缺氧好氧生物脱氮过程中NO2释放的减量化研究

摘要

N2O是大气中的一种重要的温室气体，其温室效应约为CO2的310倍。另外，N2O是目前造成臭氧层破坏的主要原因，其在大气中的存在还能形成酸雨。已有研究表明，污水处理的生物脱氮过程是N2O的主要来源之一。因此，研究污水生物脱氮过程中N2O的产生机理，提出有效可行的N2O减量化控制策略具有积极意义。
　　 本论文以缺氧-好氧SBR生物反应器为研究对象，根据本课题组对缺氧-好氧生物脱氮过程N2O产生机理的前期研究，提出了4种切实可行的N2O减量化控制策略:添加反硝化污泥、添加硝化细菌、外加碳源和分段进水，并对各减量化策略的污染物去除效果及N2O减排效果做出了评价，确定有效的减量化策略;同时采用分子生物学手段分析各减量化策略运行下系统中与N2O释放相关的微生物群落结构及种群数量的变化，验证了各减量化策略对微生物种群结构的调控，并结合其与N2O释放的相关性，解释各减量化策略调控微生物种群结构对N2O释放的影响。
　　 实验结果表明，在四种N2O减量化控制策略的运行方式下COD、氨氮、总磷的去除效果均较好，不同策略对污染物去除效果影响不大，但对总氮的去除效果有明显差异，外加碳源和添加反硝化细菌对总氮的去除效果较好，分别达到76.45％和68.69％。采用添加反硝化污泥及分段进水减量化策略运行的系统中，N2O的释放量分别降低25.21％和28.82％，N2O转化率下降幅度分别为39.78％和46.24％;外加碳源系统中N2O释放量上升了6.97％，但总氮去除效果好，N2O转化率降低16.2％;添加硝化细菌的策略下，N2O的释放量及转化率均上升，其上升幅度分别为13.80％和5.38％。因此，添加反硝化污泥、外加碳源及分段进水均是可行的N2O减量化策略。
　　 典型周期内，不同N2O减量化控制策略运行方式下，N2O的释放均主要产生于好氧段，缺氧段中N2O释放不明显。好氧段中N2O释放速率与系统中NO2-浓度成高度显著的正相关性，表明好氧段中N2O的释放源为反硝化作用。采用分子生物学技术，以功能性基因amoA和nosZ为分子标记对不同减量化策略运行方式下系统中微生物群落结构变化进行了分析。结果显示，各系统中反硝化细菌群落结构无明显差异，仅各群落丰度略有变化;添加硝化细菌使得系统中氨氧化细菌种群多样性明显升高，Nitrosomonas属细菌得到富集;外加碳源策略使氨氧化细菌群落结构多样性减少，作为优势菌群的Nitrosomonas属细菌大量富集;分段进水和添加反硝化污泥对氨氧化菌群落结构影响不大;结合N2O释放差异综合分析确定，微生物群落结构的改变对N2O释放具有较大影响，系统中硝化细菌种类和数量的增多会导致N2O释放量和转化率的大幅上升，而增加反硝化细菌的比例反而导致N2O释放的减少。调控微生物群落结构对N2O的减量化起着重要的作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 N20的环境效应及来源

1．2 污水生物处理过程中N20的释放

1．2．1 污水生物脱氮原理

1．2．2 生物脱氮过程中N20产生机理

1．2．3 生物脱氮过程中影响N20释放的因素

1．3 微生物群落结构研究对于N20释放控制的意义

1．4 分子生物学技术在环境微生物研究中的应用

1．4．1 PCR技术

1．4．2 变性梯度凝胶电泳技术(DGGE)

1．4．3 分子克隆技术

1．5 研究目的和研究内容

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

第二章 试验装置与试验方法

2．1 接种污泥和试验用水

2．2 实验装置

2．3 装置运行参数

2．4 分析测试项目与方法

2．4．1 物化指标及测试方法

2．4．2 气态N20的采集与测定

2．5 分子生物学测试项目与方法

2．5．1 活性污泥样品的采集

2．5．2 活性污泥中总DNA的提取

2．5．3 PCR扩增

2．5．4 DGGE分析

2．5．5 克隆测序

第三章 不同减量化策略对污染物去除效果的影响研究

3．1 系统对COD的去除效果

3．2 系统对氨氮的去除效果

3．3 系统对总氮的去除效果

3．4 系统对总磷的去除效果

3．5 小结

第四章 不同减量化策略下典型周期内氮的转化规律研究

4．1 周期内污染物浓度变化

4．2 周期内DO和pH的变化

4．3 不同减量化策略下N20的释放规律

4．4 小结

第五章 不同减量化策略下生物脱氮系统中微生物群落结构研究

5．1 活性污泥样品中总DNA的提取结果

5．2 基因组DNA片段的PCR扩增

5．2．1 amoA基因的PCR扩增

5．2．2 nosZ基因的PCR扩增

5．3 微生物群落多样性及种群结构分析

5．3．1 氨氧化细菌群落DGGE图谱分析

5．3．2 氨氧化细菌系统发育分析

5．3．3 反硝化细菌群落DGGE图谱分析

5．3．4 反硝化细菌系统发育分析

5．4 微生物群落多样性对N20释放的影响研究

5．5 小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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