铁锰离子对生物膜及其胞外聚合物的作用规律研究

发布时间：2017-10-03 11:14

  本文关键词：铁锰离子对生物膜及其胞外聚合物的作用规律研究

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【摘要】：随着社会和工业的快速发展,越来越多的水体中出现不同浓度的铁锰离子。目前,它们在废水生物处理中的影响研究主要集中于活性污泥体系,而对生物膜系统的影响研究较少。生物膜法因其具有复杂的微生态系统、高有机负荷率和强抗冲击能力等诸多优势而获得广泛应用,胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances, EPS)作为微生物聚集体的重要组成部分,对保持生物膜微观结构和功能的完整性起着关键作用。水中不同浓度金属离子的存在可能会刺激微生物产生应激反应,短时间内改变胞外聚合物组分特性,使生物膜的微观形态结构发生明显变化,进而影响生物膜系统的传质性和稳定性。因此,本文通过自主设计固定床生物膜反应器(Fixed Bed Biofilm Reactor, FBBR),以金属离子Fe3+和Mn2+为研究对象,并结合扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)等技术手段,系统研究Fe3+和Mn2+对生物膜的微观形态结构、降解活性及其EPS组分的作用规律,探索生物膜及其EPS与Fe3+和Mn2+间的作用机制。研究结果表明：(1)采用间歇运行方式在FBBR中进行挂膜,反应器pH、DO、CODcr和NH3-N的监测结果表明,该设计能在PVC载体上成功培养出生物膜,反应器运行1 0天左右完成挂膜,挂膜期间反应器运行效果稳定,pH和DO分别保持在6.8～7.8和2-6mg/L, CODcr和NH3-N去除率可以分别稳定在80%和75%以上。镜检结果显示生物膜具有丰富的生物相,反应器呈现良好的挂膜效果。(2)Fe3+可以通过直接影响微生物生理或者间接影响EPS组分对生物膜的形成和活性产生重要作用。生物量和降解活性的结果显示,2 mg/L Fe3+有助于生物膜的形成,而16 mg/L Fe3+明显抑制了生物膜的生长和活性。扫描电镜结果显示16mg/L Fe3+使生物膜上丝状菌的数量明显减少,并刺激EPS的大量分泌。生物膜EPS组分分析表明,2 mg/L Fe3+有利于溶解性EPS(SEPS)和松散附着型EPS(LB-EPS)的增加并促进微生物的聚集,而16mg/L Fe3+会刺激紧密粘附型EPS (TB-EPS)的大量分泌,这为微生物提供保护层但也引起了生物膜的阻塞。FTIR和XPS结果显示铁离子对EPS中蛋白质(PN)的-CONH-、多糖(PS)的C-O以及核酸中的磷酸基团产生重要影响,并与EPS基团的碳原子或氧原子产生架桥作用。(3)Mn2+可以通过其营养学作用,Mn2+与EPS间的架桥作用以及含锰化合物作为载体和诱导核心的作用,促进生物膜形成,增强生物膜致密性,并加速生物膜成熟。在生物膜成熟期连续投加10mg/L Mn2+对一个周期内生物膜的降解活性影响很小,反应器CODcr和NH3-N去除率分别达到85.4±1.5%和76.3±1.9%。生物膜不同类型EPS含量的变化表明,Mn2+不仅能够促进生物膜产生更多的TB-EPS,保护微生物免受伤害,而且还会加速生物膜的成熟和提高生物膜去除有机物的稳定性。锰离子对EPS官能团的作用与铁离子类似,其会与EPS基团O=C或C-O中的氧原子产生架桥作用。
【关键词】：铁离子 锰离子 生物膜 胞外聚合物
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 选题背景及意义14
• 1.2 水中铁锰来源及影响14-15
• 1.3 生物膜15-20
• 1.3.1 生物膜的形成及影响因素15-17
• 1.3.2 生物膜的组成、形态和结构17-19
• 1.3.3 生物膜的种群构成及分布特征19-20
• 1.3.4 生物膜的吸附和降解作用20
• 1.4 胞外聚合物(EPS)20-26
• 1.4.1 EPS的组成和结构21
• 1.4.2 EPS的提取和表征21-23
• 1.4.3 EPS的作用和特性23-24
• 1.4.4 影响EPS产生的因素24-26
• 1.5 铁锰离子对废水生物处理的影响26-28
• 1.5.1 铁锰离子对活性污泥的影响26
• 1.5.2 铁锰离子对生物膜的影响26-28
• 第二章 研究内容与方法28-34
• 2.1 研究内容28-30
• 2.1.1 研究技术路线28-29
• 2.1.2 反应器设计与运行29-30
• 2.2 实验材料30-32
• 2.3 分析方法32-34
• 2.3.1 生物膜量分析32
• 2.3.2 水质监测和生物膜镜检32
• 2.3.3 EPS提取及定量分析32-33
• 2.3.4 生物膜微观形态分析33
• 2.3.5 EPS光谱学分析33-34
• 第三章 反应器挂膜运行规律34-39
• 3.1 材料和方法34
• 3.2 结果与讨论34-38
• 3.2.1 pH和DO的变化34-35
• 3.2.2 生物膜的形态观察35-37
• 3.2.3 CODcr和NH_3-N的去除37-38
• 3.3 本章小结38-39
• 第四章 铁离子对生物膜及其EPS的影响39-48
• 4.1 材料和方法39-40
• 4.2 结果与讨论40-47
• 4.2.1 铁离子对生物膜生长的影响40-42
• 4.2.2 铁离子对生物膜降解活性的影响42
• 4.2.3 铁离子对生物膜EPS组成的影响42-44
• 4.2.4 铁离子对生物膜EPS官能团的影响44-47
• 4.3 本章小结47-48
• 第五章 锰离子对生物膜及其EPS的影响48-58
• 5.1 材料和方法48-49
• 5.2 结果与讨论49-57
• 5.2.1 锰离子对生物膜生长的影响49-51
• 5.2.2 锰离子对生物膜降解活性的影响51-52
• 5.2.3 锰离子对生物膜EPS组成的影响52-55
• 5.2.4 锰离子对生物膜EPS官能团的影响55-57
• 5.3 本章小结57-58
• 第六章 结论与展望58-60
• 6.1 结论58-59
• 6.2 创新点59
• 6.3 不足与展望59-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-69
• 附录A 攻读学位期间发表的研究成果69
• 附录B 攻读学位期间参与的科研项目69-70
• 附录C 蛋白质、多糖和DNA的测定方法70-72

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