EGSB反应器中皮革废水甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化耦合研究

【摘要】：皮革工业已成为中国重污染行业,其所产生的废水不仅含有大量有机碳,而且常常含有高浓度有机氮和氨氮,大大增加了处理难度和成本,有效的脱氮技术已成为皮革废水处理的重点和难点。尽管一些新型的脱氮技术,如厌氧氨氧化、短程反硝化等,正得到迅速的发展和应用,但对于高氨氮、高COD的皮革废水的研究却很少。本文以河南博奥皮革有限公司废水为研究对象,采用EGSB反应器研究甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化的耦合,从宏观和微观两方面对皮革废水高效低耗脱氮技术进行探索,得出以下结论： (1)EGSB反应器具有良好的脱氮效果。反应器进水氨氮、NO2--N、NO3--N和TKN平均浓度分别为328mg/L、200mg/L、220mg/L和752mg/L,去除率可分别达到44%、98.4%、83.7%和71.6%。TN去除率最终可以达到78.4%。 (2) EGSB反应器同时对COD具有良好的去除效果。在进水COD平均浓度为3766mg/L条件下,反应器在初始阶段即表现出对COD较好的去除效果,经过250天的运行,COD去除率可稳定维持在80%以上。 (3)宏基因组学方法研究表明,反应器中微生物具有丰富的多样性,细菌、古细菌和真核微生物含量分别为87.9%、6.3%和5.3%,已报道的具有产甲烷能力、反硝化能力、厌氧氨氧化能力和好氧氨氧化能力的菌属相对丰度分别为4.15%、5.15%、2.14%和0.53%。反应器中含量最高的微生物为不可培养的厌氧产氢菌Candidatus Cloacamonas acidaminovorans (1.78%),含量最高的产甲烷菌为Methanosaeta thermophila (0.70%),含量最高的反硝化菌为Thiobacillus denitrificans (0.31%),含量最高的具有厌氧氨氧化功能的菌为Rhodopirellula baltica (0.26%)和Pseudomonas aeruginosa (0.26%)。 (4)高通量测序和BLAST分析发现了大量不可培养的微生物,反应器中反硝化菌远较氨氧化菌丰富,且大部分为不可培养菌属。AOB-amoA基因分子克隆做进化树表明,反应器中的AOB菌均为Nitrosomonas属,且与其中的Nitrosomonas europaea有着最高的同源性,这与宏基因组的BLAST分析结果一致。 (5) qPCR研究得出反硝化菌nirS、nirK、nosZ基因和好氧氨氧化菌AOB-amoA基因在反应器中的相对丰度分别为1.14%、0.21%、1.11%和0.08%,这与BLAST比对的结果在趋势上是一致的。 (6)理化指标分析和微生物学研究都证明反应器中同时存在厌氧氨氧化、反硝化和甲烷化,同时反应器具有良好的稳定性,对容积负荷和pH具有较强的适应能力,这为皮革废水的高效低耗脱氮提供了一个可能的途径。 【关键词】：厌氧氨氧化 甲烷化 反硝化 皮革废水 宏基因组学方法 高通量测序技术 qPCR 分子克隆
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-24
• 1.1 国内外研究现状10-22
• 1.1.1 皮革废水脱氮技术研究现状10-12
• 1.1.2 传统生物脱氮技术研究现状12-13
• 1.1.3 短程硝化反硝化技术研究现状13-14
• 1.1.4 厌氧氨氧化研究现状14-16
• 1.1.5 甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化耦合的研究现状16-17
• 1.1.6 EGSB反应器研究现状17-18
• 1.1.7 宏基因组学方法的研究现状18-20
• 1.1.8 高通量测序技术在宏基因组学研究中应用现状20-21
• 1.1.9 综述概要21-22
• 1.2 研究的内容和方法22-24
• 1.2.1 主要研究内容22-23
• 1.2.2 研究方法23
• 1.2.3 主要创新之处23-24
• 2 EGSB反应器启动及工艺特性研究24-37
• 2.1 前言24
• 2.2 材料和方法24-28
• 2.2.1 实验装置24-25
• 2.2.2 接种污泥25
• 2.2.3 实验用水25-26
• 2.2.4 实验方法26-27
• 2.2.5 分析方法27-28
• 2.3 结果与讨论28-35
• 2.3.1 EGSB反应器的启动28-30
• 2.3.2 COD去除率的变化30-31
• 2.3.3 NH4_4~+和TKN去除率的变化31-32
• 2.3.4 NO_2~-和NO_3~-去除率的变化32-35
• 2.3.5 EGSB反应器稳定性研究35
• 2.4 本章小结35-37
• 3 EGSB反应器微生物群落结构及功能分析37-65
• 3.1 前言37-38
• 3.2 材料和方法38-47
• 3.2.1 DNA提取38-39
• 3.2.2 实时定量扩增(qRT-PCR)39-41
• 3.2.3 琼脂凝胶电泳分析41-42
• 3.2.4 分子克隆42-44
• 3.2.5 HiSeq2000高通量测序44-45
• 3.2.6 数据处理方法45-47
• 3.3 结果与讨论47-64
• 3.3.1 宏基因组文库的构建与分析47-55
• 3.3.2 nirS、nosZ、nirK和AOB-amoA基因序列比对与分析55-59
• 3.3.3 实时定量PCR59-62
• 3.3.4 AOB-amoA基因系统发育树分析62-64
• 3.4 本章小结64-65
• 4 结论和展望65-67
• 4.1 结论65-66
• 4.2 展望66-67
• 参考文献67-78
• 附录：攻读硕士期间取得的成果78-79
• 致谢79-80

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