论文部分内容阅读
随着染料工业的迅猛发展，染料品种日益增多，染料结构日趋复杂，染料废水已经成为严重威胁水环境的工业污染源之一，生物吸附技术以其独特的优势成为一种极具前景的染料废水处理技术，迫切需要寻找并开发出廉价高效的生物吸附剂；氨氧化作用是全球氮循环的关键步骤之一，一百多年来，氨氧化微生物的研究一直是重要的研究课题，人们对氨氧化微生物的认识也发生了深刻的变化，氨氧化古菌(Ammonia-Oxidizing Archaea，AOA)的发现使得氨氧化微生物的研究成为当前环境微生物领域的国际研究热点和难点。鉴于此，本课题对蘑菇培养基、板栗壳和豆渣等3种日常生活中常见的农业废弃物处理AR14和RR15染料废水的可行性以及吸附机理进行了研究，并开展了酸处理豆渣(ATO)对AR14和RR15的竞争吸附研究，旨在开发出廉价高效的生物吸附剂，为生物吸附技术在染料废水处理方面的应用提供参考和借鉴；采用PCR(Polymerase chain reaction，PCR)、Clone和实时荧光定量PCR技术等分子生物学手段对试验室SBR反应器活性污泥内的氨氧化微生物和NOB的种群多样性以及丰度进行了分析研究，以期为日后活性污泥系统中氨氧化微生物的研究提供一定的参考。 首次将质子化蘑菇培养基(Protonated spent mushroom substrate，PSMS)应用于RR15染料废水的处理。采用SEM和氮气吸附-脱附试验对PSMS进行了表征，表明PSMS具有较大的比表面积，内部含有大量的中孔和大孔结构，有利于对染料分子的吸附；分别研究了pH、吸附剂投加量、染料初始浓度和反应时间对PSMS吸附RR15过程的影响，结果表明，吸附体系的最佳pH为1.2，最佳吸附剂投加量为4.0g/L，RR15的去除主要在前30min完成：采用Langmuir、Freundlich和Dubinin-Radushkevich(D-R)等温线模型对试验数据进行了分析处理，Freundlich的拟合效果最好；分别采用一级动力学模型、二级动力学模型和内扩散模型对PSMS吸附RR15的试验数据进行了分析处理，结果表明，该吸附过程符合二级动力学模型，边界层扩散和内扩散是影响吸附速率的主要步骤：分别计算了△H0、△S0和△G0等热力学参数，表明PSMS对RR15的吸附是一个自发的放热过程；对吸附RR15前后的PSMS进行了FTIR分析，表明PSMS中的胺基、膦酸基和羟基等官能团是RR15的主要活性结合位点。因此，PSMS具有潜在的染料吸附能力，可以作为廉价高效吸附剂应用于处理染料废水的研究。 首次将板栗壳应用于RR15染料废水的处理。板栗壳表面具有层状结构和大量的绒毛状结构，为染料分子的吸附提供了可能；板栗壳的等电点为4.9，吸附体系的最佳pH为1.0，最佳吸附剂投加量为16g/L；采用Langmuir、Freundlich、Temkin和D-R等温线模型对试验数据进行了分析处理，Freundlich的拟合效果最好：分别采用一级动力学模型、二级动力学模型、内扩散模型和外扩散模型对PSMS吸附RR15的试验数据进行了分析处理，结果表明，该吸附过程符合二级动力学模型：外部扩散是吸附过程的主要限速步骤。板栗壳对RR15的吸附是一个自发的放热过程；板栗壳表面的胺基、羟基等基团和酚类化合物是与RR15染料结合的主要活性位点。因此，PSMS具有潜在的染料吸附能力，可以作为廉价高效吸附剂应用于处理染料废水的研究。 首次将ATO应用于AR14和RR15单种染料废水和二元混合染料废水的处理。为了克服AR14和RR15两种染料的最大吸收波长高度重叠给两种染料浓度的同时测定带来的困难，成功引入偏最小二乘(PLS)法实现了混合溶液中两种染料浓度的同时分析测定。对于单种染料的吸附试验，Langmuir-Freundlich等温线模型在整个浓度范围内对试验数据拟合效果最佳，而Langmuir和Freundlich等温线模型分别在100-300 mg/L和300-500mg/L的浓度范围内能够实现对试验数据的良好预测，根据Langmuir等温线计算得到的AR14和RR15的最大吸附容量分别为217.39和243.90mg/g；两种染料的竞争吸附试验中，AR14和RR15之间表现为拮抗作用，不完全竞争型Langmuir模型、多组份L-F模型和Freundlich扩展模型等3种等温线模型对竞争吸附试验数据的拟合均取得了良好的效果。FTIR分析表明，胺基、羟基、羧基、磷酸基和其它官能团在ATO吸附AR14和RR15的过程中发挥了主要作用。试验表明，ATO可以作为一种廉价、高效的生物吸附剂应用于染料废水的处理。 为了研究碱度对生物脱氮系统中氨氧化微生物的影响，采用R1和R2分别处理碱度充足和碱度不足的两种模拟废水(除碱度外，其它组份完全相同)。对R1和R2的氨氮去除特性进行了分析比较，整个运行时间段内R1的氨氮去除率一直维持在95.4％以上，运行周期内的平均硝化速率为4.42mg(NH4+-N)·[g(MLSS)·h]-1，均明显高于R2。通过PCR、克隆和实时荧光定量PCR等分子生物学手段对R1和R2活性污泥中的微生物种群进行了分析研究，成功构建了AOB amoA、古菌16S rRNA和Nitrospira 16S rRNA基因克隆文库并进行了系统发育分析，表明R1和R2中的AOB含量均远高于AOA，且都属于Nitrosomonas europaea/eutropha，但OTU分布存在明显差异；R1和R2中的NOB均属于Nitrospira，序列高度相似且OTU类型单一，未发现Nitrobacter的存在；R1和R2中均存在大量古菌，但都属于Euryarchaeota，未发现Crenarchaeota。 为了研究DO对生物脱氮系统中氨氧化微生物的影响，采用R3和R4分别在DO为<1.0mg/L和>2.0mg/L的条件下(其余运行参数相同)处理同一种生活污水。运行周期内R3的平均硝化速率为3.25mg(NH4+-N)·[g(MLSS)·h]-1，远低于R4。R3和R4中AOA与AOB之间均在着竞争关系，低DO条件下二者的竞争关系更为明显。R3中的AOA和AOB可能同时参与了氨氧化过程，而AOB很可能是R4中氨氧化过程的主导者。R3和R4中的AOB均属于Nitrosomonas europaea/eutropha，但低DO条件下AOB的OTU分布更为分散，且R3和R4中AOB主导OTU类型均与种泥不同；R3和R4中的NOB均属于Nitrospira，序列高度相似且OTU类型单一；R3和R4中均存在大量古菌，都属于Euryarchaeota。 在R5中利用以垃圾渗滤液为基质培养的硝化性能良好的好氧颗粒污泥分3个阶段(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)处理不同浓度的高氨氮废水，阶段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的原水氨氮浓度依次为230mg/L、500mg/L和1000mg/L，以对不同原水氨氮浓度条件下的氨氮去除特性和微生物种群多样性以及丰度进行了分析。Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ3个阶段的平均硝化速率分别为9.96、10.31和27.18mg(NH4+-N)·[g(MLSS)·h]-1，所需硝化时间分别为300min、430min和390min；由于游离氨(FA)对NOB的抑制比对AOB的抑制更强，3个阶段中亚硝酸盐氮浓度均处于较高水平。相对于AOA，AOB在数量(104～106copies/ng DNA)上占有绝对优势，AOB与AOA amoA基因拷贝数之比最高达23.1万；随着原水氨氮浓度的增加，AOB的种群类型没有发生变化，始终为Nitrosomonas europaea/eutropha，但OTU的分布发生了明显变化，其中OTU1所占比例越来越高，在阶段Ⅲ达到100％；R5好氧颗粒污泥内的NOB均为Nitrobacter，序列高度相似且OTU类型单一，未发现Nitrospira；R5中存在大量古菌，但都属于Euryarchaeota。