反硝化型厌氧甲烷氧化古菌和细菌的协同富集及影响因素研究

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反硝化型厌氧甲烷氧化过程(denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)耦合了甲烷的厌氧氧化过程和反硝化过程,可以同时去除甲烷和氮素污染物,在废水生物脱氮领域具有较好应用前景。参与DAMO过程的微生物包括硝酸盐型厌氧甲烷氧化(nitrate-dependent anaerobic methane oxidation,Na-DAMO)古菌和亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,Ni-DAMO)细菌。DAMO微生物的富集培养通常采用序批式反应器(sequencing batch reactor,SBR)和中空纤维膜反应器(hollow-fiber membrane biofilm reactor,Hf MBR),但两种装置富集DAMO微生物耗时较长,限制了DAMO工艺的推广应用。本论文针对Na-DAMO古菌和Ni-DAMO细菌联合培养中存在的问题,研究了循环流量、膜丝填充密度、接种物浓度、串联Hf MBR以及Fe2+浓度对富集DAMO微生物的影响,以期加快其富集培养速度。主要研究结果如下:1.初步探究了循环流量、膜丝填充密度和接种污泥浓度对DAMO微生物富集启动过程的影响,得到了较优的启动条件。采用并联Hf MBR富集DAMO微生物,启动过程20 ml/min的低循环流量、240或360 m2/m3的中等或高膜丝填充密度、500 mg VSS/L的中等接种污泥浓度对DAMO微生物的富集效果较优。循环流量和膜丝填充密度对Hf MBR启动阶段的脱氮效能无显著影响,低接种污泥浓度会显著降低硝氮去除速率。高循环流量、低填充密度或低污泥浓度条件下甲烷和硝氮的消耗比与理论值偏离程度最大,为7.229.64。高循环流量条件会加剧氧气的扩散,造成好氧甲烷氧化菌的快速增长。低循环流量、高填充密度和中等污泥浓度下Na-DAMO古菌数量最高,低循环流量、中等填充密度和中等污泥浓度下Ni-DAMO细菌数量最高,这些条件有利于DAMO微生物数量的增长。2.初步探究了串联Hf MBR对DAMO微生物的富集效果,提高了DAMO微生物的富集度。串联Hf MBR对DAMO微生物富集效果较佳。以反应器运行过程中脱氮效能、DAMO微生物数量、相对丰度和生物膜的微观结构等参数表征串联Hf MBR对DAMO微生物的富集效果。反应器脱氮效能在第2390天增加了4.1倍。运行末期Na-DAMO古菌和Ni-DAMO细菌的平均数量较运行初期分别增加了92.9和136.6倍,平均相对丰度分别增加了65.4和340.7倍。运行末期串联Hf MBR中形成了40240μm厚的生物膜,在生物膜中Na-DAMO古菌和Ni-DAMO细菌之间存在“一对一”直接接触模式,有利于二者之间亚硝酸盐的传递。3.初步探究了Fe2+浓度对DAMO微生物富集过程的影响,鉴别了较优的Fe2+浓度条件。对比研究20μmol L-1和40μmol L-1两种Fe2+浓度对DAMO微生物富集的影响,发现40μmol L-1的Fe2+浓度条件更有利于DAMO微生物的富集以及微生物团聚体的形成。运行第100天,40μmol L-1的Fe2+浓度条件下,基质的消耗速率更高,该条件下甲烷和硝氮的净消耗速率分别比20μmol L-1的Fe2+浓度条件高56.3%和58.6%;DAMO微生物的数量更高,该条件下DAMO微生物数量比20μmol L-1的Fe2+浓度条件高11.7%;形成的微生物团聚体尺寸更大,尺寸达1020μm,而20μmol L-1的Fe2+浓度条件下形成的团聚体尺寸不超过5μm;对生物量的持留能力更强,该条件下运行100天反应器的VSS浓度为20μmol L-1的Fe2+浓度条件下的2.0倍。
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