耐受酚类污染物生物抑制的硝化污泥的定向驯化和作用机制

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随着国民经济的高速发展,城市污水和工业废水的排放量急剧增加,废水处理压力不断提高。大多数城镇污水处理厂在实际运行过程中都会通过市政管网接纳一些含有酚类污染物的工业废水。工厂正常运行时,所排放的工业废水均需经过一定程度的处理,达到排放标准后再纳入市政管网。然而工业原材料成分波动、企业污水处理设施故障等突发情况往往会导致未经有效处理的工业废水排入城镇污水处理系统。硝化反应是整个污水处理过程中至关重要的一环。由于污水处理系统中的硝化细菌生长缓慢且易受外界因素影响,当受到工业废水中酚类污染物的冲击后,其生物活性会受到严重抑制,甚至失活,短时间内难以有效恢复,从而导致出水NH4+–N浓度超标,造成重大污水处理事故。为减轻含酚废水对城镇污水处理厂硝化能力的冲击,开展有效的预防工作,研究驯化一种具有抵御酚类污染物冲击能力的硝化污泥,并探讨其相关的机理具有重要的理论和现实意义。本研究选取苯酚和2,4,6-三氯酚(2,4,6-Trichlorophenol,TCP)这两种普遍存在于化工行业废水中典型的酚类有毒有机物作为研究对象,分别驯化了既能抵御苯酚和TCP冲击,又能保持较高硝化速率的硝化污泥。由于有毒污染物的冲击往往是突发的,本论文针对这一情况对经过驯化的硝化污泥是否对苯酚或TCP具有持续抵御的能力开展了研究,并探讨了相关机理。本文主要研究结果包括:(1)驯化得到了能抵御苯酚和TCP抑制的硝化污泥。分别用苯酚和TCP对普通硝化污泥进行近2个月的生物驯化后获得了能耐受苯酚和TCP的硝化污泥。与普通硝化污泥相比,驯化污泥突然受到苯酚和TCP冲击时,仍具有较好的硝化能力。具体的,当初始浓度为4.2 mM苯酚加入到驯化污泥时,硝化速率略有下降(约32%),但可以有效地降解苯酚。而普通硝化污泥的硝化能力则几乎完全丧失。苯酚去除后,驯化污泥的硝化能力立即得到恢复;而普通污泥即使经过一周恢复培养,其硝化能力也仅达到正常情况的53%。当加入浓度为0.28 mM的TCP时,驯化污泥的硝化速率是普通污泥的2.3倍,且驯化污泥同时具有降解TCP的能力。TCP去除后,驯化污泥的硝化能力经一周的培养可以完全恢复,而普通污泥仅恢复了71%;(2)研究发现经苯酚和TCP驯化的硝化污泥能够持续抵御苯酚和TCP的生物抑制。间隔一周、两周和一个月后向驯化污泥系统中投加苯酚或TCP(间隔期不加)时,发现经苯酚和TCP驯化的硝化污泥在较长时间内能够持续耐受苯酚和TCP的负荷冲击,保持其硝化能力,同时还具有苯酚或TCP降解能力。具体的,间隔为一周或两周向苯酚或TCP驯化的污泥系统中投加苯酚或TCP时,它们的硝化速率均未发生明显下降。虽然间隔一个月再次受到冲击时它们的硝化能力略有下降,但经过一周的培养恢复期几乎能恢复到初始硝化速率;(3)经苯酚和TCP驯化的硝化污泥经过传代培养后仍具有降解苯酚和TCP的能力。驯化污泥在没有苯酚或TCP存在的条件下,以葡萄糖为碳源,传代培养了5代污泥,它们仍具有同时降解苯酚或TCP和NH4+–N的能力;(4)分析了经苯酚或TCP驯化的硝化污泥的微生物群落。高通量测序分析结果表明,驯化污泥能够耐受苯酚或TCP抑制的主要原因是微生物群落的多样性。苯酚或TCP驯化的硝化污泥中除了含有硝化细菌外,还富集了苯酚或TCP降解菌,从而缓解了苯酚或TCP对硝化细菌的冲击抑制作用。在传代培养过程中,第一代、第三代和第五代污泥的微生物群落对比分析结果显示,苯酚降解菌、TCP降解菌和硝化细菌始终存在,只是起到关键作用的异养菌种类和丰度发生了变化。微生物的种间协作使得驯化污泥具有长期耐受目标污染物冲击的能力;(5)提出了快速恢复受苯酚或TCP抑制的普通硝化污泥硝化活性的方法。通过投加一定比例经苯酚或TCP驯化的硝化污泥可以有效增强系统去除苯酚或TCP的能力,快速恢复其硝化能力。
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