曝氣生物濾池處理城市污水的效能與微生物特性研究

【摘要】：水體污染是我國(guó)面臨的重要環(huán)境問(wèn)題，而城市污水是我國(guó)水體的重要污染源，生物處理是解決城市污水問(wèn)題最有效的方法。曝氣生物濾池（BAF）作為第三代生物膜法的代表工藝之一，在城市污水二級(jí)處理中有良好的應(yīng)用前景。微生物是生物處理系統(tǒng)中污染物去除的主要功能生物，深入研究其微生物群落結(jié)構(gòu)與功能，對(duì)認(rèn)識(shí)處理系統(tǒng)的本質(zhì)、提高處理效率以及控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義?；谂囵B(yǎng)和分離純化的傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足對(duì)環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)研究的要求，本研究以青島麥島污水處理廠BAF為研究對(duì)象，綜合使用多種分子生物學(xué)手段，包括核酸提取、分子克隆文庫(kù)構(gòu)建、16S rDNA序列同源性分析、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）、變性梯度凝膠電泳（DGGE）和熒光定量PCR技術(shù)，分析BAF系統(tǒng)中的微生物特性，研究了影響B(tài)AF群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素，初步探索了微生物群落結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)處理效能的關(guān)系。 青島市麥島污水處理廠采用曝氣生物濾池處理城市污水，對(duì)主要污染物COD、NH3-N、TP和SS的年平均去除率分別為89.1%、75.3%、83.4%和93.0%，處理效能穩(wěn)定，出水水質(zhì)能夠達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)的一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)，顯示了該工藝具有良好的污水處理能力。對(duì)Biostyr曝氣生物濾池處理城市污水的關(guān)鍵影響因素的研究結(jié)果表明，當(dāng)濾池進(jìn)水COD和NH3-N質(zhì)量濃度分別為60-260mg/L和22-65mg/L時(shí)，最佳運(yùn)行參數(shù)是：水力負(fù)荷2.5-3.3m~3/m~2.h；COD容積負(fù)荷小于3.3kg/m~3.d；氨氮負(fù)荷小于0.6kg/m~3.d；氣水比5:1；溫度15-28℃，反沖洗時(shí)間21-24h。建立了曝氣生物濾池有機(jī)物去除動(dòng)力學(xué)模型： C/C_0=e~(0.0118H/q~(-0.9423)) 微生物種群分布表明，沿程優(yōu)勢(shì)微生物依次分別為異養(yǎng)菌和硝化菌，微生物組成和活性的不同導(dǎo)致BAF各段對(duì)不同污染物的去除能力不同，BAF降解COD的最佳填料層高度為0-150cm，硝化NH3-N的最佳填料層高度為100-350cm，0-100cm段的填料層對(duì)SS的去除率貢獻(xiàn)最大。 曝氣生物濾池生物膜的細(xì)菌多樣性結(jié)果表明BAF生物膜中細(xì)菌多樣性十分豐富，按照優(yōu)勢(shì)類群依次β-proteobacterium類群（占38.6%），γ-proteobacterium類群（占18.2%），Bacteroidetes類群（占13.6%），-proteobacterium類群（占9.1%），-proteobacterium類群、Nitrospirae類群（各占4.5%）和Firmicutes類群（占2.3%）。BAF中主要的有機(jī)物去除功能菌是食酸假單胞菌、球衣菌、黃單胞菌和黃桿菌；亞硝化細(xì)菌為亞硝化單胞菌，硝化細(xì)菌為硝化螺菌；主要的反硝化細(xì)菌為生絲微菌和叢毛單胞菌。 對(duì)氣水比、溫度和反沖洗對(duì)BAF群落結(jié)構(gòu)的影響分析結(jié)果表明，BAF具有良好的生態(tài)穩(wěn)定性，在氣水比為5:1生境下濾池內(nèi)流態(tài)穩(wěn)定，生物膜結(jié)構(gòu)合理，出水水質(zhì)最佳；低溫（T＜15℃）會(huì)影響到BAF菌群多樣性，使濾池內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌群變得單一，但是這種單一的優(yōu)勢(shì)菌群能夠維持BAF的穩(wěn)定運(yùn)行；聚類分析表明反沖洗作為影響因子極大地影響著B(niǎo)AF的群落結(jié)構(gòu)，因此，控制好濾池的反沖洗強(qiáng)度和頻率是BAF高效運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 除趨勢(shì)典范對(duì)應(yīng)分析(DCCA)結(jié)果表明，氣水比、反沖洗和水溫是影響B(tài)AF群落結(jié)構(gòu)的主要的環(huán)境因子，COD去除率、氨氮去除率、總磷去除率和硝態(tài)氮濃度對(duì)BAF內(nèi)物種的影響顯著（P0.001），其中COD去除率與群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)性較大，為-0.7947（P0.001），而亞硝態(tài)氮濃度與排序軸沒(méi)有達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)上的相關(guān)性，與BAF中微生物群落結(jié)構(gòu)演替沒(méi)有明顯關(guān)系。 【關(guān)鍵詞】：曝氣生物濾池 城市污水 處理效果 生物群落 群落演替
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：X703;X172
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 1 緒論14-32
• 1.1 水環(huán)境污染與治理14-17
• 1.1.1 中國(guó)水污染現(xiàn)狀14-15
• 1.1.2 城市污水特征15-16
• 1.1.3 城市污水處理技術(shù)16-17
• 1.1.4 城市污水處理現(xiàn)狀17
• 1.2 曝氣生物濾池技術(shù)17-27
• 1.2.1 曝氣生物濾池的起源與發(fā)展17-18
• 1.2.2 曝氣生物濾池工作原理18-19
• 1.2.3 曝氣生物濾池工藝特點(diǎn)19
• 1.2.4 曝氣生物濾池研究進(jìn)展19-27
• 1.2.5 曝氣生物濾池現(xiàn)存問(wèn)題27
• 1.3 微生物特性研究方法27-29
• 1.3.1 克隆文庫(kù)28
• 1.3.2 DGGE28-29
• 1.3.3 qPCR29
• 1.4 研究目的與內(nèi)容29-32
• 1.4.1 課題的提出29
• 1.4.2 研究目的與意義29-30
• 1.4.3 研究?jī)?nèi)容30-31
• 1.4.4 技術(shù)路線31-32
• 2 材料與方法32-50
• 2.1 試劑與實(shí)驗(yàn)儀器32-33
• 2.1.1 試劑32-33
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器33
• 2.2 污水常規(guī)化學(xué)指標(biāo)測(cè)定方法33-34
• 2.2.1 采樣33
• 2.2.2 水質(zhì)指標(biāo)分析方法33-34
• 2.3 細(xì)菌總 DNA 提取方法的選定34-38
• 2.3.1 生物膜樣品的采集35
• 2.3.2 樣品預(yù)處理35
• 2.3.3 細(xì)菌總 DNA 提取方法35-36
• 2.3.4 三種 DNA 提取方法的綜合分析36-38
• 2.4 PCR 擴(kuò)增方法的分析步驟38-40
• 2.4.1 用于克隆文庫(kù)分析的 PCR 擴(kuò)增38-39
• 2.4.2 用于 DGGE 分析的 PCR 擴(kuò)增39-40
• 2.4.3 用于 DGGE 凝膠條帶回收產(chǎn)物的 PCR 擴(kuò)增40
• 2.5 克隆文庫(kù)方法的分析步驟40-42
• 2.5.1 目的基因的擴(kuò)增與純化41
• 2.5.2 PCR 產(chǎn)物與 T 載體的連接41
• 2.5.3 連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化大腸桿菌41-42
• 2.5.4 陽(yáng)性克隆篩選42
• 2.5.5 質(zhì)粒提取42
• 2.5.6 酶切驗(yàn)證42
• 2.5.7 陽(yáng)性克隆測(cè)序42
• 2.6 DGGE 方法的分析步驟42-44
• 2.6.1 水平膠的制備42-43
• 2.6.2 電泳43
• 2.6.3 染色43-44
• 2.6.4 DGGE 凝膠條帶回收測(cè)序44
• 2.6.5 序列片段分析44
• 2.7 定量 PCR 方法的建立44-50
• 2.7.1 標(biāo)準(zhǔn)品構(gòu)建44-46
• 2.7.2 建立標(biāo)準(zhǔn)曲線46-50
• 3 曝氣生物濾池的處理效能50-74
• 3.1 工程概況50-53
• 3.1.1 麥島污水處理廠簡(jiǎn)介50-52
• 3.1.2 曝氣生物濾池結(jié)構(gòu)52-53
• 3.2 曝氣生物濾池對(duì)污染物的去除效果53-57
• 3.2.1 曝氣生物濾池對(duì) COD 的去除效果54
• 3.2.2 曝氣生物濾池對(duì) NH3-N 的去除效果54-55
• 3.2.3 曝氣生物濾池對(duì) TN 的去除效果55-56
• 3.2.4 曝氣生物濾池對(duì) TP 的去除效果56
• 3.2.5 曝氣生物濾池對(duì) SS 的去除效果56-57
• 3.3 影響曝氣生物濾池處理效能的主要因素分析57-69
• 3.3.1 水力負(fù)荷對(duì)處理效能的影響57-60
• 3.3.2 污染物容積負(fù)荷對(duì)處理效能的影響60-62
• 3.3.3 氣水比對(duì)處理效能的影響62-64
• 3.3.4 溫度對(duì)處理效能的影響64-67
• 3.3.5 反沖洗對(duì)處理效能的影響67-69
• 3.4 有機(jī)物去除動(dòng)力學(xué)研究69-73
• 3.4.1 模型的建立69-70
• 3.4.2 模型的求解70-73
• 3.5 本章小結(jié)73-74
• 4 曝氣生物濾池沿程生化特性研究74-88
• 4.1 采樣74
• 4.2 曝氣生物濾池沿程生化特性變化規(guī)律74-82
• 4.2.1 主要污染物濃度變化規(guī)律74-77
• 4.2.2 生物相構(gòu)成變化規(guī)律77-78
• 4.2.3 總細(xì)菌數(shù)量變化規(guī)律78-79
• 4.2.4 細(xì)菌多樣性變化規(guī)律79-82
• 4.3 曝氣生物濾池脫氮機(jī)理研究82-87
• 4.3.1 各形態(tài)氮素濃度變化規(guī)律82-83
• 4.3.2 硝化細(xì)菌數(shù)量變化規(guī)律83-85
• 4.3.3 曝氣生物濾池脫氮機(jī)理分析85-87
• 4.4 本章小結(jié)87-88
• 5 曝氣生物濾池微生物群落的多樣性研究88-101
• 5.1 采樣88
• 5.2 細(xì)菌總 DNA 提取88-89
• 5.3 基因克隆文庫(kù)構(gòu)建89-92
• 5.3.1 總細(xì)菌 DNA 的 PCR 擴(kuò)增與純化89-90
• 5.3.2 陽(yáng)性克隆篩選測(cè)序90-92
• 5.4 克隆文庫(kù)多樣性的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析92-93
• 5.4.1 文庫(kù)覆蓋率92
• 5.4.2 多樣性指數(shù)92
• 5.4.3 均勻度指數(shù)92-93
• 5.4.4 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)93
• 5.5 系統(tǒng)發(fā)育學(xué)分析93-96
• 5.6 優(yōu)勢(shì)菌屬與功能微生物分析96-100
• 5.6.1 優(yōu)勢(shì)菌屬96-97
• 5.6.2 功能微生物97-100
• 5.7 本章小結(jié)100-101
• 6 曝氣生物濾池微生物群落的穩(wěn)定性研究101-112
• 6.1 氣水比對(duì)曝氣生物濾池群落結(jié)構(gòu)的影響101-104
• 6.1.1 微生物群落結(jié)構(gòu)變化101-104
• 6.1.2 總細(xì)菌菌群密度變化104
• 6.1.3 硝化細(xì)菌菌群密度變化104
• 6.2 溫度對(duì)曝氣生物濾池群落結(jié)構(gòu)的影響104-108
• 6.2.1 微生物群落結(jié)構(gòu)變化105-107
• 6.2.2 總細(xì)菌菌群密度變化107
• 6.2.3 硝化細(xì)菌菌群密度變化107-108
• 6.3 反沖洗對(duì)曝氣生物濾池群落結(jié)構(gòu)的影響108-111
• 6.3.1 微生物群落結(jié)構(gòu)變化108-110
• 6.3.2 總細(xì)菌菌群密度變化110-111
• 6.3.3 硝化細(xì)菌菌群密度變化111
• 6.4 本章小結(jié)111-112
• 7 曝氣生物濾池處理效能與群落結(jié)構(gòu)的關(guān)系112-121
• 7.1 采樣112-113
• 7.2 曝氣生物濾池內(nèi)群落結(jié)構(gòu)分析113-115
• 7.2.1 微生物群落結(jié)構(gòu)變化113-114
• 7.2.2 微生物群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化率114-115
• 7.3 群落結(jié)構(gòu)與處理效能的關(guān)系分析115-120
• 7.3.1 群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系分析115-118
• 7.3.2 群落結(jié)構(gòu)與污染物去除率的關(guān)系分析118-120
• 7.4 本章小結(jié)120-121
• 8 結(jié)論121-123
• 8.1 本文主要結(jié)論121-122
• 8.2 創(chuàng)新點(diǎn)122-123
• 參考文獻(xiàn)123-136
• 附錄1136-137
• 附錄2137-138
• 致謝138-139
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷139
• 發(fā)表的學(xué)術(shù)論文139-140

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一體化曝氣生物濾池在重慶市某污水處理廠的應(yīng)用研究    段秀舉;

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氧化溝與曝氣生物濾池除磷效果比較    鄒映紅;

曝氣生物濾池在污染水處理中的應(yīng)用    齊兵強(qiáng);王占生;

曝氣生物濾池工藝特性及發(fā)展應(yīng)用    邱娜;江建權(quán);

濾池水洗最佳時(shí)間研究    王劼;劉陽(yáng);

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曝氣生物濾池國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用獲成功    傅建設(shè)

曝氣生物濾池技術(shù)國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用成功    傅建設(shè)

水解--曝氣生物濾池污水處理工藝簡(jiǎn)介    安徽國(guó)禎環(huán)保

以高新技術(shù)治理水污染 馬鞍山鋼設(shè)院開(kāi)發(fā)成功曝氣生物濾池    傅建設(shè)

污水處理新技術(shù)――曝氣生物濾池BIOSTYR(r)    彭剛 陳曉華

每年投5億處理城市污水垃圾    記者 李丹丹

秋實(shí)滿枝別樣紅    辛珂　楊慧敏

城市污水深度處理工程月底試運(yùn)行    記者 栗晉波　實(shí)習(xí)生 柳園

我市日處理城市污水15.5萬(wàn)噸    詹慧軍　本報(bào)記者 胡新平

曝氣生物濾池處理城市污水的效能與微生物特性研究    竇娜莎

曝氣生物濾池處理城市生活污水的特性研究及工藝改良    邱珊

曝氣生物濾池處理城市生活污水的特性研究及工藝改良    邱珊

工業(yè)綜合廢水深度處理與污水廠工藝升級(jí)改造研究    林齊

己內(nèi)酰胺廢水的生物脫氮技術(shù)及水資源綜合利用    劉國(guó)華

景觀水體功能恢復(fù)技術(shù)研究及其環(huán)境效益評(píng)價(jià)    孔建

城市水循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式與技術(shù)支持系統(tǒng)    張興文

O_3/BAF聯(lián)合工藝深度處理生活污水二級(jí)出水的研究    王樹(shù)濤

木炭曝氣生物濾池的特性及效能研究    周愛(ài)姣

針織染整廢水深度處理與回用的研究    盧徐節(jié)

曝氣生物濾池預(yù)處理水源水中微囊藻毒素的研究    程起躍

曝氣生物濾池工藝在大慶市八百坰污水處理廠的應(yīng)用    姬克寧

曝氣生物濾池后續(xù)常規(guī)凈水工藝優(yōu)化消毒試驗(yàn)研究    謝觀體

前置反硝化—曝氣生物濾池處理生活污水實(shí)驗(yàn)研究    白慧玲

印染紡織廢水深度處理研究    徐綺坤

兩段式曝氣生物濾池處理含石油廢水的試驗(yàn)研究    韓禎

一體式反硝化曝氣生物濾池處理以工業(yè)廢水為主的城鎮(zhèn)污水之脫氮除磷性能研究    郭福榮

水解酸化—序批式活性污泥法—曝氣生物濾池處理中藥廢水研究    劉斌

基于水頭損失解析的BAF過(guò)濾模式及反沖洗控制研究    陳京英

兩級(jí)曝氣生物濾池在小區(qū)生活污水處理中的應(yīng)用    敖陽(yáng)