应用聚丁二酸丁二醇酯进行固相反硝化的效果及机理研究

论文摘要

应用可生物降解聚合物（Biodegradable polymers,BDPs）材料进行水体反硝化是一项新兴技术,它能同时提供反硝化微生物所需要的附着生长载体和碳源,而且能避免液体碳源和其他类型固体碳源所带来的二次污染问题,具有良好的发展前景和研究潜力。聚丁二酸丁二醇酯（poly（butylene succinate）,PBS）是可生物降解聚合物材料中的佼佼者。为了解PBS应用于循环养殖水体反硝化的效果和机理,本实验进行了以下几个方面的研究:PBS用于淡水反硝化的效果及机理研究。以锥形瓶为反应容器,进行了淡水硝酸盐废水脱氮的静态实验研究,并利用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳技术（Polymerase chain reaction- denaturing gradient gel electrophoresis,PCR-DGGE）,分析反应进行的不同阶段（5天,10天,15天,20天）PBS颗粒表面生物膜中微生物群落的结构与变化。结果表明,实验开始4天后NO3--N浓度开始明显降低,同时NO2--N浓度开始上升。之后NO3--N浓度一直在波动中降低,而NO2--N浓度出现先上升后下降的现象,中间有一段时间的积累（第4～20天）。20天后NO3--N浓度降到2 mg/L以下,并保持稳定。同时,从第21天起NO2--N浓度降低到检测范围以下。对DGGE图谱的统计分析表明,随反应的进行,细菌种群丰富度逐渐增加,且相邻两时期的相似性逐渐增大。微生物群落结构具有时序动态性,并随系统的启动运行逐渐趋于稳定和成熟,与其脱氮效果出现协同变化特征。优势种群以β-变形菌纲（56.25%）和γ-变形菌纲（31.25%）细菌为主。PBS用于海水反硝化的效果及机理研究。以锥形瓶为反应容器,进行了海水硝酸盐废水脱氮的静态实验研究,并利用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳技术（Polymerase chain reaction- denaturing gradient gel electrophoresis,PCR-DGGE）,分析反应进行的不同阶段（11天,21天,31天）PBS颗粒表面生物膜中微生物群落的结构与变化。结果表明,实验开始7天后NO3--N浓度开始明显降低,同时NO2--N浓度开始上升。之后NO3--N浓度一直平稳降低,而NO2--N浓度出现先上升后下降的现象,中间有一段时间的积累（第7～20天）。21天后NO3--N浓度降到0.1 mg/L以下,并保存稳定。同时,从第21天起NO2--N浓度降低到检测范围以下。与淡水类似,对DGGE图谱的统计分析表明,随反应的进行,细菌种群丰富度随时间变化逐渐增加（0.476→0.571→0.667）,且相邻两时期的相似性逐渐增大（33.3→54.5→61.5）。微生物群落结构具有时序动态性,并随系统的启动运行逐渐趋于稳定和成熟,与其脱氮效果出现协同变化特征。优势种群以γ-变形菌纲细菌（66.67%）和α-变形菌纲细菌（16.67%）为主。用PBS构建连续式脱氮反应器进行反硝化的相关研究。以PBS作为反硝化微生物的碳源和附着生长载体构建连续式反应器,进行了反硝化效果,填料消耗情况,不同高度微生物群落空间变化等的研究。结果表明,当HRT控制在8小时左右时,反应器运行2天后出水NO3--N浓度即开始明显降低,并从第10天起稳定在98%以上,其间仅在第16天由于进水NO3--N浓度加倍使当天去除率略有降低（96.03%）。反应器最佳硝氮去除率达到99.7%以上（第19,24天）。同时,反应器启动后短时期内NO2--N浓度迅速升高,并有一段时间的积累（第1～8天）。从第9天起,出水NO2--N浓度降至检测范围以下,并保持稳定。与硝氮类似,仅在第16天出现暂时性上升。反应器运行30天后,位于反应器底部的PBS质量减少最多,为23.4%;其次为中部,为3.7%;上部的质量减少最小,仅为0.2%。反应器稳定运行后,不同高度处的DGGE分离图谱表明,反应器内微生物群落结构存在空间差异,为不同位置PBS的质量损耗差异提供了微生物层面的证明。反应器稳定运行后,其填料颗粒表面的扫描电镜照片表明,PBS外表面在降解菌体内酶的降解作用下,形成了多级孔状结构及大量空洞。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1. 循环水养殖系统简介
• 2. 硝酸盐的去除
• 3. 可生物降解聚合物用于反硝化研究
• 4. DGGE 技术应用于群落结构分析的研究现状
• 5. 本研究的内容与目的
• 第二章 PBS 用于淡水反硝化的效果及机理研究
• 1 材料与方法
• 1.1 实验材料
• 1.2 实验配置
• 1.3 实验方法
• 1.3.1 水质指标检测方法
• 1.3.2 生物膜基因组DNA 的提取
• 1.3.3 基因组DNA 的PCR 扩增
• 1.3.4 PCR 产物的变性梯度凝胶电泳（DGGE）分析
• 1.3.5 割胶、克隆、测序
• 2 结果与分析
• 2.1 水质处理效果
• 2.2 生物膜结构的DGGE 指纹图谱分析
• 2.2.1 DNA 的提取结果及PCR 扩增结果
• 2.2.2 微生物群落多态性及动态变化
• 2.2.3 细菌系统发育分析
• 3 小结
• 第三章 PBS 用于海水反硝化的效果及机理研究
• 1 材料与方法
• 1.1 实验材料
• 1.2 实验配置
• 1.3 实验方法
• 2 结果与分析
• 2.1 水质处理效果
• 2.2 生物膜结构的DGGE 指纹图谱分析
• 2.2.1 DNA 的提取结果及PCR 扩增结果
• 2.2.2 微生物群落多态性及动态变化
• 2.2.3 细菌系统发育分析
• 3 小结
• 第四章 用PBS 构建连续式脱氮反应器进行反硝化的相关研究
• 1 实验设计
• 1.1 反应器配置
• 1.2 水质监测
• 1.3 填料消耗
• 1.4 微生物群落空间变化
• 1.5 电镜观察
• 2 结果与分析
• 2.1 水质处理效果
• 2.2 填料质量损失情况
• 2.3 微生物群落空间变化情况
• 2.4 扫描电镜观察
• 3 小结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 附录Ⅰ：连续式反应器实景图
• 附录Ⅱ：淡水实验DNA 测序序列
• 附录Ⅲ：海水实验DNA 测序序列
• 致谢