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曝气生物滤池处理城市污水的效能与微生物特性研究

来源:论文学术网
时间:2024-08-20 13:47:41
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曝气生物滤池处理城市污水的效能与微生物特性研究【摘要】:水体污染是我国面临的重要环境问题,而城市污水是我国水体的重要污染源,生物处理是解决城市污水问题最有效的方法。曝气生物滤池(B

【摘要】:水体污染是我国面临的重要环境问题,而城市污水是我国水体的重要污染源,生物处理是解决城市污水问题最有效的方法。曝气生物滤池(BAF)作为第三代生物膜法的代表工艺之一,在城市污水二级处理中有良好的应用前景。微生物是生物处理系统中污染物去除的主要功能生物,深入研究其微生物群落结构与功能,对认识处理系统的本质、提高处理效率以及控制系统的稳定性具有重要意义。基于培养和分离纯化的传统技术已经无法满足对环境微生物群落结构研究的要求,本研究以青岛麦岛污水处理厂BAF为研究对象,综合使用多种分子生物学手段,包括核酸提取、分子克隆文库构建、16S rDNA序列同源性分析、聚合酶链式反应(PCR)、变性梯度凝胶电泳(DGGE)和荧光定量PCR技术,分析BAF系统中的微生物特性,研究了影响BAF群落结构稳定性的因素,初步探索了微生物群落结构与系统处理效能的关系。 青岛市麦岛污水处理厂采用曝气生物滤池处理城市污水,对主要污染物COD、NH3-N、TP和SS的年平均去除率分别为89.1%、75.3%、83.4%和93.0%,处理效能稳定,出水水质能够达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级B排放标准,显示了该工艺具有良好的污水处理能力。对Biostyr曝气生物滤池处理城市污水的关键影响因素的研究结果表明,当滤池进水COD和NH3-N质量浓度分别为60-260mg/L和22-65mg/L时,最佳运行参数是:水力负荷2.5-3.3m~3/m~2.h;COD容积负荷小于3.3kg/m~3.d;氨氮负荷小于0.6kg/m~3.d;气水比5:1;温度15-28℃,反冲洗时间21-24h。建立了曝气生物滤池有机物去除动力学模型: C/C_0=e~(0.0118H/q~(-0.9423)) 微生物种群分布表明,沿程优势微生物依次分别为异养菌和硝化菌,微生物组成和活性的不同导致BAF各段对不同污染物的去除能力不同,BAF降解COD的最佳填料层高度为0-150cm,硝化NH3-N的最佳填料层高度为100-350cm,0-100cm段的填料层对SS的去除率贡献最大。 曝气生物滤池生物膜的细菌多样性结果表明BAF生物膜中细菌多样性十分丰富,按照优势类群依次β-proteobacterium类群(占38.6%),γ-proteobacterium类群(占18.2%),Bacteroidetes类群(占13.6%),-proteobacterium类群(占9.1%),-proteobacterium类群、Nitrospirae类群(各占4.5%)和Firmicutes类群(占2.3%)。BAF中主要的有机物去除功能菌是食酸假单胞菌、球衣菌、黄单胞菌和黄杆菌;亚硝化细菌为亚硝化单胞菌,硝化细菌为硝化螺菌;主要的反硝化细菌为生丝微菌和丛毛单胞菌。 对气水比、温度和反冲洗对BAF群落结构的影响分析结果表明,BAF具有良好的生态稳定性,在气水比为5:1生境下滤池内流态稳定,生物膜结构合理,出水水质最佳;低温(T<15℃)会影响到BAF菌群多样性,使滤池内优势菌群变得单一,但是这种单一的优势菌群能够维持BAF的稳定运行;聚类分析表明反冲洗作为影响因子极大地影响着BAF的群落结构,因此,控制好滤池的反冲洗强度和频率是BAF高效运行的关键环节。 除趋势典范对应分析(DCCA)结果表明,气水比、反冲洗和水温是影响BAF群落结构的主要的环境因子,COD去除率、氨氮去除率、总磷去除率和硝态氮浓度对BAF内物种的影响显著(P0.001),其中COD去除率与群落结构的相关性较大,为-0.7947(P0.001),而亚硝态氮浓度与排序轴没有达到统计学上的相关性,与BAF中微生物群落结构演替没有明显关系。 【关键词】:曝气生物滤池 城市污水 处理效果 生物群落 群落演替
【学位授予单位】:中国海洋大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:X703;X172
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-14
  • 1 绪论14-32
  • 1.1 水环境污染与治理14-17
  • 1.1.1 中国水污染现状14-15
  • 1.1.2 城市污水特征15-16
  • 1.1.3 城市污水处理技术16-17
  • 1.1.4 城市污水处理现状17
  • 1.2 曝气生物滤池技术17-27
  • 1.2.1 曝气生物滤池的起源与发展17-18
  • 1.2.2 曝气生物滤池工作原理18-19
  • 1.2.3 曝气生物滤池工艺特点19
  • 1.2.4 曝气生物滤池研究进展19-27
  • 1.2.5 曝气生物滤池现存问题27
  • 1.3 微生物特性研究方法27-29
  • 1.3.1 克隆文库28
  • 1.3.2 DGGE28-29
  • 1.3.3 qPCR29
  • 1.4 研究目的与内容29-32
  • 1.4.1 课题的提出29
  • 1.4.2 研究目的与意义29-30
  • 1.4.3 研究内容30-31
  • 1.4.4 技术路线31-32
  • 2 材料与方法32-50
  • 2.1 试剂与实验仪器32-33
  • 2.1.1 试剂32-33
  • 2.1.2 实验仪器33
  • 2.2 污水常规化学指标测定方法33-34
  • 2.2.1 采样33
  • 2.2.2 水质指标分析方法33-34
  • 2.3 细菌总 DNA 提取方法的选定34-38
  • 2.3.1 生物膜样品的采集35
  • 2.3.2 样品预处理35
  • 2.3.3 细菌总 DNA 提取方法35-36
  • 2.3.4 三种 DNA 提取方法的综合分析36-38
  • 2.4 PCR 扩增方法的分析步骤38-40
  • 2.4.1 用于克隆文库分析的 PCR 扩增38-39
  • 2.4.2 用于 DGGE 分析的 PCR 扩增39-40
  • 2.4.3 用于 DGGE 凝胶条带回收产物的 PCR 扩增40
  • 2.5 克隆文库方法的分析步骤40-42
  • 2.5.1 目的基因的扩增与纯化41
  • 2.5.2 PCR 产物与 T 载体的连接41
  • 2.5.3 连接产物转化大肠杆菌41-42
  • 2.5.4 阳性克隆筛选42
  • 2.5.5 质粒提取42
  • 2.5.6 酶切验证42
  • 2.5.7 阳性克隆测序42
  • 2.6 DGGE 方法的分析步骤42-44
  • 2.6.1 水平胶的制备42-43
  • 2.6.2 电泳43
  • 2.6.3 染色43-44
  • 2.6.4 DGGE 凝胶条带回收测序44
  • 2.6.5 序列片段分析44
  • 2.7 定量 PCR 方法的建立44-50
  • 2.7.1 标准品构建44-46
  • 2.7.2 建立标准曲线46-50
  • 3 曝气生物滤池的处理效能50-74
  • 3.1 工程概况50-53
  • 3.1.1 麦岛污水处理厂简介50-52
  • 3.1.2 曝气生物滤池结构52-53
  • 3.2 曝气生物滤池对污染物的去除效果53-57
  • 3.2.1 曝气生物滤池对 COD 的去除效果54
  • 3.2.2 曝气生物滤池对 NH3-N 的去除效果54-55
  • 3.2.3 曝气生物滤池对 TN 的去除效果55-56
  • 3.2.4 曝气生物滤池对 TP 的去除效果56
  • 3.2.5 曝气生物滤池对 SS 的去除效果56-57
  • 3.3 影响曝气生物滤池处理效能的主要因素分析57-69
  • 3.3.1 水力负荷对处理效能的影响57-60
  • 3.3.2 污染物容积负荷对处理效能的影响60-62
  • 3.3.3 气水比对处理效能的影响62-64
  • 3.3.4 温度对处理效能的影响64-67
  • 3.3.5 反冲洗对处理效能的影响67-69
  • 3.4 有机物去除动力学研究69-73
  • 3.4.1 模型的建立69-70
  • 3.4.2 模型的求解70-73
  • 3.5 本章小结73-74
  • 4 曝气生物滤池沿程生化特性研究74-88
  • 4.1 采样74
  • 4.2 曝气生物滤池沿程生化特性变化规律74-82
  • 4.2.1 主要污染物浓度变化规律74-77
  • 4.2.2 生物相构成变化规律77-78
  • 4.2.3 总细菌数量变化规律78-79
  • 4.2.4 细菌多样性变化规律79-82
  • 4.3 曝气生物滤池脱氮机理研究82-87
  • 4.3.1 各形态氮素浓度变化规律82-83
  • 4.3.2 硝化细菌数量变化规律83-85
  • 4.3.3 曝气生物滤池脱氮机理分析85-87
  • 4.4 本章小结87-88
  • 5 曝气生物滤池微生物群落的多样性研究88-101
  • 5.1 采样88
  • 5.2 细菌总 DNA 提取88-89
  • 5.3 基因克隆文库构建89-92
  • 5.3.1 总细菌 DNA 的 PCR 扩增与纯化89-90
  • 5.3.2 阳性克隆筛选测序90-92
  • 5.4 克隆文库多样性的统计学分析92-93
  • 5.4.1 文库覆盖率92
  • 5.4.2 多样性指数92
  • 5.4.3 均匀度指数92-93
  • 5.4.4 优势度指数93
  • 5.5 系统发育学分析93-96
  • 5.6 优势菌属与功能微生物分析96-100
  • 5.6.1 优势菌属96-97
  • 5.6.2 功能微生物97-100
  • 5.7 本章小结100-101
  • 6 曝气生物滤池微生物群落的稳定性研究101-112
  • 6.1 气水比对曝气生物滤池群落结构的影响101-104
  • 6.1.1 微生物群落结构变化101-104
  • 6.1.2 总细菌菌群密度变化104
  • 6.1.3 硝化细菌菌群密度变化104
  • 6.2 温度对曝气生物滤池群落结构的影响104-108
  • 6.2.1 微生物群落结构变化105-107
  • 6.2.2 总细菌菌群密度变化107
  • 6.2.3 硝化细菌菌群密度变化107-108
  • 6.3 反冲洗对曝气生物滤池群落结构的影响108-111
  • 6.3.1 微生物群落结构变化108-110
  • 6.3.2 总细菌菌群密度变化110-111
  • 6.3.3 硝化细菌菌群密度变化111
  • 6.4 本章小结111-112
  • 7 曝气生物滤池处理效能与群落结构的关系112-121
  • 7.1 采样112-113
  • 7.2 曝气生物滤池内群落结构分析113-115
  • 7.2.1 微生物群落结构变化113-114
  • 7.2.2 微生物群落结构动态变化率114-115
  • 7.3 群落结构与处理效能的关系分析115-120
  • 7.3.1 群落结构与环境因子的关系分析115-118
  • 7.3.2 群落结构与污染物去除率的关系分析118-120
  • 7.4 本章小结120-121
  • 8 结论121-123
  • 8.1 本文主要结论121-122
  • 8.2 创新点122-123
  • 参考文献123-136
  • 附录1136-137
  • 附录2137-138
  • 致谢138-139
  • 个人简历139
  • 发表的学术论文139-140


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