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结合微生物群落结构分析研究进样方式对糖蜜酒精废水厌氧处理的影响

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摘要

第一章 前言

1.1 糖蜜酒精的产生及其性质

1.2 糖蜜酒精废水的影响

1.3 糖蜜酒精废水的处理

1.3.1 厌氧生物处理

1.3.2 厌氧装置

1.3.3 好氧处理

1.3.4 理化处理

1.3.5 不同进样方式下的处理

1.4 微生物群落结构

1.4.1 传统方法

1.4.2 磷脂脂肪酸方法(PLFA)

1.4.3 分子生物学技术

1.5 研究目的和意义

第二章 材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 实验原料

2.1.2 反应器制作及设备仪器

2.2 厌氧接触反应器的接种及运行

2.3 发酵罐各项参数的监测及方法

2.3.1 溶解性化学需氧量(sCOD)的测定

2.3.2 VFA测定

2.3.3 色度测定及去除率计算

2.3.4 沼气含量的测定

2.3.5 pH测定

2.4 污泥中宏基因组提取

2.5 16S rRNA基因V3-V4区的高通量测序分析

2.5.1 测序

2.5.2 信息分析部分

3.1 sCOD变化

3.2 产气量变化

3.3 pH值变化

3.4 VFA变化

3.5 色度去除率变化

3.6 微生物群落结构分析

3.6.1 污泥样品宏基因组DNA的提取

3.6.2 测序数据处理

3.6.3 稀释曲线和等级聚类曲线

3.6.4 Alpha Diversity(α多样性)

3.6.5 物种注释

第四章 总结与讨论

4.1 厌氧发酵结果分析

4.2 微生物群落结构和多样性分析

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况

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摘要

利用糖蜜在生产酒精过程中会产生大量的糖蜜酒精废水,该废水有机物含量高,难以处理,给企业和环境都带来了巨大的环保压力。本试验采用自制厌氧反应器装置,利用脉冲进样和半连续进样两种不同的进水方式对糖蜜酒精废水进行处理,比较两种处理工艺的效果,并分析发酵过程中微生物的生态结构及变化,为寻求高效经济的废水处理工艺奠定基础。
  本研究试验在实验室小试条件下进行,发酵温度为室温,采用用自制简易厌氧反应器,反应器工作体积为4L,反应过程中不额外添加营养物质,进样方式为脉冲式进样(10 min进样完)和半连续进样(22 h进样完),每个处理设3个重复。反应器起始容积负荷(OLR)均为1 gCOD/(L·d),试验过程中通过增加废水浓度来增加OLR。第一阶段在实验室前期基础上以糖蜜酒精废水和猪粪废水的混合废水(COD之比为3∶2)作为发酵原料,第二阶段,以单一的糖蜜酒精废水作为底物。研究数据表明当OLR为1-9gCOD/(L·d)时,水力停留时间为8天时,两种不同进样方式下的废水处理效果相差并不大。当容积负荷为3 gCOD/(L·d),sCOD去除率最大,其中脉冲进样方式sCOD去除率达到74.94%±0.45%,半连续进样方式sCOD去除率为73.58%±1.7%。以混合废水为底物,容积负荷为8 gCOD/(L·d)时,当日产气量最大。脉冲进样方式的当日最大产气量为10650 mL±220 mL,半连续进样方式的当日最大产气量为10410 mL±120 mL。两种两样方式对色度的去除效果一般。
  采用高通量测序技术和生物统计分析解析了不同进样方式下不同时期的微生物群落结构。测序结果Q30大于96%,证明测序结果较为可信。稀释性曲线接近平滑,说明测序深度足够。OTU聚类分析后数据显示,B1和B2的的OTU数量分别为2063和1950。C1和C2的OTU数量分别为1739和2071。D1和D2的OTU数量分别为1874和1769。E1和E2的OTU数量分别为1331和1704。同时比较了不同进样方式下,同时期不同阶段的α多样性。结果表明多样性数值和丰度相差不大。物种注释结果说明在门和属分类水平上,两种进样方式下的丰度前10的物种基本相同。比较了关键物种丰度上差别,数据显示不同进样方式下关键菌群的相对丰度数值有一定差别。不同进样方式下反应器对废水处理效果相近,说明微生物群落功能冗余。反应器处理效果不佳阶段的污泥和起始污泥相比,变形菌门和Smithella属的相对丰度减少较多,而Sedimentibacter属的相对丰度增加了很多。

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