多壁碳纳米管对活性污泥系统污水处理效果及其细菌群落结构的影响

【摘要】：纳米材料所具有的特殊理化特性使其在各个领域得到广泛的应用,但在其生产、使用、处理等过程中,将不可避免的进入到水环境中。虽然纳米材料对人体和环境的影响也得到人们越来越多的关注,但是,有关纳米材料对污水处理系统中活性污泥影响的研究仍然不足。本文集中研究了目前应用极为广泛的一种碳纳米材料一一多壁碳纳米管(multiwalled carbon nanotubes, MWCNTs)短期和长期作用对SBR中活性污泥污水处理效果及其细菌群落结构的影响。 研究1和20mg·L-1的MWCNTs短期作用(21d)和长期作用(180d)对活性污泥污水处理效果的影响,结果表明1和20mg·L-1r MWCNTs短期作用对污水处理效果并未产生影响。1mg.L-1的MWCNTs长期作用对活性污泥污水总氮(TN)去除率并无明显的影响,但在作用过程中导致反应器出现为期70d的NH4+-N去除效果恶化的过程。20mg·-1的MWCNTs长期作用明显的抑制活性污泥污水TN去除效果,TN去除率由83.50%降为71.97%,20mg·L-1的MWCNTs还导致SBR出水COD小幅增长(22.30mg.L-1左右增至42.85mg·L-1左右)。1和20mg.L-1的MWCNTs长期作用均明显的抑制活性污泥生物除磷效果,TP去除率分别由97.60%和98.04%降为51.40%和33.60%。MWCNTs对活性污泥3h呼吸抑制试验验证了MWCNTs对活性污泥活性的影响,同时,酶活性实验结果表明,20mg·L-1的MWCNTs对脱氮相关的氨单加氧酶和亚硝酸盐氧化酶的活性有抑制作用,1和20mg·L-1的MWCNTs对除磷相关的外切聚磷酸酶和多聚磷酸盐激酶均有抑制作用。 进一步研究中,采用MiSeq高通量测序技术,分析MWCNTs对活性污泥中细菌群落结构的影响。结果表明,1和20mg.L-1的MWCNTs均降低了活性污泥中的生物多样性,且20mg·L-1的抑制作用高于1mg.L-1。MWCNTs增加了活性污泥中泥中a-Proteobacteria和γ-Proteobacteria丰度,而降低了拟杆菌门(Bacteroidetes)的丰度。1mg·L-1的MWCNTs长期作用后减少了具有氨氧化功能的Nitrosomonas的丰度,并导致活性污泥中两类聚糖菌(Defluviicoccus和Micropruina)丰度的增长。20mg·L-1的MWCNTs对Nitrosomonas的抑制作用较1mg·-1的MWCNTs更为显著,同时,降低了具有亚硝酸氧化功能的硝化螺菌属(Nitrospira)的丰度。另外,20mg·L-1的MWCNTs还降低了聚磷菌的总丰度。 【关键词】：活性污泥 多壁碳纳米管 污水处理 MiSeq测序 细菌群落结构
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X703;X172
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-17
• 第一章 绪论17-29
• 1.1 纳米材料的背景介绍17-18
• 1.1.1 纳米材料的定义17
• 1.1.2 纳米材料的来源17
• 1.1.3 纳米材料的应用17-18
• 1.2 纳米材料对活性污泥系统影响的研究现状18-21
• 1.2.1 金属纳米颗粒对活性污泥系统的影响18-19
• 1.2.2 金属氧化物纳米颗粒对活性污泥系统的影响19-20
• 1.2.3 碳纳米材料对活性污泥系统的影响20-21
• 1.3 纳米材料对活性污泥系统影响机理21-24
• 1.3.1 纳米材料对活性污泥系统污水处理效果作用机理21-22
• 1.3.1.1 纳米材料对活性污泥污水有机物去效果作用机理研究21
• 1.3.1.2 纳米材料对活性污泥系统生物脱氮除磷效果作用机理研究21-22
• 1.3.2 纳米材料对活性污泥中微生物影响的机理研究22-24
• 1.3.2.1 氧化损伤22-23
• 1.3.2.2 对微生物细胞表面的作用23
• 1.3.2.3 对微生物细胞内组分的作用23
• 1.3.2.4 溶出离子对微生物的作用23-24
• 1.4 活性污泥系统中细菌群落结构特征分析方法研究进展24-27
• 1.4.1 传统培养法及其研究的局限性24
• 1.4.2 现代分子生物学方法研究进展24-27
• 1.4.2.1 核酸杂交技术24-25
• 1.4.2.2 核酸指纹图谱技术25-26
• 1.4.2.3 高通量测序26-27
• 1.5 研究创新点、内容和意义27-29
• 第二章 材料和方法29-37
• 2.1 材料29-30
• 2.1.1 MWCNTs29
• 2.1.2 试剂29
• 2.1.3 反应器设计29-30
• 2.2 方法30-37
• 2.2.1 反应器启动30
• 2.2.2 MWCNTs母液的配制30
• 2.2.3 MWCNTs对活性污泥短期作用及长期作用试验30-31
• 2.2.3.1 MWCNTs短期作用试验研究31
• 2.2.3.2 MWCNTs长期作用试验研究31
• 2.2.4 活性污泥呼吸抑制试验31-33
• 2.2.5 酶活性试验33-34
• 2.2.5.1 AMO和NOR活性测定33
• 2.2.5.2 NAR和NIR活性测性33
• 2.2.5.3 PPX和PPK活性测定33-34
• 2.2.6 活性污泥中细菌群落结构分析34-35
• 2.2.6.1 泥样收集34
• 2.2.6.2 DNA 提取34
• 2.2.6.3 PCR扩增和提纯34-35
• 2.2.6.4 Miseq测序和序列分析35
• 2.2.7 试验水质分析方法35
• 2.2.8 细菌群落数据分析方法35-37
• 第三章 MWCNTs对活性污泥系统污水处理效果的影响37-53
• 3.1 MWCNTs短期作用对活性污泥系统污水处理效果的影响37-41
• 3.1.1 MWCNTs短期作用对SBR脱氮除磷效果的影响37
• 3.1.2 短期作用后一个反应周期内水质参数的变化37-41
• 3.1.2.1 周期内NH_4~+-N浓度变化38-39
• 3.1.2.2 周期内NO_2~--N和NO_3~--N浓度变化39-40
• 3.1.2.3 周期内TP浓度变化40-41
• 3.2 MWCNTs长期作用对活性污泥系统污水处理效果的影响41-48
• 3.2.1 MWCNTs长期作用对SBR COD去除效率的影响41-42
• 3.2.2 MWCNTs长期作用对SBR脱氮除磷效果的影响42-45
• 3.2.3 长期作用后一个反应周期内水质参数的变化45-48
• 3.2.3.1 周期内NH_4~+-N浓度变化45
• 3.2.3.2 周期内NO_2~--N和NO_3~--N浓度变化45-47
• 3.2.3.3 周期内TP浓度变化47-48
• 3.3 MWCNTs活性污泥呼吸抑制试验48-49
• 3.4 MWCNTs对酶活性的影响49-51
• 3.4.1 对脱氮相关酶活性的影响49-50
• 3.4.2 对除磷相关酶活性的影响50-51
• 3.5 小结51-53
• 第四章 MWCNTs对活性污泥中细菌群落结构的影响53-73
• 4.1 活性污泥样品DNA提取及测序序列统计53-56
• 4.1.1 活性污泥DNA提取液的纯度和浓度及PCR扩增53-54
• 4.1.2 各样品测序序列统计54-56
• 4.2 MWCNTs对活性污泥中细菌群落多样性的影响56-59
• 4.3 MWCNTs对活性污泥中细菌群落组成的影响59-67
• 4.3.1 活性污泥中细菌门类丰度的变化59-61
• 4.3.2 活性污泥中主要门中各纲的丰度变化61-62
• 4.3.3 活性污泥中主要属的丰度变化62-67
• 4.3.3.1 各泥样中共享的主要属的丰度变化62-65
• 4.3.3.2 组间存在明显差异的属丰度变化65-67
• 4.4 MWCNTs对活性污泥中与脱氮除磷相关细菌丰度的影响67-70
• 4.4.1 MWCNTs对活性污泥中与脱氮相关细菌的影响67-69
• 4.4.1.1 MWCNTs长期作用后对AOB的影响67-68
• 4.4.1.2 MWCNTs长期作用后对NOB的影响68
• 4.4.1.3 MWCNTs长期作用后对反硝化细菌的影响68-69
• 4.4.2 MWCNTs对活性污泥中与除磷相关细菌的影响69-70
• 4.5 活性污泥中群落结构相似性分析70-71
• 4.6 MWCNTs对群落作用显著性检验71-72
• 4.7 小结72-73
• 第五章 结论与展望73-75
• 5.1 结论73-74
• 5.2 展望74-75
• 参考文献75-81
• 致谢81-83
• 研究成果及发表的学术论文83-84
• 附件84-85

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