碱度和碳源对硫酸盐废水处理效能的影响及机制研究

论文摘要

高浓度硫酸盐废水的排放引起了严重的生态问题。为此,各国对这类废水的最高排放浓度均有严格的限定,硫酸盐废水的生物处理技术便应运而生。厌氧折流板反应器（ABR）综合了单相厌氧反应器和两相厌氧反应器的优点,对于低、中、高浓度的有机废水均能达到较好的处理效果。鉴于此,本研究应用ABR探讨碱度和碳源对硫酸盐还原效率的影响,并利用变性梯度凝胶电泳技术（DGGE）解析进水碱度和碳源改变时微生物群落的响应特征。采用不同的碱度调控方式考察进水碱度对硫酸盐还原效率及微生物群落动态的影响。结果表明,在不调整进水碱度的启动反应器期（碱度约500mg/L）,硫酸盐去除效率逐渐由10%提高到25%；当将进水碱度提高至1000mg/L时,硫酸盐去除率升至70%以上；当将进水碱度进一步提高至2000mg/L时,硫酸盐去除率也相应提高到85%。可见,在进水中投加碱度能够有效的提高反应器中硫酸盐的去除效率。DGGE表明,随着进水碱度的变化,反应器内功能微生物群落结构也随之发生着较大变化。在反应器运行末期,群落中的优势种群主要包括Veillonella sp. S101、Candidatus Pelagibacter ubique、Desulfomicrobium baculatum、Desulfovibrio sp. H1和Desulfomicrobium baculatum,反应器功能证实这些功能微生物的富集能够在较高的碱度下快速高效还原硫酸盐。其中常驻种群主要包括Alkaliflexus imshenetskii、Thauera terpenica、Sulfuricurvum kujiense和Desulfomicrobium norvegicum等,这些种群在反应器运行的整个过程一直存在,碱度的调整未见对其有显著影响。通过以乙酸逐步置换进水中乳酸的方式,探讨乙酸对硫酸盐还原过程以及微生物群落动态的影响。以乳酸为碳源时,反应器运行稳定,硫酸盐去除率达到80%。当将进水中乳酸碳源中75%（以COD计）置换为乙酸后,硫酸盐去除率立即降至20%左右；当全部碳源为乙酸时,硫酸盐去除效率虽有提高,但一直维持在30%左右。可见,碳源的转换对硫酸盐去除率影响比较明显,乙酸不利于硫酸盐还原过程,但通过长期驯化,可使去除率有所提高。DGGE分析发现,随着进水中碳源的变化,反应器内功能微生物随之发生变化,在投加乙酸后出现某些特异种群,主要包括Desulfomicrobium escambiense、Bacillus ginsengihumi和Arcobacter butzleri。特异种群的出现可能是由于乙酸的投加,刺激了某些微生物的富集。在反应器运行末期,种群Spirochaetes bacterium SA-8得以富集,说明该种群可能能够以乙酸为底物还原硫酸盐。而在反应器运行的整个时期,有些种群,如Cloacibacterium normanense、Arcobacter cibarius、Desulfovibrio intestinalis和Propionicicella superfundia条带一直存在,变化不明显。该研究表明,硫酸盐还原菌（SRB）在高碱度下（2000mg/L）能够更有效地还原硫酸盐,表现出较为稳定的群落结构模式；乙酸碳源不利于硫酸盐的还原,利用乙酸还原硫酸盐的完全氧化型SRB较难富集。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 综述
• 1.1 课题背景
• 1.2 硫酸盐有机废水的生物处理
• 1.2.1 单项厌氧工艺
• 1.2.2 生物膜法工艺
• 1.2.3 两相厌氧工艺
• 1.2.4 两相厌氧工艺+生物脱硫
• 1.2.5 厌氧折流板反应器（ABR）
• 1.3 影响硫酸盐还原过程的生态因子分析
• 1.3.1 pH值
• 1.3.2 温度
• 1.3.3 碱度
• 1.3.4 硫化物
• 1.3.5 溶解氧
• 1.3.6 碳硫比
• 1.3.7 氧化还原电位
• 1.4 微生物分子生态学技术及其应用
• 1.4.1 16S rDNA序列分析
• 1.4.2 变性/温度梯度胶电泳（D/TGGE）
• 1.4.3 单链构象多态性
• 1.4.4 末端限制性片段长度多态性
• 1.4.5 荧光原位杂交
• 1.5 课题的来源及研究内容
• 1.5.1 课题资助来源
• 1.5.2 课题的目的及意义
• 1.5.3 研究内容
• 第2章 材料与方法
• 2.1 ABR废水处理系统的试验方法
• 2.1.1 试验装置
• 2.1.2 种泥
• 2.1.3 反应器进水成分
• 2.2 监测方法
• 2.2.1 废水指标分析方法
• 2.3 微生物群落的分子生物学分析方法
• 2.3.1 分子生物学分析方案
• 2.3.2 活性污泥的采集
• 2.3.3 基因组DNA的提取
• 2.3.4 PCR扩增
• 2.3.5 DGGE分析
• 2.3.6 PCR产物回收与纯化
• 2.3.7 连接
• 2.3.8 转化
• 2.3.9 测序及分析
• 第3章 碱度对硫酸盐还原效率及微生物群落动态的影响
• 3.1 碱度的组成及影响因素
• 3.1.1 碱度的组成
• 3.1.2 碱度组成的影响因素
• 3.2 碱度对硫酸盐还原效率的影响
• 3.2.1 反应器运行过程中进水的碱度控制
• 3.2.2 碱度对pH值的影响
• 3.2.3 碱度变化对硫酸盐去除率的影响
• 3.2.4 碱度变化对VFA的影响
• 3.2.5 碱度变化对ORP的影响
• 3.3 碱度变化对功能微生物的影响
• 3.3.1 DGGE解析碱度引起的微生物群落动态
• 3.3.2 DGGE条带测序分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 碳源对硫酸盐还原效率及微生物群落的影响
• 4.1 进水碳源变化对硫酸盐还原效率的影响
• 4.1.1 乳酸为碳源反应器的启动及运行
• 4.1.2 以乳酸和乙酸为碳源反应器的运行
• 4.1.3 以乙酸为碳源反应器的运行
• 4.2 进水碳源变化对微生物群落动态的影响
• 4.2.1 以乳酸为碳源群落动态的变化
• 4.2.2 以乳酸和乙酸为混合碳源群落的动态变化
• 4.2.3 以乙酸为碳源群落的动态变化
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 致谢