧反硝化菌可实现水库氮素的高效去除,使水库生态自我修复功能得到恢复,并且能与自然混合过程衔接,使水库良好的水质状态延长,有效改善水库水质。(5)针对水库贫营养的水质特征,开发了一种针对贫营养好氧反硝化菌的富集以及菌剂制备的优化方法。与此同时,固体菌剂的脱氮研究表明:固定化的好氧反硝化菌剂具有高效脱氮特性,在源水中120h氮素从1.83mg/L下降到0.38mg/L,去除率达到79.4%;源水中好氧反硝化菌的菌落密度从2.51×10~4上升到6.81×10~6cfu/m L,反硝化菌增长明显。
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X172;X524
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本文编号：1297447