论文部分内容阅读
地下水是很多国家和地区的重要饮用水源,但是由于农业生产中化肥的大量使用以及生活污水、动物粪便的排放,近年来地下水中硝酸盐的浓度逐渐升高,严重危及人类健康。传统的物理化学处理方法费用较高,生物反硝化由于其专一性、费用低、速率高等特点而备受关注。然而,生物反硝化机理的研究多集中在自然环境,有关生物反应器反硝化脱氮分子机理的研究还少有报道。论文考察了水力停留时间、碳氮比、溶解氧和温度约束下反硝化生物滤池的氮转化速率,定性定量解析了氮转化微生物群落和反硝化功能基因的演化规律,建立了总细菌、古细菌、厌氧氨氧化菌以及反硝化功能基因narG、napA、nirK、nirS、qnorB、nosZ与氮转化速率的定量响应关系。主要成果如下: (1)在HRT、COD/NO3--N、DO和温度适宜的情况下,反硝化生物滤池去除NO3￠-N的效率达到99％,TN的去除率达到92％,可实现地下水高效反硝化脱氮。当HRT由4.0h降至0.5h时,NO3￠-N的转化速率由24.9gm-3升至123.1gm-3h-1,提高了4倍;当COD/NO3--N由3.0降至0.65时,NO3￠-N的转化速率下降57％;在0.1mg L-1＜DO≤2.0mg L-1或3.0mg L-1≤DO≤6.0mg L-1情况下,NO3￠-N的转化速率比缺氧条件分别下降16％和8％;当温度由30.0℃降至20.0℃时,NO3￠-N的转化速率下降21％,降至5.0-15.0℃时,NO3￠-N的转化速率仅下降4％,反硝化生物滤池具有很好的耐低温冲击能力。 (2)冗余分析表明,试验条件下,nirK、qnorB、nosZ与HRT正相关,总细菌、古细菌、厌氧氨氧化菌、narG、napA与HRT负相关;总细菌与COD/NO3--N正相关,其它基因和菌群与COD/NO3--N均呈负相关;古细菌、厌氧氨氧化菌、nosZ与DO正相关,总细菌、nirK与DO负相关;qnorB与温度正相关,其它菌群和基因与温度均呈负相关。 (3)逐步回归分析表明,:HRT约束下,narG是TN转化速率的关键限速基因,而NO3￠-N的转化速率、NO3￠-N、NO-N和。N2O-N的累积速率则受限于narG、napA、nirK、nirS、nosZ、总细菌、古细菌等两种或多种功能基因菌群的联合作用;COD/NO3--N约束下,narG是TN转化速率和NO3￠-N累积速率的关键限速基因,而其它形态氮的转化速率与功能基因的相关性较差;DO约束下,nirK是NO3￠-N累积速率和TN转化速率的关键限速基因,NO3￠-N转化速率及NO-N、N2O-N、NH4+-N的累积速率则受限于nirK、nirS、qnorB、nosZ中的两种或多种功能基因的联合作用;温度约束下,qnorB是NO3￠-N累积速率的关键限速基因,narG是NO3￠-N累积速率的关键限速基因,而NO3￠-N和TN的转化速率受限于qnorB和nosZ的联合作用。 (4)在HRT、COD/NO3--N、DO和温度适宜的情况下,反硝化生物滤池均培养出变形菌纲的反硝化菌,主要菌群包括拟杆菌属、丛毛单胞菌属、芽孢杆菌属、假单胞菌属、黄杆菌属、陶厄氏菌属、红环菌属、红球菌属等,以及具有异化硝酸盐还原能力的梭菌属和厌氧氨氧化能力的浮霉菌属。HRT约束下,主要菌群为拟杆菌属和丛毛单胞菌属;耐受低COD/NO3--N的菌群为Pseudacidovorax sp.和Azospira sp.;耐受高溶解氧的菌群为陶厄氏菌属、芽孢杆菌属和微小杆菌属;耐受低温的菌群为微小杆菌属。