甲烷厌氧氧化协同反硝化机制及微生物群落演替研究

• 作 者: 张梦竹
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 废气处理 甲烷厌氧氧化 群落演替 克隆文库 甲烷厌氧氧化途径

在污水厌氧处理、污泥浓缩与消化以及垃圾处置过程中，有大量的恶臭气体产生，恶臭气体的组分主要包括硫化氢、氨、甲烷、硫醇、挥发性有机酸等。无论是物化法还是生物法，主要考虑去除恶臭气体中的氨、硫化氢和挥发性有机酸等污染物质，对甲烷的去除效果甚微。新近研究发现能够用硝酸盐作为电子受体在厌氧条件下氧化甲烷的微生物。臭味气体生物处理过程中氨被硝化菌氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，亚硝酸盐和硝酸盐作为氧化剂氧化甲烷为二氧化碳，亚硝酸盐和硝酸盐经反硝化作用转化为氮气。本研究将恶臭气体氨硝化过程与甲烷厌氧氧化相结合，形成甲烷厌氧氧化协同反硝化，实现恶臭气体中氨和甲烷的同步去除。　　
本研究从污水处理厂厌氧污泥及生活垃圾填埋场土壤筛选可利用硝化产物作为电子受体的甲烷氧化菌落，形成稳定的生物体系，建立了甲烷厌氧氧化菌的筛选驯化方法；改变驯化条件和反应条件，研究微生物群落的演替过程和规律。研究结果表明，反应体系中甲烷厌氧氧化菌和反硝化菌共同存在，甲烷厌氧氧化菌包括甲烷厌氧氧化细菌和甲烷厌氧氧化古菌；反硝化菌均为反硝化细菌。随着反应的进行，体系内甲烷氧化菌和反硝化菌的种类和比例发生明显变化。9个月后，体系内的甲烷厌氧氧化菌的比例明显上升，种类趋于单一，细菌全部隶属于绿弯菌门，古菌为广古菌门ANME-2菌种；而反硝化菌的比例没有明显的变化。　　
通过一年半时间的运行，考察甲烷厌氧氧化的影响因素，优化反应条件。研究发现，甲烷厌氧氧化效果受底物浓度、亚硝酸盐与甲烷的比例、pH值、反应时间的影响。最佳的反应条件为：亚硝酸盐与甲烷摩尔比大于5.4，反应温度为25℃、pH值为7，反应时间大于一个半月。甲烷的氧化量最大可以达到31.0mg·g-1(TS)。　　
分析甲烷厌氧氧化协同反硝化生物体系内的反应物、产物、中间产物，研究甲烷厌氧氧化协同反硝化生物体系中含碳物质和含氮物质的转移转化规律，结合反应体系甲烷厌氧氧化菌和反硝化菌的特征，推测构建的生物体系中甲烷厌氧氧化协同反硝化的途径。研究显示，可能的转化途径为：甲烷与亚硝酸盐在甲烷厌氧氧化菌和反硝化菌的作用下分别经过甲酸、氧化亚氮等中间产物，最终生成二氧化碳和氮气。