復合鐵酶促活性污泥系統(tǒng)低溫脫氮機理研究.pdf

1、近年來，隨著經濟的飛速發(fā)展與人口數(shù)量的持續(xù)增加，我國水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象日趨嚴重，其根本原因是氮、磷等營養(yǎng)物質過量排放。2013年底，我國共有城鎮(zhèn)污水處理廠3515座，日處理能力達1.49億m3/d，其中90％以上采用活性污泥法處理工藝，但該工藝普遍存在操作穩(wěn)定性差、生物脫氮除磷能力差，尤其低溫條件下硝化能力差等問題。因而開發(fā)高效、經濟的污水脫氮除磷新技術迫在眉睫。
　　復合鐵酶促活性污泥技術以強化微生物活性為切入點，通過鐵介入微生物

2、生化反應物質及能量代謝過程，強化鐵參與電子傳遞作用及激活酶促反應，以提高生物脫氮除磷效率，同時可優(yōu)化活性污泥絮體結構，從而提高微生物抵抗外界環(huán)境因素變化的能力，有效地解決了生物脫氮除磷系統(tǒng)存在的諸多問題。
　　本研究從微觀角度分析復合鐵酶促活性污泥系統(tǒng)中硝化細菌的生長與活性，揭示其低溫強化生物脫氮的原理，主要分為三部分:一是運用Real-Time PCR與RFLP技術，研究低溫條件下復合鐵酶促活性污泥中AOB及NOB所占比例及群落

3、結構多樣性;二是運用微生物生長曲線分析儀及Real-Time PCR技術等，考察在各溫度條件下鐵對AOB與NOB生長水平及功能基因表達量的影響;三是分析在各溫度條件下鐵對AOB與NOB最大比增長速率的影響。
　　研究結果表明:
　　(1)復合鐵酶促活性污泥中AOB與NOB所占比例均顯著提高，從功能微生物數(shù)量角度客觀反映了復合鐵酶促活性污泥硝化能力提高的直接原因。在12℃～13℃低溫條件下，以人工配水為處理對象的實驗系統(tǒng)，AO

4、B在復合鐵酶促活性污泥中所占的比例為2.544％，而在普通活性污泥中所占的比例僅為1.678％。NOB的優(yōu)勢菌種為Nitrospira，其在復合鐵酶促活性污泥中所占的比例為2.834％，而在普通活性污泥中所占的比例僅為1.693％;以實際生活污水為處理對象的實驗系統(tǒng)，AOB在復合鐵酶促活性污泥中所占的比例為0.281％，而在普通活性污泥中所占的比例僅為0.173％。NOB的優(yōu)勢菌種為Nitrobacter，其在復合鐵酶促活性污泥中所占比

5、例為1.968％，而在普通活性污泥中所占比例僅為1.414％;
　　(2)在以人工配水為處理對象，強化系統(tǒng)與對比系統(tǒng)的AOB克隆文庫豐富度指數(shù)分別為1.55和1.03，NOB優(yōu)勢菌種——Nitrospira克隆文庫豐富度指數(shù)分別為3.62和3.10;以實際生活污水為處理對象的實驗系統(tǒng)，強化系統(tǒng)與對比系統(tǒng)的AOB克隆文庫富度指數(shù)分別為2.84和2.58，NOB優(yōu)勢菌種——Nitrobacter克隆文庫豐富度指數(shù)分別為2.07和0.7

6、7，由此從AOB與NOB多樣性角度客觀反映了復合鐵酶促活性污泥抗低溫硝化功能強化的生物學原因;
　　(3)復合鐵酶促活性污泥系統(tǒng)硝化能力的提高與AOB優(yōu)勢菌群結構變化有關。分別以人工配水與實際生活污水為處理對象的實驗系統(tǒng)，復合鐵酶促活性污泥使具有較高氨氧化能力的OTU A-1代表菌種在AOB群落結構組成中所占比例分別由39.58％增至67.67％、由39.58％增至60.42％，使具有較低氨氧化能力的OTU A-2代表菌種所占比例

7、分別由45.83％降至22.92％、由20.83％降至8.33％。同時，以人工配水與實際生活污水為處理對象，分別發(fā)現(xiàn)4種與8種OTUs所代表菌種僅出現(xiàn)在強化系統(tǒng)中，分別發(fā)現(xiàn)2種與7種僅出現(xiàn)在對比系統(tǒng)中;
　　(4)復合鐵酶促活性污泥系統(tǒng)硝化能力的提高與NOB優(yōu)勢菌群結構變化有關。以人工配水為處理對象的實驗系統(tǒng)，復合鐵酶促活性污泥使NOB優(yōu)勢菌種——Nitrospira中處于優(yōu)勢地位的OTU L-1代表菌種在Nitrospira群落

8、結構組成中所占比例由39.58％增至58.33％，同時發(fā)現(xiàn)10種OTUs所代表菌種僅出現(xiàn)在強化系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)8種僅出現(xiàn)在對比系統(tǒng)中;以實際生活污水為處理對象的實驗系統(tǒng)，復合鐵酶促活性污泥使NOB優(yōu)勢菌種——Nitrobacter處于優(yōu)勢地位的OTU G-1代表菌種在Nitrobacter群落結構組成中所占比例由48.94％增至68.09％，同時發(fā)現(xiàn)5種OTUs所代表菌種僅出現(xiàn)強化系統(tǒng)中;
　　(5)鐵可顯著促進AOB與NOB的增殖，

9、在100mg/L范圍內，隨著基質含鐵量的增加，其達到穩(wěn)定期時細菌增殖率逐漸增加;
　　(6)鐵對AOB與NOB硝化能力有促進作用。培養(yǎng)溫度為21℃、18℃、15℃、12℃時，AOB與NOB在含鐵培養(yǎng)基中比硝化速率相對于不含鐵培養(yǎng)基分別提高了38.7％、118.5％、174.5％、186.4％與64.4％、152.6％、160.1％、181.1％;
　　(7)鐵可促進AOB功能基因amoA mRNA與NOB功能基因NxrA m

10、RNA的表達，并且隨著培養(yǎng)溫度的降低，其相對表達量不斷增大。在21℃、18℃、15℃、12℃的培養(yǎng)條件下，AOB在含鐵培養(yǎng)基中相對于在不含鐵培養(yǎng)基中的amoA mRNA表達量分別為1.647、1.765、1.803、2.014，NOB在含鐵培養(yǎng)基中相對于在不含鐵培養(yǎng)基中的NxrA mRNA表達量分別為2.014、2.676、2.732、2.868;
　　(8)鐵對AOB與NOB最大比增長速率提高具有顯著的促進作用。培養(yǎng)溫度為26℃

11、、21℃、18℃、15℃、12℃時，AOB在含鐵和不含鐵的培養(yǎng)基中最大比增長速率μA值分別為0.956d-1、0.729d-1、0.555d-1、0.406d-1、0.284d-1和0.828d-1、0.626d-1、0.440d-1、0.333d-1、0.180d-1;培養(yǎng)溫度為30℃、21℃、18℃、15℃、12℃時，NOB在含鐵和不含鐵的培養(yǎng)基中最大比增長速率分別為1.540d-1、0.835d-1、0.708d-1、0.498d