發(fā)布時(shí)間：2020-11-18 05:07

　　 近年來(lái),藥品及個(gè)人護(hù)理用品(Pharmaceuticals and personal care products,PPCPs)這類新興污染物在水體中的殘留成為新的環(huán)境問(wèn)題,特別是一些地表水和城市污水中PPCPs含量達(dá)幾十微克/升甚至更高。污水處理過(guò)程不能有效去除這類污染物,含有PPCPs的污水排入受納水體,給生態(tài)環(huán)境和人類健康帶來(lái)潛在危害。探尋經(jīng)濟(jì)有效的去除污水中PPCPs的處理技術(shù)和工藝已成為水處理研究者當(dāng)前面臨的一個(gè)新挑戰(zhàn),也是水處理領(lǐng)域非常重要的研究課題。具備高效能、成本低、反應(yīng)溫和等顯著優(yōu)勢(shì)的生物處理法,正逐漸成為處理污水中該類物質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)。本研究利用微生物造粒固定化技術(shù),對(duì)兩種生物處理工藝去除污水中5種抗菌消炎PPCPs污染物的效能進(jìn)行考察,并從微生物分子生態(tài)學(xué)水平探討反應(yīng)體系中微生物群落結(jié)構(gòu)演替和種群多樣性特征,對(duì)污染物的去除機(jī)制進(jìn)行深入研究。通過(guò)優(yōu)化的工藝條件參數(shù),在序批式顆�；�生物反應(yīng)器(GSBR)和好氧顆粒污泥-膜生物反應(yīng)器(GMBR)工藝中培養(yǎng)并獲得好氧顆粒污泥(AGS)。在GSBR體系中最終形成表面光滑、輪廓清晰、淡黃色顆粒,生物量累積3.8g/L,粒徑1.0~4.0mm的顆粒污泥占污泥總體積的80%,顆粒污泥的沉速與粒徑正相關(guān),表現(xiàn)出良好的沉降性,微生物活性高。顆粒污泥中分泌的類蛋白質(zhì)促進(jìn)了污泥顆粒的形成和疏水性作用,成熟顆粒污泥含水率保持在96.7%~97.6%之間,明顯低于絮體污泥。而在GMBR體系中,最終形成表面光滑、質(zhì)地柔軟、米�；虿灰�(guī)則橢圓狀的土黃色顆粒,粒徑為1.0~3.0mm的顆粒污泥占污泥總體積的58.6%,生物量累積達(dá)5.1g/L,顆粒污泥沉降性能優(yōu)于普通活性污泥。在已經(jīng)成功培養(yǎng)獲得好氧顆粒污泥的體系中,選取5種抗菌消炎PPCPs作為目標(biāo)污染物,考察GSBR和GMBR兩種工藝對(duì)5種物質(zhì)的去除效能和工藝運(yùn)行穩(wěn)定性。結(jié)果表明,在含有PPCPs的污水體系中顆粒污泥能夠較好地穩(wěn)定運(yùn)行,但5種目標(biāo)物的去除效果存在差異。GSBR工藝潑尼松龍的去除效果明顯,平均去除率84%,萘普生、磺胺甲惡唑和諾氟沙星的去除率分別達(dá)70.5%、75.7%和79.8%,而布洛芬的去除率僅為45%。GMBR工藝對(duì)常規(guī)污染物和PPCPs的去除效果均有提高,顆粒吸附、生物降解與超濾膜截留對(duì)污水中幾種污染物的整體去除率有貢獻(xiàn)。其中對(duì)潑尼松龍、諾氟沙星、萘普生的去除效果較為理想,去除率分別提高至98.5%、87.8%和84%。對(duì)磺胺甲惡唑和布洛芬的去除率較前三種藥物去除率略有降低。污泥顆�；�進(jìn)程提高了GMBR工藝對(duì)有機(jī)物的去除效率,COD去除率維持在90%左右,TP去除率逐漸提升至92%,TN去除率近95%,NH4+-N去除率保持在90%以上。此外,考察了污泥齡(SRT)與胞外多聚物(EPS)對(duì)工藝穩(wěn)定運(yùn)行中膜污染的影響,結(jié)果表明,GMBR體系有較強(qiáng)的抗膜污染能力,EPS中蛋白質(zhì)含量的增多維持了好氧顆粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,對(duì)反應(yīng)體系的膜污染有一定的緩解作用。進(jìn)一步考察了好氧顆粒污泥對(duì)兩種代表性有機(jī)物磺胺甲惡唑(SMZ)和萘普生(NPS)的吸附和降解作用。研究表明,好氧顆粒污泥對(duì)兩種藥物的去除是一個(gè)化學(xué)吸附和緩慢生物降解的過(guò)程。在相同條件下,初始濃度為10mg/L時(shí),SMZ和NPS的生物降解占好氧顆粒去除該物質(zhì)的比例分別是59.4%和41.3%,表明顆粒污泥對(duì)SMZ的生物降解更明顯。Freundlich吸附等溫模型能較好地描述兩種物質(zhì)與顆粒污泥間的相互作用;準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型較好擬合了好氧顆粒污泥對(duì)兩種物質(zhì)的吸附過(guò)程,可以猜測(cè)它們之間的吸附是一個(gè)物理-化學(xué)吸附過(guò)程。利用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)-變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)和高通量測(cè)序?qū)�兩種工藝的微生物群落演替和種群多樣性進(jìn)行分析,解析多層次多種微生物的作用規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn),GSBR和GMBR工藝的微生物群落演替具有明顯的差異性,出現(xiàn)各自的功能性優(yōu)勢(shì)種群。硬壁菌(Firmicutes)、亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)和嗜水氣單胞菌屬(Aeromonas)是兩種工藝降解藥物過(guò)程起重要作用的關(guān)鍵功能菌群,它們屬于抗藥性基因的攜帶者,這些微生物的存在可保證體系較高的污染物去除效率。GMBR工藝在不同水平上微生物的優(yōu)勢(shì)菌群數(shù)量較GSBR豐富,其物種豐度和多樣性有明顯提高,說(shuō)明污水中抗菌消炎PPCPs藥物的去除是體系內(nèi)多種微生物的共代謝協(xié)同和增效作用,耐藥性強(qiáng)的微生物菌群的出現(xiàn)使得反應(yīng)體系能夠穩(wěn)定運(yùn)行。本論文研究成果將對(duì)我國(guó)城市污水行業(yè)由水體單一控制COD向生態(tài)安全保障方面的轉(zhuǎn)移發(fā)揮積極作用,對(duì)有效處理含抗菌消炎PPCPs藥物的污水具有重要意義。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：X703
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 PPCPs污染現(xiàn)狀及其主要處理工藝
        1.1.1 我國(guó)PPCPs污染現(xiàn)狀
        1.1.2 含PPCPs污水處理工藝與技術(shù)
        1.1.3 PPCPs有機(jī)污染物的去除機(jī)理分析
    1.2 好氧顆粒污泥技術(shù)應(yīng)用于水處理的研究現(xiàn)狀
        1.2.1 好氧顆粒污泥特性
        1.2.2 好氧顆粒污泥形成過(guò)程的影響因素
        1.2.3 好氧顆粒污泥的形成機(jī)制及代謝模型
        1.2.4 好氧顆粒污泥微生物特性
        1.2.5 好氧顆粒污泥技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
    1.3 好氧顆粒污泥-膜生物反應(yīng)器應(yīng)用于水處理的研究進(jìn)展
        1.3.1 膜生物反應(yīng)器處理技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展
        1.3.2 膜生物反應(yīng)器處理技術(shù)研究中存在的問(wèn)題
        1.3.3 好氧顆粒污泥-膜生物反應(yīng)器處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
    1.4 微生物分子生態(tài)學(xué)技術(shù)研究進(jìn)展
        1.4.1 PCR-DGGE技術(shù)分析群落演替
        1.4.2 熒光原位雜交技術(shù)分析群落結(jié)構(gòu)
        1.4.3 高通量測(cè)序分析種群多樣性
    1.5 本研究的目的和主要內(nèi)容
        1.5.1 本研究的目的和意義
        1.5.2 本研究的主要內(nèi)容與技術(shù)路線
第2章 實(shí)驗(yàn)材料與方法
    2.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器
        2.1.1 污泥接種與培養(yǎng)
        2.1.2 試劑與水樣
        2.1.3 儀器設(shè)備
        2.1.4 其他標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)
    2.2 反應(yīng)裝置與運(yùn)行條件
        2.2.1 好氧顆粒污泥序批式反應(yīng)器（GSBR）
        2.2.2 好氧顆粒污泥-膜生物反應(yīng)器（GMBR）
        2.2.3 PPCPs的吸附和降解
    2.3 分析方法
        2.3.1 常規(guī)指標(biāo)測(cè)定
        2.3.2 樣品前處理方法
        2.3.3 PPCPs及代謝產(chǎn)物分析
        2.3.4 顆粒污泥理化性質(zhì)分析
        2.3.5 微生物群落結(jié)構(gòu)與功能基因分析
第3章 處理含PPCPs污水的GSBR工藝的啟動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)行
    3.1 引言
    3.2 GSBR工藝的啟動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)行
        3.2.1 污泥顆粒化培養(yǎng)過(guò)程
        3.2.2 好氧顆粒污泥形成機(jī)理
        3.2.3 好氧顆粒污泥的特性
        3.2.4 不同污泥微生物代謝產(chǎn)物
        3.2.5 綜合污染物的去除情況
    3.3 GSBR工藝處理含PPCPs污水的效能與機(jī)制
        3.3.1 好氧顆粒污泥的性能變化
        3.3.2 污染物的去除效能分析
        3.3.3 好氧顆粒污泥對(duì)兩種PPCPs物質(zhì)的去除機(jī)制探討
    3.4 本章小結(jié)
第4章 GMBR工藝穩(wěn)定性及處理含PPCPs污水的效能
    4.1 引言
    4.2 GMBR中好氧顆粒污泥的培養(yǎng)及穩(wěn)定化運(yùn)行
        4.2.1 好氧顆粒污泥的形成
        4.2.2 好氧顆粒污泥的特性
        4.2.3 常規(guī)污染物的去除情況
    4.3 GMBR工藝處理含PPCPs污水的效能及影響因素
        4.3.1 好氧顆粒污泥的性能變化
        4.3.2 好氧顆粒污泥的除污效能分析
        4.3.3 污水中抗菌消炎PPCPs的降解效果影響因素分析
        4.3.4 好氧顆粒污泥系統(tǒng)對(duì)綜合污染物的去除效果
    4.4 本章小結(jié)
第5章 GSBR和GMBR工藝微生物群落特征比較及除污染機(jī)理分析
    5.1 引言
    5.2 兩種工藝污染物去除效能比較
        5.2.1 常規(guī)污染物處理效果比較與討論
        5.2.2 目標(biāo)污染物去除效果對(duì)比
    5.3 微生物群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化
        5.3.1 基于PCR-DGGE解析微生物群落結(jié)構(gòu)變化
        5.3.2 基于高通量測(cè)序揭示微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能
        5.3.3 微生物群落特征比較
    5.4 微生物種群多樣性和豐富度比較
        5.4.1 基于高通量測(cè)序分析微生物的種群多樣性
        5.4.2 微生物種群多樣性比較
    5.5 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果
縮略詞索引
致謝
個(gè)人簡(jiǎn)歷

【共引文獻(xiàn)】

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1 張瑞;雍曉雨;周俊;吳美容;王舒雅;閆志英;陳怡露;鄭濤;;分子生物學(xué)技術(shù)在產(chǎn)甲烷古菌多樣性研究中的應(yīng)用[J];江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué);2015年01期

本文編號(hào)：2888352