厭氧氨氧化反應器啟動及微生物群落結構解析.pdf

1、厭氧氨氧化(ANAMMOX)技術是目前已知的最經(jīng)濟有效的生物脫氮途徑,相比較于傳統(tǒng)的硝化反硝化技術具有需氧量低、污泥產(chǎn)量少和無需外加碳源等優(yōu)點,具有廣闊的推廣應用前景。但是,厭氧氨氧化菌生長緩慢(世代周期約11d),對環(huán)境條件敏感,造成了厭氧氨氧化反應器啟動時間過長(據(jù)報道,采用普通活性污泥成功啟動厭氧氨氧化反應器的時間長達數(shù)年之久),從而嚴重制約了厭氧氨氧化技術的工程應用。
　　本課題從接種污泥、反應器啟動方式和控制參數(shù)等角度出

2、發(fā),運用現(xiàn)代分子生物學的一些技術手段,如末端限制性片段長度多態(tài)性技術(T-RFLP)、熒光定量PCR技術(Q-PCR),旨在攻克厭氧氨氧化反應器啟動周期過緩這一瓶頸性難題,為未來厭氧氨氧化技術在污水脫氮領域的廣泛應用提供理論依據(jù)和技術支撐。主要研究成果如下:
　　(1)為了實現(xiàn)對樣品中厭氧氨氧化菌群結構的快速解析,提出了一種基于末端限制性片段長度多態(tài)性技術(T-RFLP)對樣品中厭氧氨氧化菌群落組成的分析方法。通過對SILVA(R

3、108)SSURef數(shù)據(jù)庫中已知厭氧氨氧化菌16SrRNA基因序列的模擬PCR和酶切分析,選取合適的PCR引物(amx368f-amx820r)和限制性內(nèi)切酶(MspI&RsaI),使得不同厭氧氨氧化菌屬對應不同的末端片段長度(T-RFs),從而完成對厭氧氨氧化菌群結構的快速分析。經(jīng)過重復性和靈敏性檢驗表明,該方法能夠有效地、穩(wěn)定地應用于環(huán)境樣品中厭氧氨氧化菌群結構的快速分析。
　　(2)選取4個不同污水處理工藝的污泥樣品為研究對

4、象,分別為哈高科大豆廢水處理EGSB工藝顆粒污泥、哈高科大豆廢水處理SBR工藝活性污泥、哈爾濱太平市政污水處理A/O工藝厭氧池和好氧池的活性污泥。運用T-RFLP技術分析了其厭氧氨氧化菌群結構,結果顯示EGSB工藝顆粒污泥主要為Anammoxoglobus屬、Brocadia屬和Jettenia屬;SBR工藝活性污泥中厭氧氨氧化菌主要為Brocadia屬;A/O工藝厭氧池和好氧池活性污泥中厭氧氨氧化菌群結構相似度較高,主要為Anammo

5、xoglobus屬、Brocadia屬和Scalindua屬。進一步通過Q-PCR技術分析了污泥樣品中厭氧氨氧化菌16SrRNA基因拷貝數(shù),分別為1.50×107、1.05×108、6.80×107和8.20×107copies/mg-drysludge。另外,厭氧氨氧化菌間歇培養(yǎng)實驗表明SBR工藝活性污泥最早出現(xiàn)厭氧氨氧化現(xiàn)象。因此,本研究確定哈高科大豆廢水處理SBR工藝活性污泥為最適接種污泥。
　　(3)采用哈高科大豆廢水處理

6、SBR工藝活性污泥為接種污泥,以中溫低負荷方式(反應區(qū)溫度為35℃,進水總氮負荷為0.06kg(m3?d)?)成功啟動一個污泥全回流的完全混合(CSTR)型厭氧氨氧化反應器。經(jīng)過127d的連續(xù)運行,總氮去除率達到65％,略低于理論總氮去除率80%,可能是由于反應器中存在亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽所致,具體原因還有待今后進一步研究。進一步通過對反應器啟動過程中三氮(氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮)變化的分析,將厭氧氨氧化反應器啟動過程劃分為三個階段

7、,分別為反硝化活躍期、過渡期以及厭氧氨氧化活性提高期。另外,本研究提出了5個厭氧氨氧化反應器啟動過程的指示參數(shù),旨在為今后厭氧氨氧化反應器的啟動提供參考和依據(jù)。它們分別為厭氧氨氧化菌16SrRNA基因拷貝數(shù)的變化(C0)、硝酸鹽氮(NO3--N)的生成量(δN)、pH值的變化、ORP的變化以及污泥性狀的變化。
　　(4)從微生物生態(tài)學的角度,應用T-RFLP技術探討了厭氧氨氧化反應器啟動過程中目標菌群(厭氧氨氧化菌)和總細菌群落組

8、成的動態(tài)演替。厭氧氨氧化特異性T-RFLP分析結果顯示,Brocadia屬隨著反應器的運行逐漸得到富集,并成為優(yōu)勢菌群。另外,從總細菌T-RFLP分析結果可以看出,反應器啟動過程中微生物群落結構發(fā)生了顯著變化,末端片段長度320bp的出現(xiàn)和相對豐度的不斷增加,預示著厭氧氨氧化菌的不斷積累。進一步對啟動過程中微生物多樣性進行了統(tǒng)計學分析,香農(nóng)-維納指數(shù)分析結果顯示,在反應器啟動過程中微生物群落多樣性逐漸降低;主成分分析結果顯示,在反應器啟