城市污水處理過(guò)程硝化菌群功能與群落特征研究.pdf

1、本研究中首先設(shè)計(jì)和優(yōu)化了針對(duì)污水處理系統(tǒng)氨氧化細(xì)菌（Ammoni Odxidizing Bacteria，AOB）和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（Nitrite Oxidizing Bacteria NOB）分析的DGGE和Real—Time PCR技術(shù)，可分別用于AOB和NOB菌群（包括Nitrospira和Nitrobacter兩類）菌群結(jié)構(gòu)和群落密度的分析。實(shí)驗(yàn)中采取嵌套式擴(kuò)增的方法，利用Nitrospira和Nitrobacter菌群16S

2、rDNA保守區(qū)域設(shè)計(jì)和篩選了引物序列，用于DGGE可分離片段的擴(kuò)增實(shí)驗(yàn)；還設(shè)計(jì)了Nitrobacter菌群Real—Time PCR定量測(cè)定方案，此外還對(duì)文獻(xiàn)報(bào)道的硝化細(xì)菌分析方法進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果證實(shí)，通過(guò)以上方法可以有效地對(duì)污水處理樣品中硝化細(xì)菌的特定核酸片段進(jìn)行擴(kuò)增和密度測(cè)定，能夠獲取污泥或生物膜樣品中特定功能細(xì)菌群落的組成特征和密度信息。 利用建立的方法對(duì)幾種新型的污水處理系統(tǒng)的硝化過(guò)程和硝化細(xì)菌群落進(jìn)行了分析，包括好氧

3、顆粒污泥系統(tǒng)、兩級(jí)生物濾池系統(tǒng)、AmOn一體化處理系統(tǒng)和化學(xué)生物絮凝處理工藝。研究中發(fā)現(xiàn)，前三種處理系統(tǒng)均具有一定的同步硝化反硝化（Simultaneous Nitrification and Denitrification，SND）效果。 在好氧顆粒污泥實(shí)驗(yàn)中，利用厭氧顆粒污泥作為接種污泥在40～60天內(nèi)可成功培養(yǎng)出好氧顆粒污泥，平均顆粒尺寸在1．9～2．3mm左右。利用人工合成廢水和實(shí)際污水作為研究對(duì)象，先后試驗(yàn)了合成廢水

4、啟動(dòng)、碳氮比、運(yùn)行周期、運(yùn)行溫度、曝氣強(qiáng)度、原污水溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）控制啟動(dòng)等運(yùn)行條件，此外還與活性污泥工藝進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明：（1）主要的運(yùn)行參數(shù)對(duì)于好氧顆粒污泥的SND性能均有影響。優(yōu)化后的碳氮比條件為5/1～7/1；運(yùn)行周期為4小時(shí)；DO濃度約為1．2～0．5mg/L。優(yōu)化條件下，好氧顆粒污泥對(duì)CODCr、氨氮和總氮的去除率分別可達(dá)75％，76％，和58％左右；（2）與傳統(tǒng)活性污泥相比，好氧顆粒

5、污泥的結(jié)構(gòu)特征使其具有更好的SND效果。（3）在啟動(dòng)過(guò)程中通過(guò)高氨氮濃度和DO控制可以達(dá)到亞硝酸鹽的穩(wěn)定積累并促使反硝化過(guò)程通過(guò)亞硝酸鹽的途徑進(jìn)行。（4）同步進(jìn)行的微生物群落分析表明，主要運(yùn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)會(huì)對(duì)硝化菌群的結(jié)構(gòu)組成以及密度水平產(chǎn)生影響，且變化規(guī)律較為復(fù)雜。AOB菌群中優(yōu)勢(shì)菌株主要屬于Nitrosomonas屬；NOB中，Nitrospira為主要的類別，Nitrobacter類的密度比Nitrospira類低一個(gè)數(shù)量級(jí)左右，并

6、且在各種運(yùn)行條件變化過(guò)程中，Nitrobacter類的變化程度較小，AOB與Nitrospira的動(dòng)態(tài)變化更加明顯。 在兩級(jí)生物濾池研究中，通過(guò)在首級(jí)生物濾池中的DO限制，可以達(dá)到一定水平的SND作用。在人工合成污水的條件下，試驗(yàn)了碳氮比和曝氣強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)表明：（1）較好的碳氮比和DO濃度分別為5/1和1．6～0．8mg/L，在優(yōu)化的條件下，兩級(jí)生物濾池對(duì)CODCr、氨氮和總氮的去除率分別可達(dá)79％，91％和76％。（2）

7、一級(jí)和二級(jí)生物濾池中會(huì)形成各具特征的硝化菌群結(jié)構(gòu)，當(dāng)DO超過(guò)1．6mg/L，硝化菌群的結(jié)構(gòu)變化顯著；在一級(jí)生物濾池中，AOB和NOB菌群在特定的碳氮比范圍內(nèi)會(huì)保持一定的穩(wěn)定，Nitrobacter菌群的穩(wěn)定性比Nitrospira菌群高。 在AmOn處理工藝實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)考察了懸浮填料填充比對(duì)于污染物去除效果和硝化菌群的影響。實(shí)驗(yàn)表明，AmOn一體化的運(yùn)行方式能夠形成特定的硝化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢(shì)菌株，Nitrosomonas和N

8、itrospira屬分別為主要的AOB和NOB菌屬。懸浮填料填充比的改變能夠明顯影響硝化菌群的結(jié)構(gòu)，且相對(duì)于AOB菌群和Nitrobacter菌屬，Nitrospira菌群結(jié)構(gòu)的改變更為明顯。 在化學(xué)生物絮凝處理工藝中，發(fā)現(xiàn)硝化懸浮填料塔中AOB菌群多樣性較為豐富，在不同的氣水比和水力停留條件下，懸浮填料塔中的AOB菌群顯示出較好的穩(wěn)定性。 研究的中討論了城市污水處理廠污泥中三種常見(jiàn)的金屬離子Mn2+，Cu2+和Cr

9、6+對(duì)活性污泥、顆粒污泥和生物膜三種不同特征的生物固體硝化代謝過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：（1）對(duì)于三種金屬離子的影響，不同生物固體類型對(duì)金屬離子抑制敏感性順序?yàn)椋夯钚晕勰?好氧顆粒污泥>填料生物膜，表明生物固體的結(jié)構(gòu)特征對(duì)于金屬離子的抑制具有一定的減弱作用；在受到?jīng)_擊后的恢復(fù)速度上，填料生物膜和顆粒污泥也具有優(yōu)于活性污泥的表現(xiàn)。不同金屬離子的抑制水平大小順序?yàn)椋篊r6+> Cu2+>Mn2+；在長(zhǎng)期Mn2+離子培養(yǎng)后，抑制作用普遍減弱，而在

10、Cu2+和Cr6+長(zhǎng)期培養(yǎng)后則會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)化的趨勢(shì)。（2）硝化細(xì)菌群落多樣性會(huì)在金屬離子高濃度培養(yǎng)下逐漸下降，其細(xì)菌密度也會(huì)呈下降趨勢(shì)，總體上而言，活性污泥中AOB菌群密度下降程度最高，生物膜和顆粒污泥中略低。 研究中還將經(jīng)典的Monod模型和硝化菌群結(jié)構(gòu)特征分析結(jié)合起來(lái)，選取具有代表性的城市污水處理系統(tǒng)的不同生物固體樣品，測(cè)定氨氮氧化和亞硝酸鹽氧化模型中的最大比增長(zhǎng)速率常數(shù)、半速率常數(shù)和自由銨（Feee Ammonia FA）抑