耐冷苯胺降解菌的特性及其对苯胺废水处理的强化作用

论文摘要

本课题在充分理解生物强化技术一般机理的前提下,以苯胺作为目标污染物,针对东北寒冷地区冬季水温低、特种工业废水生物处理工程效果差等问题,研究了高效耐冷苯胺降解菌JH-9的特性以及生物强化效能,并率先提出了“混合菌丝球”的概念。对发酵过程中产生的霉菌菌丝球进行了技术开发,采用混合菌种固定化技术将高效耐冷苯胺降解菌固定在霉菌Y3形成的纯生物质载体上。详细描述了混合菌丝球的形成过程及效能,并对成球机制进行了初步探讨。在低温下对吉林化工厂污水处理厂曝气池活性污泥、低温生活污水处理系统曝气池活性污泥、实验室菌种库保存的高效菌剂,以及以上三者的混合菌群四种样品进行了变温培养、驯化,筛选到低温下降解苯胺的高效菌群—吉化污泥。该菌群属于耐冷菌群,低温下对苯胺有较好的降解效果,菌胶团形成能力较强,并且表现出很强的生物絮凝能力。从吉化污泥中分离筛选到一株低温下（10℃）能够较好降解苯胺的耐冷菌株JH-9,它能以苯胺为唯一碳源、氮源生长,通过Sherlock脂肪酸鉴定系统、16S rRNA等分析方法初步鉴定为醋酸钙不动杆菌（Acinetobacter-calcoaceticus）。从环境因子、培养基组分、接菌量、底物多样性、共代谢、反应动力学等生理生态学角度对JH-9降解特性进行了研究,得出低温下其降解苯胺的最适条件为pH 7.0,C/P 1:12:1,接菌量为10%（v/v）。葡萄糖和微量元素可以促进JH-9对苯胺的降解;而苯酚会抑制其对苯胺的降解。当菌体起始浓度一定时,苯胺降解率及平均降解速率主要与苯胺初始浓度有关。在较低的苯胺浓度范围内,苯胺降解率和降解速率较高,遵循Monod方程;当苯胺浓度较高时,其降解过程以基质抑制型的Haldane方程为主。采用生物强化技术将菌株JH-9、吉化污泥及两者等量混合的菌群作为强化菌剂投加到SBR反应系统中,测定苯胺的去除能力是否提高,并考察TOC、TN及微生物活性等指标的变化,用DGGE的方法对投菌强化前后反应器中活性污泥系统菌群多样性进行分析。结果表明,在反应器内温度为12℃、摇床转速160r/min、pH 7.0、反应周期为48h等条件,三个强化系统都可以提高苯胺的降解能力,苯胺降解率在74.2%～100%,TOC的去除率83%～88.8%,而TN变化不明显。系统中异养菌的活性远远大于硝化细菌和亚硝化细菌。考察苯胺浓度冲击负荷、pH冲击负荷、苯酚毒物负荷及贫营养条件下系统生物强化效果,发现在不同冲击负荷条件下各个强化系统体现的降解苯胺的优势不同,在pH负荷下,单菌强化效果相对较好,在苯胺浓度负荷和苯酚毒物负荷冲击下,单菌和吉化污泥的混合菌群强化效果较好,在贫营养负荷冲击下,吉化污泥菌群强化效果较好。在整个强化实验中,强化系统对TOC的去除效果要好于对照系统,而对TN的去除却没有明显的优势。以霉菌Y3形成的菌丝球作为生物质载体分别采用同时培养法和吸附法对菌株JH-9进行固定化,并率先提出了一种新型固定化方法“同时培养法”。两种方法的对比结果表明:同时接种法在单位时间内可固定化细菌量更多、其堆积体积更大,成球总数量更多,球体直径较小,总重量和总相对密度也较小。同时培养法形成的混合菌丝球内部细菌是非常均匀的排列生长在每一根菌丝上,无论菌丝交联与否;而吸附法形成的混合菌丝球内部,细菌只存在于多条菌丝交叉形成平台的地方。对混合菌丝球的降解效能进行考察发现,混合菌丝球对苯胺保持了良好的降解效能,同时培养法形成的混合菌丝球对苯胺的降解效能要明显好于吸附法形成的混合菌丝球,且效果稳定、持久。与固定化陶粒相比,混合菌丝球对苯胺的降解能力略显优势。菌丝球再生实验表明:经过碎片繁殖再生的混合菌丝球能很好的保持对苯胺的降解能力。为了进一步在反应器中考察混合菌丝球的生物强化效能,将混合菌丝球、高效降解苯胺混合菌群和菌株JH-9作为强化菌剂应用于SBR工艺中。结果表明:针对初始苯胺浓度为130mg/L的苯胺废水,混合菌丝球从第三个运行周期开始即实现了出水苯胺的去除率达100%、COD的去除率在60%以上,并一直稳定维持到运行的第八个周期。通过考查混合菌丝球的形成过程及机制发现:曲霉Y3和菌株JH-9同时培养形成混合菌丝球经历4个阶段,静电引力和细胞表面的粘附力是混合菌丝球形成的主要原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 苯胺降解微生物的研究进展
• 1.1.1 苯胺的性质及危害
• 1.1.2 苯胺废水的来源
• 1.1.3 苯胺微生物降解的特点
• 1.1.4 苯胺降解菌资源的研究进展
• 1.2 生物强化技术研究进展
• 1.2.1 生物强化机理研究进展
• 1.2.2 生物强化技术在难降解有机废水处理中的应用
• 1.2.3 低温条件下生物强化技术在难降解有机废水处理中的应用
• 1.3 生物质载体的研究现状
• 1.3.1 菌丝球概述
• 1.3.2 菌丝球的形成机制
• 1.3.3 菌丝球在水处理方面的应用
• 1.4 课题研究目的、意义及主要内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 研究目的、意义
• 1.4.3 研究的主要内容
• 第2章 实验材料、方法与设计
• 2.1 实验材料及实验装置
• 2.1.1 实验仪器
• 2.1.2 实验装置
• 2.1.3 实验试剂
• 2.1.4 实验用培养基
• 2.1.5 污泥及菌种来源
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 高效耐冷苯胺降解菌群的变温驯化
• 2.2.2 高效耐冷苯胺降解菌的分离、筛选及鉴定
• 2.2.3 混合菌丝球的培养
• 2.3 实验分析项目及分析方法
• 2.3.1 微生物形态观察法
• 2.3.2 微生物量测定方法
• 2.3.3 微生物活性检测方法
• 2.3.4 混合菌丝球分析方法
• 2.3.5 微生物群落结构分析
• 2.3.6 微生物表面电位的测定
• 2.3.7 微生物表面粘附力的测定
• 2.3.8 水质分析方法
• 2.4 实验设计
• 2.4.1 高效耐冷苯胺降解菌的生理、生态特性实验
• 2.4.2 高效耐冷苯胺降解菌的降解动力学实验
• 2.4.3 高效菌在SBR系统中的强化实验
• 2.4.4 高效菌的生物质载体固定化实验
• 2.4.5 混合菌丝球的强化实验
• 第3章 高效耐冷苯胺降解菌的筛选及特性研究
• 3.1 高效耐冷苯胺降解菌的筛选及鉴定
• 3.1.1 混合菌群的筛选
• 3.1.2 混合菌群的特性
• 3.1.3 高效耐冷苯胺降解菌的筛选
• 3.1.4 高效耐冷苯胺降解菌的鉴定
• 3.2 高效菌JH-9 的生理、生态学特性研究
• 3.2.1 主要环境因子对菌株JH-9 降解苯胺的影响
• 3.2.2 培养基主要成分对菌株JH-9 降解苯胺的影响
• 3.2.3 接菌量对菌株JH-9 降解苯胺的影响
• 3.2.4 菌株JH-9 对不同底物的利用
• 3.2.5 苯胺与葡萄糖共基质代谢特性
• 3.2.6 苯胺与苯酚的共基质代谢特性
• 4⁺释放'>3.2.7 苯胺的降解与NH₄⁺释放
• 3.2.8 苯胺降解过程中COD值的变化规律
• 3.3 高效菌JH-9 的苯胺降解动力学
• 3.3.1 苯胺初始质量浓度对菌株JH-9 降解苯胺的影响
• 3.3.2 菌株JH-9 降解低浓度苯胺动力学
• 3.3.3 菌株JH-9 降解高浓度苯胺动力学
• 3.4 本章小结
• 第4章 菌株JH-9 在SBR系统中的强化效果
• 4.1 高效菌对苯胺废水的生物强化效果
• 4.1.1 苯胺的去除
• 4.1.2 苯胺降解过程中氮元素的轨迹变化
• 4.1.3 TOC的去除
• 4.1.4 TN的变化
• 4.1.5 菌体数量的变化
• 4.1.6 强化系统的微生物群落结构分析
• 4.2 苯胺长期存在下的生物强化效果
• 4.2.1 苯胺的去除
• 4.2.2 TOC的去除
• 4.2.3 TN的变化
• 4.3 冲击负荷下的生物强化效果
• 4.3.1 浓度负荷冲击时的生物强化效果
• 4.3.2 pH负荷冲击时的生物强化效果
• 4.3.3 苯酚毒物负荷冲击时的生物强化效果
• 4.4 贫营养条件下的生物强化效果
• 4.4.1 苯胺的去除
• 4.4.2 TOC的去除
• 4.4.3 TN的变化
• 4.5 污泥性质的比较
• 4.5.1 污泥浓度的比较
• 4.5.2 污泥沉降比的比较
• 4.6 微生物活性的比较
• 4.7 本章小结
• 第5章 菌株JH-9 的生物质载体固定化
• 5.1 菌株JH-9 的生物质载体固定化方法研究
• 5.1.1 不同固定化方法对混合菌丝球成球速度的影响
• 5.1.2 不同固定化方法对混合菌丝球成球堆积体积的影响
• 5.1.3 不同固定化方法对混合菌丝球成球大小的影响
• 5.1.4 不同固定化方法对混合菌丝球成球总重量和相对密度的影响
• 5.1.5 不同固定化方法对混合菌丝球内部形态的影响
• 5.2 混合菌丝球对苯胺降解效能
• 5.2.1 固定化方法对混合菌丝球净化效能的影响
• 5.2.2 菌株JH-9 接种量对混合菌丝球净化效能的影响
• 5.2.3 混合菌丝球与生物固定化陶粒净化效能对比
• 5.2.4 进水苯胺浓度对混合菌丝球净化效能的影响
• 5.2.5 碎片繁殖再生混合菌丝球的苯胺净化效能
• 5.3 不同生物强化方式效果对比
• 5.3.1 混合菌丝球与菌株JH-9 静态强化实验效果对比
• 5.3.2 混合菌丝球在SBR系统中的生物强化效果
• 5.3.3 混合菌丝球与菌株JH-9 及构建混合菌群强化效果对比
• 5.4 本章小结
• 第6章 混合菌丝球形成机制初探
• 6.1 同时培养法形成混合菌丝球的过程
• 6.2 混合菌丝球培养过程中zeta电位的变化
• 6.2.1 黑曲霉Y3 形成单一菌丝球过程中zeta电位的变化
• 6.2.2 菌株JH-9 培养过程中zeta电位的变化
• 6.2.3 混合菌丝球形成过程中zeta电位的变化
• 6.3 混合菌丝球的表面粘附力
• 6.3.1 针尖与细胞表面的粘附力
• 6.3.2 针尖与菌株JH-9 和霉菌Y3 之间的粘附力
• 6.4 混合菌丝球形成过程及形成机制探讨
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历