养猪废水中重金属对UASB工艺及产甲烷菌群的影响研究

【摘要】：随着我国生猪养殖业的飞速发展,日益增多的养猪废水已成为我国主要的农业污染源之一,对很多地区的水体,土壤和大气造成了明显的危害。上流式厌氧污泥床(UASB)是养猪废水处理当中常用的工艺措施,但是,养猪废水中重金属含量在一定程度上抑制了UASB反应器内厌氧微生物的生长和反应活性,加大了反应器启动调试难度,破坏了UASB运行的稳定性,导致UASB处理养猪废水效率下降、实用性能降低。 本文使用两台相同的UASB反应器,在相同的环境和工艺参数下,同时处理养猪废水。实验主要由两个阶段构成。第一阶段研究了从启动调试期到稳定运行过程中,重金属铜、锌、铬的累积对UASB工艺指标的影响；由于第一阶段实验结果明确了重金属锌较强的影响作用,故第二阶段以锌为研究对象,将工艺运行指标与厌氧微生物机理相结合,展开单因素影响实验。通过向UASB反应器进水中添加锌,重点研究了不同浓度梯度锌对UASB产甲烷量和COD去除率的影响,并利用实时荧光定量PCR技术(QPCR),深入探讨了不同锌浓度下、不同时期产甲烷菌群的变化,为锌对UASB工艺的影响提供理论依据。主要结论如下： (1)在处理养猪废水过程中,UASB反应器总磷去除量较为稳定,维持20mg/L-30mg/L; UASB对氨氮没有去除效果；稳定期,UASB对COD的去除率较高,达70%左右,单以COD为衡量标准,可认为UASB是一种处理养猪废水的可行技术。 (2)在UASB整个运行过程中,污泥内Cu2+和Cr3+累积状况较为一致；Zn2+的累积速度最快,累积量最高。最终,污泥中铜和铬的含量均为0.06mg/g左右,是同时期锌累积量(0.95mg/g)的1/15倍。厌氧污泥中锌的累积量对UASB各项指标的影响最为明显,其中,当厌氧污泥中锌含量超过1.22mg/g时,锌会严重阻碍UASB的启动。 (3)锌添加量为5mg/L,10mg/L时,COD去除率和产甲烷量得到提高,即锌对UASB工艺产生了促进作用；当锌添加量超过15mg/l时,COD去除率和产甲烷量出现降低现象,即锌对UASB产生了抑制作用。 (4)未添加锌之前,UASB反应器内甲烷微菌目(Methanomicrobiales, MMB)是优势菌种(60%),甲烷杆菌(Methanobacteriales, MBT)居中,甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales, MSL)(10%)含量较低。当锌添加量小于5mg/L,对三种产甲烷菌都有促进作用。当锌添加量达到10mg/L时,MSL已经出现抑制趋势,MMB和MBT仍然处于促进状态。当外源锌超过15mg/L时,三种产甲烷菌都会受到明显的抑制,其中MMB受到的抑制最明显。在整个实验过程中,甲烷球菌目(Methanococcales, MCC)都未被监测到,即MCC在处理养猪废水的UASB内难以生存。 (5)锌对产甲烷菌的影响情况直接关系到COD去除率和甲烷产量的变化情况。产甲烷菌(尤其MMB)是锌为主要影响因素下决定UASB运行状况的核心因子。在实际工程中,若设定HRT为48h,反应温度为35℃,则可尝试控制养猪废水中锌的浓度低于17.8mg/L,或者培养有锌抗性的MMB菌群,从而实现UASB对养猪废水的高效稳定处理。 【关键词】：16S rRNA基因 UASB Zn~(2+) 产甲烷菌群 厌氧污泥
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X713
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 1 前言10-18
• 1.1 我国养猪废水污染现状10-12
• 1.1.1 我国养猪行业发展状况10-11
• 1.1.2 养猪废水的水质11-12
• 1.2 养猪废水处理技术12-13
• 1.2.1 养猪废水处理技术概况12-13
• 1.2.2 养猪废水厌氧处理技术13
• 1.3 重金属对微生物和厌氧处理的影响13-14
• 1.4 UASB工艺概况14-16
• 1.4.1 UASB工艺简介和特点14-15
• 1.4.2 UASB工艺在养猪废水处理上的应用及研究15-16
• 1.5 产甲烷菌和荧光定量PCR技术16-17
• 1.6 研究内容17
• 1.7 研究目的及意义17-18
• 2 UASB启动调试过程中锌、铜、铬累积对工艺运行的影响18-46
• 2.1 试验材料18-19
• 2.1.1 试验装置18-19
• 2.1.2 试验水质19
• 2.1.3 接种污泥19
• 2.2 试验方法19-21
• 2.2.1 接种方法19-20
• 2.2.2 试验设计20
• 2.2.3 测定项目及方法20-21
• 2.3 结果与分析21-42
• 2.3.1 COD去除21-24
• 2.3.2 总磷去除24-27
• 2.3.3 硝态氮去除27-30
• 2.3.4 氨氮去除情况30-32
• 2.3.5 进出水重金属锌、铜、铬浓度32-37
• 2.3.6 厌氧污泥中重金属锌、铜、铬含量37-42
• 2.4 讨论42-45
• 2.4.1 COD、总磷和氮的去除42-43
• 2.4.2 厌氧污泥中重金属含量和污染物去除效果之间的关系43-44
• 2.4.3 两台UASB反应器的一致性44-45
• 2.5 小结45-46
• 3 重金属锌对UASB处理养猪废水工艺运行的影响46-61
• 3.1 试验材料46-47
• 3.1.1 试验装置46
• 3.1.2 试验水质46
• 3.1.3 厌氧污泥46-47
• 3.2 试验方法47-49
• 3.2.1 试验设计47
• 3.2.2 测定项目及方法47-49
• 3.3 结果与分析49-57
• 3.3.1 COD去除情况49-51
• 3.3.2 产甲烷量的变化51-52
• 3.3.3 产甲烷菌群的变化52-57
• 3.4 讨论57-60
• 3.4.1 锌对COD去除的影响57-58
• 3.4.2 锌对产甲烷量的影响58-59
• 3.4.3 锌对产甲烷菌群的影响59
• 3.4.4 锌对UASB处理养猪废水工艺的影响综合分析59-60
• 3.5 小结60-61
• 4 结论61-62
• 参考文献62-70
• 攻读硕士期间发表文章情况70-71
• 致谢71-72

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