曝气生物滤池处理城市污水的效能与微生物特性研究

【摘要】：水体污染是我国面临的重要环境问题，而城市污水是我国水体的重要污染源，生物处理是解决城市污水问题最有效的方法。曝气生物滤池（BAF）作为第三代生物膜法的代表工艺之一，在城市污水二级处理中有良好的应用前景。微生物是生物处理系统中污染物去除的主要功能生物，深入研究其微生物群落结构与功能，对认识处理系统的本质、提高处理效率以及控制系统的稳定性具有重要意义。基于培养和分离纯化的传统技术已经无法满足对环境微生物群落结构研究的要求，本研究以青岛麦岛污水处理厂BAF为研究对象，综合使用多种分子生物学手段，包括核酸提取、分子克隆文库构建、16S rDNA序列同源性分析、聚合酶链式反应（PCR）、变性梯度凝胶电泳（DGGE）和荧光定量PCR技术，分析BAF系统中的微生物特性，研究了影响BAF群落结构稳定性的因素，初步探索了微生物群落结构与系统处理效能的关系。 青岛市麦岛污水处理厂采用曝气生物滤池处理城市污水，对主要污染物COD、NH3-N、TP和SS的年平均去除率分别为89.1%、75.3%、83.4%和93.0%，处理效能稳定，出水水质能够达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级B排放标准，显示了该工艺具有良好的污水处理能力。对Biostyr曝气生物滤池处理城市污水的关键影响因素的研究结果表明，当滤池进水COD和NH3-N质量浓度分别为60-260mg/L和22-65mg/L时，最佳运行参数是：水力负荷2.5-3.3m~3/m~2.h；COD容积负荷小于3.3kg/m~3.d；氨氮负荷小于0.6kg/m~3.d；气水比5:1；温度15-28℃，反冲洗时间21-24h。建立了曝气生物滤池有机物去除动力学模型： C/C_0=e~(0.0118H/q~(-0.9423)) 微生物种群分布表明，沿程优势微生物依次分别为异养菌和硝化菌，微生物组成和活性的不同导致BAF各段对不同污染物的去除能力不同，BAF降解COD的最佳填料层高度为0-150cm，硝化NH3-N的最佳填料层高度为100-350cm，0-100cm段的填料层对SS的去除率贡献最大。 曝气生物滤池生物膜的细菌多样性结果表明BAF生物膜中细菌多样性十分丰富，按照优势类群依次β-proteobacterium类群（占38.6%），γ-proteobacterium类群（占18.2%），Bacteroidetes类群（占13.6%），-proteobacterium类群（占9.1%），-proteobacterium类群、Nitrospirae类群（各占4.5%）和Firmicutes类群（占2.3%）。BAF中主要的有机物去除功能菌是食酸假单胞菌、球衣菌、黄单胞菌和黄杆菌；亚硝化细菌为亚硝化单胞菌，硝化细菌为硝化螺菌；主要的反硝化细菌为生丝微菌和丛毛单胞菌。 对气水比、温度和反冲洗对BAF群落结构的影响分析结果表明，BAF具有良好的生态稳定性，在气水比为5:1生境下滤池内流态稳定，生物膜结构合理，出水水质最佳；低温（T＜15℃）会影响到BAF菌群多样性，使滤池内优势菌群变得单一，但是这种单一的优势菌群能够维持BAF的稳定运行；聚类分析表明反冲洗作为影响因子极大地影响着BAF的群落结构，因此，控制好滤池的反冲洗强度和频率是BAF高效运行的关键环节。 除趋势典范对应分析(DCCA)结果表明，气水比、反冲洗和水温是影响BAF群落结构的主要的环境因子，COD去除率、氨氮去除率、总磷去除率和硝态氮浓度对BAF内物种的影响显著（P0.001），其中COD去除率与群落结构的相关性较大，为-0.7947（P0.001），而亚硝态氮浓度与排序轴没有达到统计学上的相关性，与BAF中微生物群落结构演替没有明显关系。 【关键词】：曝气生物滤池 城市污水 处理效果 生物群落 群落演替
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X703;X172
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 1 绪论14-32
• 1.1 水环境污染与治理14-17
• 1.1.1 中国水污染现状14-15
• 1.1.2 城市污水特征15-16
• 1.1.3 城市污水处理技术16-17
• 1.1.4 城市污水处理现状17
• 1.2 曝气生物滤池技术17-27
• 1.2.1 曝气生物滤池的起源与发展17-18
• 1.2.2 曝气生物滤池工作原理18-19
• 1.2.3 曝气生物滤池工艺特点19
• 1.2.4 曝气生物滤池研究进展19-27
• 1.2.5 曝气生物滤池现存问题27
• 1.3 微生物特性研究方法27-29
• 1.3.1 克隆文库28
• 1.3.2 DGGE28-29
• 1.3.3 qPCR29
• 1.4 研究目的与内容29-32
• 1.4.1 课题的提出29
• 1.4.2 研究目的与意义29-30
• 1.4.3 研究内容30-31
• 1.4.4 技术路线31-32
• 2 材料与方法32-50
• 2.1 试剂与实验仪器32-33
• 2.1.1 试剂32-33
• 2.1.2 实验仪器33
• 2.2 污水常规化学指标测定方法33-34
• 2.2.1 采样33
• 2.2.2 水质指标分析方法33-34
• 2.3 细菌总 DNA 提取方法的选定34-38
• 2.3.1 生物膜样品的采集35
• 2.3.2 样品预处理35
• 2.3.3 细菌总 DNA 提取方法35-36
• 2.3.4 三种 DNA 提取方法的综合分析36-38
• 2.4 PCR 扩增方法的分析步骤38-40
• 2.4.1 用于克隆文库分析的 PCR 扩增38-39
• 2.4.2 用于 DGGE 分析的 PCR 扩增39-40
• 2.4.3 用于 DGGE 凝胶条带回收产物的 PCR 扩增40
• 2.5 克隆文库方法的分析步骤40-42
• 2.5.1 目的基因的扩增与纯化41
• 2.5.2 PCR 产物与 T 载体的连接41
• 2.5.3 连接产物转化大肠杆菌41-42
• 2.5.4 阳性克隆筛选42
• 2.5.5 质粒提取42
• 2.5.6 酶切验证42
• 2.5.7 阳性克隆测序42
• 2.6 DGGE 方法的分析步骤42-44
• 2.6.1 水平胶的制备42-43
• 2.6.2 电泳43
• 2.6.3 染色43-44
• 2.6.4 DGGE 凝胶条带回收测序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 标准品构建44-46
• 2.7.2 建立标准曲线46-50
• 3 曝气生物滤池的处理效能50-74
• 3.1 工程概况50-53
• 3.1.1 麦岛污水处理厂简介50-52
• 3.1.2 曝气生物滤池结构52-53
• 3.2 曝气生物滤池对污染物的去除效果53-57
• 3.2.1 曝气生物滤池对 COD 的去除效果54
• 3.2.2 曝气生物滤池对 NH3-N 的去除效果54-55
• 3.2.3 曝气生物滤池对 TN 的去除效果55-56
• 3.2.4 曝气生物滤池对 TP 的去除效果56
• 3.2.5 曝气生物滤池对 SS 的去除效果56-57
• 3.3 影响曝气生物滤池处理效能的主要因素分析57-69
• 3.3.1 水力负荷对处理效能的影响57-60
• 3.3.2 污染物容积负荷对处理效能的影响60-62
• 3.3.3 气水比对处理效能的影响62-64
• 3.3.4 温度对处理效能的影响64-67
• 3.3.5 反冲洗对处理效能的影响67-69
• 3.4 有机物去除动力学研究69-73
• 3.4.1 模型的建立69-70
• 3.4.2 模型的求解70-73
• 3.5 本章小结73-74
• 4 曝气生物滤池沿程生化特性研究74-88
• 4.1 采样74
• 4.2 曝气生物滤池沿程生化特性变化规律74-82
• 4.2.1 主要污染物浓度变化规律74-77
• 4.2.2 生物相构成变化规律77-78
• 4.2.3 总细菌数量变化规律78-79
• 4.2.4 细菌多样性变化规律79-82
• 4.3 曝气生物滤池脱氮机理研究82-87
• 4.3.1 各形态氮素浓度变化规律82-83
• 4.3.2 硝化细菌数量变化规律83-85
• 4.3.3 曝气生物滤池脱氮机理分析85-87
• 4.4 本章小结87-88
• 5 曝气生物滤池微生物群落的多样性研究88-101
• 5.1 采样88
• 5.2 细菌总 DNA 提取88-89
• 5.3 基因克隆文库构建89-92
• 5.3.1 总细菌 DNA 的 PCR 扩增与纯化89-90
• 5.3.2 阳性克隆筛选测序90-92
• 5.4 克隆文库多样性的统计学分析92-93
• 5.4.1 文库覆盖率92
• 5.4.2 多样性指数92
• 5.4.3 均匀度指数92-93
• 5.4.4 优势度指数93
• 5.5 系统发育学分析93-96
• 5.6 优势菌属与功能微生物分析96-100
• 5.6.1 优势菌属96-97
• 5.6.2 功能微生物97-100
• 5.7 本章小结100-101
• 6 曝气生物滤池微生物群落的稳定性研究101-112
• 6.1 气水比对曝气生物滤池群落结构的影响101-104
• 6.1.1 微生物群落结构变化101-104
• 6.1.2 总细菌菌群密度变化104
• 6.1.3 硝化细菌菌群密度变化104
• 6.2 温度对曝气生物滤池群落结构的影响104-108
• 6.2.1 微生物群落结构变化105-107
• 6.2.2 总细菌菌群密度变化107
• 6.2.3 硝化细菌菌群密度变化107-108
• 6.3 反冲洗对曝气生物滤池群落结构的影响108-111
• 6.3.1 微生物群落结构变化108-110
• 6.3.2 总细菌菌群密度变化110-111
• 6.3.3 硝化细菌菌群密度变化111
• 6.4 本章小结111-112
• 7 曝气生物滤池处理效能与群落结构的关系112-121
• 7.1 采样112-113
• 7.2 曝气生物滤池内群落结构分析113-115
• 7.2.1 微生物群落结构变化113-114
• 7.2.2 微生物群落结构动态变化率114-115
• 7.3 群落结构与处理效能的关系分析115-120
• 7.3.1 群落结构与环境因子的关系分析115-118
• 7.3.2 群落结构与污染物去除率的关系分析118-120
• 7.4 本章小结120-121
• 8 结论121-123
• 8.1 本文主要结论121-122
• 8.2 创新点122-123
• 参考文献123-136
• 附录1136-137
• 附录2137-138
• 致谢138-139
• 个人简历139
• 发表的学术论文139-140

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

A~2/O工艺污水处理厂的主要能耗点识别及节能途径    李鹏峰;郑兴灿;孙永利;杨敏;隋克俭;

曝气生物滤池的工艺特性及运行控制    刘灿灿;沈耀良;

16S rDNA克隆文库法分析Biostyr曝气生物滤池处理城市污水的细菌多样性研究    窦娜莎;王琳;

我国水环境污染现状及其防治    陈宜菲;

影响添加反硝化聚磷菌的SBR脱氮除磷主要因素    吴守中;陈立伟;钱丽花;李鹏;蔡天明;

珠三角地区A~2O工艺和倒置A~2O工艺运行效果研究    陆日明;苏伟健;

曝气生物滤池技术研究进展    熊志斌;邵林广;

A~2/O工艺强化脱氮效果中试研究    马艳娜;王素兰;李瑞;邢传宏;

微生物系统发育多样性及其保护生物学意义    田春杰,陈家宽,钟扬

中小型污水处理厂现状分析及对策    孙向群;

中国水污染现状及防治对策    江曙光;

保水剂对苗期番茄根际土壤微生物数量及土壤酶活性的影响    崔娜;张玉龙;曲波;白丽萍;杨红;

自热式高温好氧消化工艺在中小型城市污水厂的应用前景    程洁红;戴界红;罗胜利;

曝气生物滤池深度处理石化废水试验研究    代秀兰;刘峰;黄彭;王凤娜;

曝气生物滤池工艺在大连马栏河污水处理厂二期工程中的应用    苏静;张新洋;

组合工艺对农村生活污水中氮磷的去除效果    徐芝芬;李金城;莫德清;阙光龙;李文文;孙鑫;苏春良;黄朗妃;

气水比对高分子填料BAF脱氮效能的影响    卜静;陆平;徐国勋;吴晓坤;陈超;鲁剑;

折流式BAF/稳定塘工艺处理小城镇污水的效果分析    翟俊;阮雨;占宏;郭大敬;

改性沸石净化废水中有机物的研究    杨浠羽;杨吉丽;王黎瑾;

城市污水氧化沟处理工艺设计    李艳霞;张亮;

自然式高温好氧消化工艺及其在中小型城市污水厂的应用前景    程洁红;周全法;孔峰;戴界红;

广东省水安全的现状、对策及保障技术    于丽芳;

污泥厌氧消化过程中乙酸累积的微生态机理研究    许科伟

一般时变Gause-型捕食者—食饵动力系统的持续一致生存性及水华发生机制的动力模型研究    罗金火

城市污水处理厂中氨氧化菌及细菌群落结构与功能研究    王晓慧

工业综合废水深度处理与污水厂工艺升级改造研究    林齐

厌氧好氧生物滤池组合工艺处理城市污水脱氮效能研究    胡宏博

有机无机肥配施对土壤微生物与养分动态及作物生长的影响研究    张玉平

应用分子生物学技术解析不同处理状况下土壤微生物群落结构的变化    赵勇

珍稀植物四合木分布区特有土壤微生物区系研究    李骁

红树林土壤细菌和古菌的16S rDNA多样性研究    阎冰

云南省植原体株系及其相关病害的多样性研究    蔡红

曝气生物滤池处理城市污水的主要影响因素及细菌多样性研究    窦娜莎

曝气生物滤池新型陶粒滤料处理乳品废水的研究    董燕

前置反硝化UBAF处理城市污水脱氮性能研究    陈利娜

慈溪城河生态修复治理技术研究    楼雪聪

曝气生物滤池预处理水源水中微囊藻毒素的研究    程起跃

典型PPCPs降解菌的筛选及其在曝气生物滤池中的应用    杨兴

智能控制序批式生物膜反应器运行性能影响因素的研究    丁大虎

高压放电等离子体对水中偶氮染料活性红195的去除研究    陈颖

化学混凝—两级BAF强化处理低温城市污水研究    卢伟

北极海水中可培养寡营养细菌多样性研究    和振花

两种填料在曝气生物滤池中处理生活污水的对比研究    肖文胜;

曝气生物滤池中硝化活性的热不稳定性(英文)    谢曙光,张晓健,王占生

曝气生物滤池(BAF)的发展与现状    张薇,史开武,孔惠

我国地下水污染现状与防治对策研究    罗兰;

浅析水污染治理工程中存在的问题    石丽华,王永华

球衣菌属的研究概况    陈接锋,许旭萍,李惠珍

乙酰磺胺酸钾生产废水处理工艺运行评价及优化    薛张辉;李勇;陈小萍;宋为利;黄卫一;

气浮—曝气生物滤池工艺处理印染废水    李玉华,赵可,霍明昕

加填料A~2O/混凝沉淀法处理酒店污水    龚丽雯,龚敏红,王成云,陈建湘,李京会

Fenton试剂强化铁炭微电解预处理高浓有机废水    李德生;谭磊;王宝山;徐东辉;

反硝化除磷脱氮机理及工艺研究    王亚宜

A～2/O工艺污水生物脱氮特性分析与～（15）N标识技术试验研究    刘亮

曝气生物滤池在微污染水处理中的应用    赵攀;王强;

创新促发展 特色造品牌——记发展中的马鞍山市华骐环保科技发展有限公司    本刊记者;

曝气生物滤池在生活污水处理中的应用    李炜;杨云龙;高富丽;

曝气生物滤池在中水回用中的应用现状    张怡然;吴立波;付丽霞;翟利芳;

曝气生物滤池处理城市污水的中试研究    边喜龙;鲍立新;李建政;

曝气生物滤池概述    曹国欣;

间歇曝气对曝气生物滤池影响的试验研究    李强;张学洪;魏彩春;陆燕勤;

东城区污水处理厂扩建工程工艺试运行的探讨    车继芳;

厌氧-曝气生物滤池组合工艺处理城市污水厂沉砂池出水    唐标文;王文元;白少元;陈留金;

小区生活污水中水回用设计    林岚;

给水曝气生物滤池配水系统方案的优化    张勇;徐鸿魁;席欣欣;卫达;

一体化曝气生物滤池在重庆市某污水处理厂的应用研究    段秀举;

曝气生物滤池处理养殖污水的试验研究    陈强;黎中宝;张艳艳;王晨晨;王超;于凌宇;

氧化沟与曝气生物滤池除磷效果比较    邹映红;

曝气生物滤池在污染水处理中的应用    齐兵强;王占生;

曝气生物滤池工艺特性及发展应用    邱娜;江建权;

滤池水洗最佳时间研究    王劼;刘阳;

曝气生物滤池在生活污水处理中的技术应用    郑家麒;

基于PLC的粗放控制系统在曝气生物滤池污水处理中的应用    凌霄;胡勇有;

曝气生物滤池在处理炼油废水中的应用    赵小亮;裴丽;

曝气生物滤池首获成功    本报记者 陈群 本报通讯员 傅建设

曝气生物滤池国内首次应用获成功    傅建设

曝气生物滤池技术国内首次应用成功    傅建设

水解--曝气生物滤池污水处理工艺简介    安徽国祯环保

以高新技术治理水污染 马鞍山钢设院开发成功曝气生物滤池    傅建设

污水处理新技术――曝气生物滤池BIOSTYR(r)    彭刚 陈晓华

每年投5亿处理城市污水垃圾    记者 李丹丹

秋实满枝别样红    辛珂　杨慧敏

城市污水深度处理工程月底试运行    记者 栗晋波　实习生 柳园

我市日处理城市污水15.5万吨    詹慧军　本报记者 胡新平

曝气生物滤池处理城市污水的效能与微生物特性研究    窦娜莎

曝气生物滤池处理城市生活污水的特性研究及工艺改良    邱珊

曝气生物滤池处理城市生活污水的特性研究及工艺改良    邱珊

工业综合废水深度处理与污水厂工艺升级改造研究    林齐

己内酰胺废水的生物脱氮技术及水资源综合利用    刘国华

景观水体功能恢复技术研究及其环境效益评价    孔建

城市水循环经济模式与技术支持系统    张兴文

O_3/BAF联合工艺深度处理生活污水二级出水的研究    王树涛

木炭曝气生物滤池的特性及效能研究    周爱姣

针织染整废水深度处理与回用的研究    卢徐节

曝气生物滤池预处理水源水中微囊藻毒素的研究    程起跃

曝气生物滤池工艺在大庆市八百垧污水处理厂的应用    姬克宁

曝气生物滤池后续常规净水工艺优化消毒试验研究    谢观体

前置反硝化—曝气生物滤池处理生活污水实验研究    白慧玲

印染纺织废水深度处理研究    徐绮坤

两段式曝气生物滤池处理含石油废水的试验研究    韩祯

一体式反硝化曝气生物滤池处理以工业废水为主的城镇污水之脱氮除磷性能研究    郭福荣

水解酸化—序批式活性污泥法—曝气生物滤池处理中药废水研究    刘斌

基于水头损失解析的BAF过滤模式及反冲洗控制研究    陈京英

两级曝气生物滤池在小区生活污水处理中的应用    敖阳