發(fā)布時(shí)間：2020-11-19 18:18

　　 厭氧消化技術(shù)作為一種既能去除污染物又能產(chǎn)生能源的廢水生物處理手段,以其能耗低、運(yùn)行費(fèi)用省、產(chǎn)生甲烷以回收能源等特點(diǎn)而被認(rèn)為是一種可持續(xù)的廢水處理技術(shù)。但迄今為止,在如何提高反應(yīng)器傳質(zhì)效率、維持系統(tǒng)穩(wěn)定性、降低出水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等方面,依然有很多科學(xué)問題需要深入探索,其中兩個(gè)重要的限制因素是:(1)厭氧微生物聚集體與生物氣微氣泡的作用機(jī)制尚不清楚,這對(duì)優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)有著重要的理論意義;(2)以納米材料為代表的新型污染物與厭氧微生物聚集體的作用機(jī)制尚未完全揭示,這對(duì)維持反應(yīng)器穩(wěn)定、降低出水風(fēng)險(xiǎn)具有重要的實(shí)際指導(dǎo)意義。因此,本研究圍繞上述兩個(gè)瓶頸問題,利用沖擊射流技術(shù)與氣泡探針原子力顯微鏡技術(shù)解析厭氧微生物聚集體與生物氣微氣泡的作用規(guī)律;從微生物群落、細(xì)胞、基因等水平闡述厭氧微生物聚集體與聚苯乙烯納米顆粒(PS-NPs)的作用機(jī)制,以期為厭氧反應(yīng)器的優(yōu)化與穩(wěn)定運(yùn)行提供一定的理論指導(dǎo)。(1)解析了厭氧顆粒污泥與生物氣微氣泡間的作用規(guī)律。沖擊射流實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在雷諾數(shù)為40-140的范圍內(nèi),CH4與CO2氣泡在厭氧顆粒污泥上的標(biāo)準(zhǔn)化黏附通量隨著雷諾數(shù)的增加而減小,該黏附通量與厭氧顆粒污泥的接觸角、疏水性官能團(tuán)數(shù)量成正比。蛋白廢水厭氧顆粒污泥具有疏水性更高的表面,在相同的雷諾數(shù)下,CH4和CO2氣泡在蛋白廢水厭氧顆粒污泥上的黏附通量大于其在啤酒廢水厭氧顆粒污泥上的黏附通量。氣泡探針原子力顯微鏡技術(shù)用于解析厭氧顆粒污泥與生物氣微氣泡之間的黏附作用力,結(jié)果表明CH4和CO2氣泡與蛋白廢水厭氧顆粒污泥的黏附作用力顯著大于其與啤酒廢水厭氧顆粒污泥的黏附作用力(p0.01)。(2)闡釋了不同電荷PS-NPs對(duì)厭氧顆粒污泥性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明,相比于磺酸基修飾的表面帶有負(fù)電荷的PS-NPs(PS-SO3H),氨基修飾的表面帶有正電荷的PS-NPs(PS-NH2))對(duì)厭氧顆粒污泥的產(chǎn)氣性能具有更強(qiáng)的抑制作用。但是,這種抑制作用在第二個(gè)作用周期中就會(huì)恢復(fù)。兩種不同電荷的PS-NPs均能夠改變EPS的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu),并穿透EPS層,進(jìn)入?yún)捬躅w粒污泥內(nèi)部。16S rRNA測(cè)序結(jié)果表明,多種產(chǎn)甲烷菌屬的相對(duì)豐度在兩種電荷PS-NPs作用的第一個(gè)周期中降低,而在第二個(gè)作用周期中又明顯回升。與產(chǎn)甲烷相關(guān)的兩類產(chǎn)甲烷功能基因(mcrA和ACAS基因)也表現(xiàn)出了相似的變化規(guī)律。(3)基于Methanosarcia acetivorans C2A 對(duì) PS-NPs 的響應(yīng),探索了 PS-NPs與厭氧絮狀污泥的作用機(jī)制。為了提高PS-NPs在復(fù)雜環(huán)境樣品中的襯度,合成了鈀摻雜的PS-NPs(Pd-PS),與空白組相比,Pd-PS能夠降低厭氧絮狀污泥的甲烷產(chǎn)量。加入Pd-PS后,厭氧絮狀污泥EPS中的蛋白類物質(zhì)和多糖的含量都有所降低,但Pd-PS主要與EPS中的蛋白類物質(zhì)相互作用。由于Pd-PS降低了產(chǎn)甲烷菌屬的相對(duì)豐度,產(chǎn)甲烷菌Me硫anosarcina acetivorans C2A被選來進(jìn)一步探究了 Pd-PS與厭氧絮狀污泥的作用機(jī)制。結(jié)果表明,Pd-PS雖然沒有明顯抑制M acetivorans C2A的生長(zhǎng),但降低了該菌的產(chǎn)甲烷量。通過多種功能基因的分析表明,Pd-PS主要通過抑制M acetivorans C2A中甲醇到甲烷代謝通路,從而達(dá)到抑制其產(chǎn)甲烷量的目的。(4)研究了 PS-NPs對(duì)厭氧微生物聚集體中抗性基因水平轉(zhuǎn)移規(guī)律的影響。從生活污水處理廠微塑料表面的生物膜中鑒定出了qnrA、sull、cmlA等6種抗生素抗性基因,其中整合子(intIl)的存在表明生物膜中的抗性基因具有發(fā)生水平轉(zhuǎn)移的能力。以Escherichia coli J53為受體菌,研究了與移動(dòng)遺傳元件密切相關(guān)的磺胺類抗性基因sull的接合轉(zhuǎn)移,結(jié)果表明生物膜上的sull水平轉(zhuǎn)移到了E.coli J53中,且其水平轉(zhuǎn)移頻率顯著高于污水處理廠中污泥樣品的水平轉(zhuǎn)移頻率(p0.05)。比較基因組學(xué)結(jié)果表明,sull的水平轉(zhuǎn)移使E.coli J53獲得了整合子信息,但并未改變其代謝功能。研究還發(fā)現(xiàn),PS-NPs通過破壞厭氧絮狀污泥中細(xì)菌的細(xì)胞膜,增加其細(xì)胞膜通透性,從而促進(jìn)厭氧絮狀污泥中的sull向環(huán)境微生物的水平轉(zhuǎn)移。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

ａｒｔｏｈｙｄｒａｔｃｓ，?ｆａｔｓ，?—￣￣＜???Ｄａｃｋ－ｎａｌ?ｍａｓｓ?／?＾」??ｐｒｏｔｅｉｎ?＼?Ｐｒｏｐｉｏｎｉｃ?ａｃｉｄ．?！?／????Ｎ?ｂｕｔｙｒｉｃ?ａｃｉｄ．?ｊ?丨?（，〇：?｜／??ｖａｒｉｏｕｓ?ａｌｃｏｈｏｌｓ．?￣＾?ａｃｅｎｃａＪｉｄ??ａｎｄ?ｏｔｈｅｒ????ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ??Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｖｅ?ｂａｃｔｅｒｉａ?Ａｃｃｔｏｇｃｎｉｃ?ｂａｃｔｅｒｉａ?Ｍｃｔｈａｎｏｇｃｎｉｃ?ｂａｃｔｅｒｉａ??圖１－１厭氧消化的三階段｜５］??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｅ?ｔｈｒｅｅ－ｓｔａｇｅ?ｏｆ?ａｎａｅｒｏｂｉｃ?ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ．??１．１．２厭氣反應(yīng)器??厭氧反應(yīng)器是厭氧消化技術(shù)的重要表現(xiàn)形式，發(fā)展歷史上共經(jīng)歷了三次變革，??先后推行了三代厭氧反應(yīng)器。??（１）第－代厭氧反應(yīng)器??第一代厭氧反應(yīng)器采用將污泥和廢水完個(gè)混合的方式，沒有專門設(shè)置污泥持??留，具有相等的污泥停留時(shí)間（ＳＲＴ）和水力停留時(shí)間（ＨＲＴ），有機(jī)負(fù)荷低，成??為／厭氧反應(yīng)器進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。其中的典型代表是普通厭氧消化池和高速厭??氧消化器（圖１－２）?［６］。??Ｉ?Ｉ?Ｇａｓ?ｒｅｍｏｖａｌ?Ｇａｓ?ｒｅｍｏｖａｌ??Ｑｕｔｉｃｉ?＇??Ｉｎｌｅｔ?Ｓｕｐｅｍａｕｎｔ?——?Ｉｎｌｃｔ??１?Ｉ?＜??＼?Ｊ??＾＾ＦＳｏＩｍＩｓ?｜??■?ｗｉｔｈｄｒａｗａｌ?［?Ｉ?Ｏｕｔｌｅｔ??圖１－２常規(guī)（左）和髙速率（右）污泥消化器ｍ??Ｆｉｇ．?１－２?Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ?（ｌｅｆｔ）?ａｎｄ?ｈｉｇｈ?ｒａｔｅ?（ｒｉｇｈｔ）?ｓｌｕ

ａｒｔｏｈｙｄｒａｔｃｓ，?ｆａｔｓ，?—￣￣＜???Ｄａｃｋ－ｎａｌ?ｍａｓｓ?／?＾」??ｐｒｏｔｅｉｎ?＼?Ｐｒｏｐｉｏｎｉｃ?ａｃｉｄ．?！?／????Ｎ?ｂｕｔｙｒｉｃ?ａｃｉｄ．?ｊ?丨?（，〇：?｜／??ｖａｒｉｏｕｓ?ａｌｃｏｈｏｌｓ．?￣＾?ａｃｅｎｃａＪｉｄ??ａｎｄ?ｏｔｈｅｒ????ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ??Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｖｅ?ｂａｃｔｅｒｉａ?Ａｃｃｔｏｇｃｎｉｃ?ｂａｃｔｅｒｉａ?Ｍｃｔｈａｎｏｇｃｎｉｃ?ｂａｃｔｅｒｉａ??圖１－１厭氧消化的三階段｜５］??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｅ?ｔｈｒｅｅ－ｓｔａｇｅ?ｏｆ?ａｎａｅｒｏｂｉｃ?ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ．??１．１．２厭氣反應(yīng)器??厭氧反應(yīng)器是厭氧消化技術(shù)的重要表現(xiàn)形式，發(fā)展歷史上共經(jīng)歷了三次變革，??先后推行了三代厭氧反應(yīng)器。??（１）第－代厭氧反應(yīng)器??第一代厭氧反應(yīng)器采用將污泥和廢水完個(gè)混合的方式，沒有專門設(shè)置污泥持??留，具有相等的污泥停留時(shí)間（ＳＲＴ）和水力停留時(shí)間（ＨＲＴ），有機(jī)負(fù)荷低，成??為／厭氧反應(yīng)器進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。其中的典型代表是普通厭氧消化池和高速厭??氧消化器（圖１－２）?［６］。??Ｉ?Ｉ?Ｇａｓ?ｒｅｍｏｖａｌ?Ｇａｓ?ｒｅｍｏｖａｌ??Ｑｕｔｉｃｉ?＇??Ｉｎｌｅｔ?Ｓｕｐｅｍａｕｎｔ?——?Ｉｎｌｃｔ??１?Ｉ?＜??＼?Ｊ??＾＾ＦＳｏＩｍＩｓ?｜??■?ｗｉｔｈｄｒａｗａｌ?［?Ｉ?Ｏｕｔｌｅｔ??圖１－２常規(guī)（左）和髙速率（右）污泥消化器ｍ??Ｆｉｇ．?１－２?Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ?（ｌｅｆｔ）?ａｎｄ?ｈｉｇｈ?ｒａｔｅ?（ｒｉｇｈｔ）?ｓｌｕ

二代厭氧反應(yīng)器??隨著生物發(fā)酵工程的進(jìn)一步發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)到反應(yīng)器內(nèi)要持留大量的活性厭??氧污泥，６０年代末，厭氧濾池（Ａｎａｅｒｏｂｉｃ?Ｆｉｌｔｅｒ，ＡＦ）的發(fā)明是厭氧反應(yīng)器的重??要發(fā)展突破［８］。而７０年代以來，荷蘭農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境系Ｌｅｔｔｉｎｇａ等發(fā)展的升流式厭??氧污泥床反應(yīng)器（Ｕｐ－ｆｌｏｗａｎａｅｒｏｂｉｃｓｌｕｄｇｅｂｅｄ，即ＵＡＳＢ）是厭氧處理的最大突??破［９１而ＵＡＳＢ反應(yīng)器是目前應(yīng)用最廣泛的厭氧反應(yīng)器，據(jù)估計(jì)，全球?qū)⒔�８０�??的厭氧廢水處理系統(tǒng)基于ＵＡＳＢ技術(shù)圖１－３顯示了?ＵＡＳＢ的結(jié)構(gòu)圖，廢水??從反應(yīng)器底部進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)器主體是無填料的空容器，其中含有大量的厭氧??污泥，由于廢水以一定流速自下而上流動(dòng)以及厭氧過程產(chǎn)生的大量生物氣的攪拌??作用，廢水與厭氧污泥充分混合，有機(jī)質(zhì)被吸附降解，所產(chǎn)生的生物氣由反應(yīng)器??上部的三相分離器的集氣室排出反應(yīng)器，含有厭氧污泥的廢水進(jìn)入三相分離器的??沉降區(qū)，由于生物氣己經(jīng)從廢水中分離出去，沉降區(qū)不再受到生物氣的攪拌作用，??沉降性能良好的污泥沉降返回反應(yīng)器主體部分，從而保證了反應(yīng)器內(nèi)具有較高的??污泥濃度。??Ｂｉｏｇａｓ??－，??Ｇａｓ?ｂｕｂｂｌｅ?Ｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄ－ｓｏｌｉｄ??、一?ｓｅｐａｒａｔｏｒ??一?？??．．．＊?＊１?．?Ｉ?ＵＡＳＢ??一??Ｂａｆｆｌｅ??？？？？?？？?＊．?？．?？．?？?■??？?■?．?．?．、?？?＾??Ｓｌｕｄｇｅ?ｂｌａｎｋｅｔ??．?■．?．．．??Ｉｎｆｌｕｅｎｔ???圖１－３?ＵＡＳＢ反應(yīng)器示意圖〃１］??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓｃｈ
【參考文獻(xiàn)】

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1 許敬亮,高勇生,陳立偉,陳軍,李順鵬;運(yùn)行負(fù)荷對(duì)酶制劑廢水厭氧顆粒污泥形成的影響[J];環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào);2005年03期

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1 季軍遠(yuǎn);分段組合式厭氧生物反應(yīng)器工作性能的研究[D];浙江大學(xué);2013年

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1 劉峰;厭氧顆粒污泥的培養(yǎng)與性能研究[D];西安理工大學(xué);2019年

2 李楠;延邊地區(qū)低溫產(chǎn)甲烷菌富集與鑒定及應(yīng)用初探[D];延邊大學(xué);2019年

3 席鴻遠(yuǎn);增強(qiáng)型UASB反應(yīng)器數(shù)值模擬計(jì)算研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2013年

4 曹先仲;厭氧反應(yīng)器快速啟動(dòng)方法試驗(yàn)研究[D];長(zhǎng)安大學(xué);2009年

本文編號(hào)：2890310