發(fā)布時(shí)間：2020-03-26 13:59

【摘要】：環(huán)境雌激素(EEs)是水環(huán)境中一類典型污染物,其顯著特點(diǎn)是濃度低、毒副作用大,存在較大的生態(tài)安全隱患,已成為水環(huán)境生態(tài)保護(hù)的又一重要問(wèn)題。城市污水處理廠(MWWTP)的出水是受納水體補(bǔ)給的重要來(lái)源,亦是水環(huán)境中EEs污染物的主要來(lái)源之一。論文以某大型MWWTP為研究對(duì)象,采用重組基因酵母法檢測(cè)EEs活性、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)檢測(cè)EEs濃度、16S rDNA-PCR擴(kuò)增測(cè)序技術(shù)解析微生物群落多樣性、PICRUSt軟件系統(tǒng)預(yù)測(cè)微生物功能結(jié)構(gòu)等研究,探討活性污泥污水處理(AS)和污泥厭氧消化(AD)兩種生物系統(tǒng)的EEs賦存、去除規(guī)律及微生物群落和功能信息。在低水溫下,選用商用硝化菌作為增效劑,對(duì)AS系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)研究,以考察低溫生物增效技術(shù)對(duì)其硝化功能和EEs活性去除的影響。重組基因酵母法、錦鯉卵黃蛋白原、雄性錦鯉性腺指數(shù)3種生物學(xué)檢測(cè)方法對(duì)污水中EEs活性的檢測(cè)結(jié)果一致,基于生物倫理和便于操控考慮,選用重組基因酵母法檢測(cè)發(fā)現(xiàn),污水樣品中液相EEs活性當(dāng)量占比為93.5%~97.7%。采用GC-MS對(duì)水樣中EEs類化合物檢測(cè)發(fā)現(xiàn),樣品中雙酚A(BPA)、乙炔雌二醇(EE2)、雌酮(E1)和雌二醇(E2)的檢出率分別為100%、33%、28%和17%,未檢出4-正壬基酚(4-n-NP)和4-正辛基酚(4-n-OP),原污水、二沉池出水中BPA濃度分別為611~1420 ng/L和110~406 ng/L,以其作為EEs的主要代表化合物。對(duì)不同季節(jié)的缺氧-厭氧-好氧(A~2O)工藝AS系統(tǒng)的硝化能力、EEs活性去除能力和微生物信息研究發(fā)現(xiàn),冬季低溫時(shí)氨氮和EEs活性(以EEq計(jì))去除率最低,分別為90.6%和76.9%,微生物豐富度和多樣性指數(shù)也最低。不同季節(jié)的活性污泥中,微生物群落多樣性差異較大,在“脂類代謝”和“外源性物質(zhì)的生物降解和新陳代謝”等六個(gè)代謝子路徑變化幅度大于5%,“氨基酸代謝”、“碳水化合物代謝”和“能量代謝”3個(gè)主代謝功能無(wú)明顯差異(變化幅度小于5%)。夏季不同工藝、污泥停留時(shí)間(SRT)和水力停留時(shí)間(HRT)的AS系統(tǒng)硝化能力和EEs活性去除能力大小依次為:A~2O+接觸氧化聯(lián)合工藝(Ⅳ系列)長(zhǎng)SRT和HRT的A~2O工藝(Ⅴ系列)短SRT和HRT的A~2O工藝(Ⅰ系列)。不同工藝、SRT和HRT的AS系統(tǒng)微生物群落多樣性無(wú)明顯差異�；�于已知8個(gè)雌激素降解酶的功能基因,利用已知EEs降解菌、Integrated Microbial GenomesMicrobiomes(IMG)系統(tǒng)和PICRUSt軟件系統(tǒng)對(duì)不同季節(jié)活性污泥16S rDNA-PCR擴(kuò)增測(cè)序結(jié)果進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析,提出“已知EEs降解菌豐度”、“群落優(yōu)勢(shì)菌預(yù)估的EEs降解功能指數(shù)”、“PICRUSt預(yù)測(cè)的EEs降解基因豐度”3種微生物群落EEs降解能力評(píng)估模型,以夏季不同工藝、SRT和HRT的AS系統(tǒng)(Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ系列)測(cè)序結(jié)果分析驗(yàn)證,PICRUSt預(yù)測(cè)的EEs降解基因豐度與實(shí)測(cè)的EEs活性二級(jí)去除效果一致,說(shuō)明該模型適于評(píng)估AS系統(tǒng)微生物EEs降解能力�；旌衔勰�(初沉污泥+濃縮剩余污泥)經(jīng)厭氧消化后的水相中氨氮、總磷和總氮濃度分別是消化前的31、48和23倍,而EEs活性略高于消化前,因此水相的回流不會(huì)加重AS系統(tǒng)的EEs負(fù)荷。AS與AD系統(tǒng)PICRUSt預(yù)測(cè)的EEs降解基因豐度分別為0.174%~0.183%和0.184%~0.202%,基因豐度相近,但因其所處生物反應(yīng)條件不同,AS與AD系統(tǒng)的微生物群落多樣性和主代謝功能“碳水化合物代謝”均存在較大差異�；�于以上研究,為提高污水處理廠對(duì)EEs的總?cè)コ��?在低水溫下,選取對(duì)EEs活性去除效果較差的AS系統(tǒng)作為試驗(yàn)對(duì)象,選用商用硝化菌作為生物增效劑,進(jìn)行硝化和EEs降解能力強(qiáng)化工程試驗(yàn)具有實(shí)際意義。在試驗(yàn)前、投料初期、末期,AS系統(tǒng)對(duì)EEs活性的二級(jí)去除率分別為84.1%、89.2%、89.2%,PICRUSt預(yù)測(cè)的EEs降解基因豐度分別為0.178%、0.185%、0.185%,硝化功能基因指數(shù)分別為0.30、0.33、0.36。試驗(yàn)前、后二沉池出水中氨氮濃度均值分別為15.6 mg/L、4.37 mg/L,亞硝態(tài)氮濃度均值分別為3.97 mg/L、0.41 mg/L,硝態(tài)氮濃度均值分別為5.48 mg/L、15.45 mg/L,氨氮和亞硝態(tài)氮濃度降低,硝態(tài)氮濃度升高。投加硝化菌對(duì)AS系統(tǒng)微生物的主要代謝功能、COD_(Cr)去除效果、污泥產(chǎn)率系數(shù)和微生物相等無(wú)顯著影響,硝化類功能基因指數(shù)提高,亞硝態(tài)氮生物轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的能力提升。EC:1.14.13.-和E1.14.-.-是主要的BPA降解基因,菌劑的投加,AS系統(tǒng)微生物優(yōu)勢(shì)菌群中的BPA第ⅱ類代謝途徑的關(guān)鍵功能基因(E1.14.-.-和E4.2.1)指數(shù)升高。BPA污泥負(fù)荷由8.83ng BPA/kg MLSS?d上升至菌劑投加中期21.06 ng BPA/kg MLSS?d時(shí),仍能夠保持較高的BPA二級(jí)去除率,BPA削減量為105.9 g/d。在EEs降解能力強(qiáng)化試驗(yàn)?zāi)┢?初沉池發(fā)生異常擾動(dòng),造成AS系統(tǒng)揮發(fā)性污泥濃度(MLVSS)與污泥濃度(MLSS)比值由0.75降至0.57,MLSS由2000 mg/L上升至4300mg/L。擾動(dòng)后第12天Ⅰ系列二沉池出水氨氮為1.1 mg/L,AS系統(tǒng)硝化能力恢復(fù)。綜上,在低水溫下,采用硝化菌生物增效方法,能夠提高大型城市污水處理廠AS系統(tǒng)的硝化能力,并能長(zhǎng)期維持在較高水平;提升了對(duì)EEs活性的去除能力,增強(qiáng)了系統(tǒng)抗負(fù)荷擾動(dòng)能力,縮短擾動(dòng)后系統(tǒng)的恢復(fù)期,為生物增效技術(shù)應(yīng)用提供了關(guān)鍵工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
【圖文】：

鄭州大學(xué)博士學(xué)位論文 1 引言量，在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮 EEs 等微量污染物的去除[7]，同時(shí)城市污水處理廠是EEs 進(jìn)入河流和胡泊的主要渠道和重要控制節(jié)點(diǎn)[13]，因此如何優(yōu)化污水處理流程，提高污水處理廠 EEs 去除效率，降低進(jìn)入水體環(huán)境中 EEs 含量成為目前廣大科研人員研究的熱點(diǎn)之一，同時(shí)亦對(duì)污水處理行業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)。1.2 污水中環(huán)境雌激素的來(lái)源和理化性質(zhì)1.2.1 污水中 EEs 的來(lái)源污水中的 EEs 大部分以共軛或自由態(tài)形式存在，主要由人或動(dòng)物的尿和糞便排泄產(chǎn)生。EEs 在水環(huán)境中的循環(huán)詳見(jiàn)圖 1.1。由于地區(qū)的人口結(jié)構(gòu)、研究對(duì)象的年齡和身份、個(gè)體的新陳代謝或者避孕方式等多種因素的不同，造成有關(guān)排泄物中雌激素種類及含量的研究數(shù)據(jù)存在較大差異。E1、E2、EE2、BPA、NP 和 OP 是污水中最常見(jiàn)的 EEs[14]。

圖 1.3 KEGG 列出的 BPA降解途徑圖Figure 1.3 Biodegradation pathway of BPA of KEGG圖 1.3 中 7 種 BPA 降解酶在 IMG 系統(tǒng)中（https://img.jgi.doe.gov/）的基因信息見(jiàn)表 1.6。表 1.6 IMG 系統(tǒng) BPA降解功能基因信息Table 1.6 Informations of BPA degradation functional genes for IMG功能地址 名稱 IMG 解釋EC:1.13.11.41 二羥基苯乙酮加雙氧酶 作用于同分子氧結(jié)合的單供體，結(jié)合兩個(gè)氧原子EC:1.14.13.- 氧化還原酶 結(jié)合或還原作用于成對(duì)供體結(jié)合的氧分子，不需要氧氣。當(dāng)一個(gè)供體為 NADH 或NADPH 時(shí)，需要同一個(gè)氧原子結(jié)合EC:1.14.13.84 對(duì)羥基苯乙酮單加氧酶 同上EC:1.3.- 氧化還原酶 作用于 CH-CH 基團(tuán)EC:3.1.1.2 芳基酯酶 水解酶，作用于酯鍵，羧酸酯水解EC:4.2.1.- 裂解酶 C-O 裂解酶，氫裂合酶E1.14.-
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：X703

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本文編號(hào)：2601540