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膜曝气生物膜反应器单级自养脱氮功能型菌群特性研究

作　者: 包涵
导　师: 张伟东
学　校: 辽宁师范大学
专　业: 环境科学
关键词: 厌氧氨氧化自养脱氮短程硝化密度梯度凝胶电泳荧光原位杂交
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

基于短程硝化和厌氧氨氧化的单级自养脱氮(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite,CANON),作为一种高效低耗的简捷脱氮工艺成为目前国内外高氨氮废水处理领域的研究热点。该工艺通过控制溶解氧(DO)浓度分别在生物膜的不同厚度形成好氧区和厌氧区,使好氧氨氧化菌(AOB)在好氧区将氨氮部分氧化成亚硝酸,产生的亚硝酸与部分剩余的氨氮在厌氧区发生ANAMMOX反应生成氮气。研究表明,包裹无纺布的多微孔炭管作为生物膜载体和供氧装置的膜曝气生物膜反应器(MABR),凭借其高效的氧传质速率、巨大的生物膜载体比表面积和内外分层的特殊生物膜结构在运行CANON工艺中具有更多的优势和更大的应用潜力。整个实验过程的关键是通过对曝气膜内腔压力的控制来调节生物膜内的溶解氧浓度,使生物膜形成好氧层和厌氧层共存的分层结构,从而使两类代谢条件完全不同的细菌能够和谐共生在同一个反应系统中,进而实现单级自养生物脱氮。由于MABR单级自养脱氮系统的生物脱氮过程主要是由好氧氨氧化菌群(AOB)和厌氧氨氧化(ANAMMOX)菌群相互作用,协同代谢的过程,所以反应器出水中含氮化合物浓度的变化必然与反应器中微生物的种群结构和组成发生的规律性变化相关联。因此可以通过分析功能性菌群在反应器运行的不同条件时的结构组成,来探讨微生物群落动态变化与反应器出水中含氮化合物浓度的变化之间的内在联系,迄今为止,关于该方面的研究国内外还鲜见报道。本试验利用特异性引物的巢式PCR(Nested-PCR)、PCR-DGGE和特异性探针FISH等分子技术,研究了单级自养生物脱氮系统中膜曝气生物膜上好氧氨氧化和厌氧氨氧化等主要功能型微生物种群的结构组成和动态变化,以期解释反应器单级自养脱氮过程中的反应机理,从而为进一步优化反应器运行条件和结构设计,增强反应器的脱氮效率提供科学依据。实验中启动反应器采用先培养驯化好氧氨氧化污泥,随后再次接种成熟厌氧氨氧化污泥的方式。首先接种普通硝化污泥启动反应器,通过对膜内腔压力的适当控制逐步降低反应器溶解氧浓度,实现亚硝酸盐的积累。然后再次接种取自升流式无纺布固定床反应器富集培养的厌氧氨氧化污泥,使无纺布上形成好氧氨氧化菌与厌氧氨氧化菌稳定共存的膜曝气生物膜,从而实现单级自养生物脱氮。通过对反应器运行不同阶段的生物膜进行分析来研究生物膜内微生物种群结构的变化规律。研究取得的主要结果如下:⑴实验中,采用包裹无纺布的多微孔炭管为膜组件的MABR成功的运行了基于短程硝化-厌氧氨氧化的单级自养脱氮工艺。在TN容积负荷为960 mg L-1d-1, HRT为6 h,曝气膜内腔压力为0.015 Mpa,反应器温度35℃,pH值为7.8的条件下,容积总氮去除率可以达到0.766 kg N m-3 d-1。⑵膜曝气生物膜的批式实验结果显示,好氧氨氧化反应主要发生在靠近曝气膜壁侧的生物膜内,厌氧氨氧化反应主要发生在靠近水体侧的生物膜内。⑶用特异性探针EUB338 plus,NSO190,AMX820和PLA46对膜曝气生物膜进行荧光原位杂交,结果显示,膜曝气生物膜内存在明显的分层现象,生物膜内结合探针NSO190的好氧氨氧化菌主要分布在生物膜内靠近曝气膜/生物膜交界面的好氧区域,而结合探针AMX820和PLA46的ANAMMOX菌则主要分布在生物膜内靠近水体侧的缺氧或厌氧区域。这种以好氧氨氧化菌为主体的好氧层和以ANAMMOX菌为主体的厌氧层共同存在的生物膜分层结构,使两个微生物群落间在合作共生、代谢平衡,从而实现单级自养生物脱氮。⑷利用特异性引物的巢式PCR(Nested-PCR)和DGGE对不同运行阶段的膜曝气生物膜上的氨氧化菌群结构进行研究。结果表明,氨氧化菌群的DGGE条带在不同时期形状不同,揭示氨氧化菌群结构随着反应器溶解氧浓度的逐渐降低而发生变化。在稳定运行单级自养脱氮工艺的MABR系统中,膜曝气生物膜内氨氧化菌群的种类不是很丰富,第101 d的生物膜样品的DGGE共含有三个明显的条带。切胶后测序显示,三个条带所代表的细菌和已报道的Nitrosomonas菌属的基因序列具有极高的相似性(>99 %);另一方面,巢式PCR(Nested-PCR)和DGGE对不同运行阶段的膜曝气生物膜上的ANAMMOX菌群结构进行研究显示,氨氧化菌群的DGGE条带在不同时期形状相似,揭示ANAMMOX菌群结构随反应器运行变化不大。在第101 d的生物膜样品的DGGE共含有两个明显的条带,它们所代表的细菌和已报道的Planctomycetes状菌的基因序列具有极高的相似性(>97 %)。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
引言  10-11
1 废水生物脱氮技术及膜曝气生物膜反应器研究进展  11-31
  1.1 生物脱氮过程中的微生物学原理  11-14
    1.1.1 氨化作用  11
    1.1.2 硝化作用  11
    1.1.3 反硝化作用  11
    1.1.4 厌氧氨氧化作用  11-14
  1.2 生物脱氮过程中微生物学的研究进展  14-19
    1.2.1 硝化过程中微生物学的研究进展  14-15
    1.2.2 反硝化过程的微生物学的研究进展  15
    1.2.3 厌氧氨氧化微生物学研究进展  15-19
  1.3 生物脱氮工艺研究进展  19-25
    1.3.1 传统生物脱氮工艺  19-20
    1.3.2 短程硝化-反硝化工艺  20
    1.3.3 同时硝化反硝化（SND）工艺  20-21
    1.3.4 好氧脱氨（aerobic deammonification）工艺  21
    1.3.5 厌氧氨氧化（ANAMMOX）工艺  21
    1.3.6 基于厌氧氨氧化反应的单级自养脱氮工艺  21-25
  1.4 膜曝气生物膜反应器污水处理技术  25-28
    1.4.1 膜曝气生物膜反应器原理  25-26
    1.4.2 膜曝气生物膜反应器型式  26-27
    1.4.3 膜曝气生物膜反应器在污水处理中的应用  27-28
  1.5 本研究的目的、意义和内容  28-31
    1.5.1 研究目的和意义  28
    1.5.2 研究内容  28-30
    1.5.3 技术路线  30-31
2 膜曝气生物膜反应器运行单级自养生物脱氮工艺研究  31-50
  2.1 引言  31
  2.2 实验目的  31-32
  2.3 实验部分  32-38
    2.3.1 研究内容  32
    2.3.2 研究技术路线  32-33
    2.3.3 实验进水水质  33-34
    2.3.4 接种污泥  34
    2.3.5 微孔炭管曝气膜组件  34-35
    2.3.6 实验分析项目及检测方法  35
    2.3.7 实验装置  35-37
    2.3.8 生物膜特性  37
    2.3.9 膜曝气生物膜反应器在不同工况下运行  37-38
  2.4 结果与讨论  38-49
    2.4.1 炭膜氧传质系数的测定  38
    2.4.2 不同材质曝气膜组件对微生物吸附能力  38
    2.4.3 MABR 在限氧条件下实现亚硝酸盐积累阶段  38-40
    2.4.4 接种厌氧氨氧化污泥启动单级自养脱氮工艺阶段  40-42
    2.4.5 生物膜好氧氨氧化活性批式实验结果  42-43
    2.4.6 生物膜厌氧氨氧化活性批式实验结果  43-44
    4.4.7 膜曝气生物膜扫描电镜观察  44-45
    2.4.8 膜曝气生物膜单级自养脱氮反应机制预测  45-46
    2.4.9 膜曝气生物膜反应器在不同工况下运行情况  46-49
  2.5 小结  49-50
3 膜曝气生物膜反应器内功能性微生物群落结构研究  50-70
  3.1 引言  50
  3.2 实验目的  50-51
  3.3 实验部分  51-54
    3.3.1 研究内容  51-52
    3.3.2 膜曝气生物膜培养和取样  52-53
    3.3.3 膜曝气生物膜样品细菌总DNA 提取及纯化  53
    3.3.4 特异性引物的Nested-PCR 扩增  53
    3.3.5 变性梯度凝胶电泳（DGGE）  53
    3.3.6 DGGE 条带的回收，测序和系统发育分析  53
    3.3.7 荧光原位杂交（FISH）  53-54
  3.4 结果与讨论  54-69
    3.4.1 膜曝气生物膜中细菌基因组DNA 提取  54-55
     3.4.2 氨氧化细菌 16S rDNA Nested-PCR 扩增  55
    3.4.3 厌氧氨氧化细菌 16S rDNA Nested-PCR 扩增  55-56
    3.4.4 氨氧化菌 16S rDNA 的 Nested-PCR 扩增产物的 DGGE 分析  56-58
    3.4.5 厌氧氨氧化菌 16S rDNA 的 Nested-PCR 扩增产物的 DGGE 分析  58
    3.4.6 DGGE 优势条带的测序和系统发育分析  58-60
    3.4.7 膜曝气生物膜荧光原位杂交分析  60-69
  3.5 小结  69-70
4 结论  70-71
参考文献  71-81
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  81-82
致谢  82

膜曝气生物膜反应器单级自养脱氮功能型菌群特性研究

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