应用聚丁二酸丁二醇酯进行固相反硝化的效果及机理研究

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应用可生物降解聚合物(Biodegradable polymers,BDPs)材料进行水体反硝化是一项新兴技术,它能同时提供反硝化微生物所需要的附着生长载体和碳源,而且能避免液体碳源和其他类型固体碳源所带来的二次污染问题,具有良好的发展前景和研究潜力。聚丁二酸丁二醇酯(poly(butylene succinate),PBS)是可生物降解聚合物材料中的佼佼者。为了解PBS应用于循环养殖水体反硝化的效果和机理,本实验进行了以下几个方面的研究:PBS用于淡水反硝化的效果及机理研究。以锥形瓶为反应容器,进行了淡水硝酸盐废水脱氮的静态实验研究,并利用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳技术(Polymerase chain reaction- denaturing gradient gel electrophoresis,PCR-DGGE),分析反应进行的不同阶段(5天,10天,15天,20天)PBS颗粒表面生物膜中微生物群落的结构与变化。结果表明,实验开始4天后NO3--N浓度开始明显降低,同时NO2--N浓度开始上升。之后NO3--N浓度一直在波动中降低,而NO2--N浓度出现先上升后下降的现象,中间有一段时间的积累(第4~20天)。20天后NO3--N浓度降到2 mg/L以下,并保持稳定。同时,从第21天起NO2--N浓度降低到检测范围以下。对DGGE图谱的统计分析表明,随反应的进行,细菌种群丰富度逐渐增加,且相邻两时期的相似性逐渐增大。微生物群落结构具有时序动态性,并随系统的启动运行逐渐趋于稳定和成熟,与其脱氮效果出现协同变化特征。优势种群以β-变形菌纲(56.25%)和γ-变形菌纲(31.25%)细菌为主。PBS用于海水反硝化的效果及机理研究。以锥形瓶为反应容器,进行了海水硝酸盐废水脱氮的静态实验研究,并利用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳技术(Polymerase chain reaction- denaturing gradient gel electrophoresis,PCR-DGGE),分析反应进行的不同阶段(11天,21天,31天)PBS颗粒表面生物膜中微生物群落的结构与变化。结果表明,实验开始7天后NO3--N浓度开始明显降低,同时NO2--N浓度开始上升。之后NO3--N浓度一直平稳降低,而NO2--N浓度出现先上升后下降的现象,中间有一段时间的积累(第7~20天)。21天后NO3--N浓度降到0.1 mg/L以下,并保存稳定。同时,从第21天起NO2--N浓度降低到检测范围以下。与淡水类似,对DGGE图谱的统计分析表明,随反应的进行,细菌种群丰富度随时间变化逐渐增加(0.476→0.571→0.667),且相邻两时期的相似性逐渐增大(33.3→54.5→61.5)。微生物群落结构具有时序动态性,并随系统的启动运行逐渐趋于稳定和成熟,与其脱氮效果出现协同变化特征。优势种群以γ-变形菌纲细菌(66.67%)和α-变形菌纲细菌(16.67%)为主。用PBS构建连续式脱氮反应器进行反硝化的相关研究。以PBS作为反硝化微生物的碳源和附着生长载体构建连续式反应器,进行了反硝化效果,填料消耗情况,不同高度微生物群落空间变化等的研究。结果表明,当HRT控制在8小时左右时,反应器运行2天后出水NO3--N浓度即开始明显降低,并从第10天起稳定在98%以上,其间仅在第16天由于进水NO3--N浓度加倍使当天去除率略有降低(96.03%)。反应器最佳硝氮去除率达到99.7%以上(第19,24天)。同时,反应器启动后短时期内NO2--N浓度迅速升高,并有一段时间的积累(第1~8天)。从第9天起,出水NO2--N浓度降至检测范围以下,并保持稳定。与硝氮类似,仅在第16天出现暂时性上升。反应器运行30天后,位于反应器底部的PBS质量减少最多,为23.4%;其次为中部,为3.7%;上部的质量减少最小,仅为0.2%。反应器稳定运行后,不同高度处的DGGE分离图谱表明,反应器内微生物群落结构存在空间差异,为不同位置PBS的质量损耗差异提供了微生物层面的证明。反应器稳定运行后,其填料颗粒表面的扫描电镜照片表明,PBS外表面在降解菌体内酶的降解作用下,形成了多级孔状结构及大量空洞。
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