论文题目：活性污泥耦合高级氧化处理工艺对工业废水水质及毒性的影响研究
摘要：随着我国工业的迅速发展,工业废水排放量逐年上升,据报道2018年达到了 200亿吨。工业废水由于其本身特性,含有多种化合物,如药物、有机物、重金属、个人护理品理等多种新兴污染物,可能对水环境或人类具有潜在的不利影响。但由于缺乏针对废水排放的基于毒性评价指标的规范化管理,我们对于废水毒性及可能的影响知之甚少。工业废水大量集中在废水处理厂,因此,近年来对于废水处理厂的集中化处理中各个处理阶段的水质毒性及毒性降解、变化情况引起了公众的广泛的关注。本研究通过采用基于毒理基因组学的全细胞酵母细胞微阵列检测技术来评价某工业废水处理厂进水及进水经各个处理单元出水样本水质的毒性状况（包括水样中有机组分毒性、重金属组分毒性以及非挥发组分（即综合毒性））,此方法能够得到检测目标暴露下所挑选的功能基因的更为详细的蛋白表达效应水平,可以更精确的了解检测样本的毒性机制和作用模式,此外,此毒性评价方法还能够利用细胞的功能基因的应激反应的改变程度采用蛋白表达效应水平指数（PELI值）来定量描述检测样本的毒性水平,这对我们了解工业废水在废水处理厂长流程处理工艺下的毒性变化情况有很好的指导意义。本研究进一步对废水处理厂各个处理阶段的水质的常规参数、水质指纹（如有机碳及有机氮分子量分布、荧光组分物质）、生物处理单元的活性污泥常规参数及生物酶活性、以及活性污泥样本中微生物代谢产物与胞外聚合物的有机组分含量、有机碳、有机氮分子量分布特征与荧光组分特征等多项指标进行了测定,同时测定了水样及活性污泥中的抗生素抗性基因（ARGs）丰度,并且采用高通量测序手段对水样与泥样中微生物物种群落组成及丰度等多项指标进行了全面的评价。综合分析以上结果发现,经各项处理单元之后,化学需氧量（COD）,总氮（TN）,氨氮（NH3-N）,总磷（TP）与有机物组分等多项污染物质被大量去除,出水达到一级A标准,同时验证活性污泥的生长状态及生物降解能力良好。经综合分析,此工业废水厂的主要污染为有机污染物和氮污染。但毒性测试结果表明,在水质、污泥等各项参数均达标的条件下,其水质毒性却没有被很好的降解掉。并且其水质毒性经生物处理单元与臭氧催化单元后毒性显著升高,二沉池出水毒性也呈现微量升高。采用冗余分析与Spearman两种相关性分析方法分析了其它各项指标与水质综合毒性的相关性,结果表明水质毒性与碳、氮、磷、各种有机组分、重金属组分、ARGs以及微生物群落结构等多项指标之间均具有一定的相关性。以上结果可能有助于了解工业废水的毒性现状以及目前在中国普遍使用的处理技术对毒性的去除效果。所得结论具体可以概括为以下几个结论:1、各项常规水质参数的检测结果表明,此工业废水处理厂在正常运行情况下能够有效处理来水工业废水、达到一级排放。2、各项活性污泥常规参数及主要的生物酶数据表明此废水处理系统中生物处理单元活性污泥生长状态良好,且生物降解能力良好。3、通过酵母菌全细胞阵列得到的水质的毒性结果表明,即使在此工业废水处理厂有效的去除COD、TN、TP等污染物质之后,进水经厌氧/好氧生物处理单元处理后水质毒性仍然出现显著的增加,且无论是高温条件还是低温条件,结果均一致。推测这可能是由于微生物处理的复杂性造成的。4、此外,毒性结果还表明进水经二沉池处理单元后水质毒性也会出现显著增加,且温度影响不明显,由此推测这可能是由于活性污泥释放污染物造成的。5、臭氧催化高级氧化处理单元会增加水质的毒性,这可能是由于产生了毒性更大的氧化副产物造成的。6、冗余分析与Spearman相关性分析表明,常规水质指标、有机组分、重金属组分、ARGs等多项污染指标均与水质毒性之间具有一定的相关性,对造成水质毒性有一些影响。且这些指标也会通过影响微生物组结构来进一步影响水质的毒性情况。
关键词：工业废水毒性评价;毒理基因组学法;废水处理厂各个处理单元;水质毒性变化;各项指标与水质毒性的相关性分析
学科专业：环境工程
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题背景
1.2 工业废水排放现状
1.3 工业废水处理工艺发展
1.4 废水处理系统中抗生素抗性基因污染现状
1.5 水质毒性评价方法研究进展
1.6 16S测序与宏基因组测序
1.6.1 16S测序原理
1.6.2 宏基因组测序原理
1.7 研究内容与目标
1.7.1 主要研究内容
1.7.2 研究目标
1.7.3 研究技术框架
2 材料与方法
2.1 实验材料
2.1.1 水样样本
2.1.2 毒理基因组学测试
2.2 实验试剂
2.3 实验主要仪器和设备
2.4 水质指标
2.4.1 常规水质指标
2.4.2 溶解性微生物产物(SMP)和胞外聚合物(EPS)分析
2.4.2.1 EPS提取
2.4.2.2 SMP和 EPS成分检测
2.4.2.3 SMP和 EPS中荧光物质检测、分析
2.4.2.4 SMP和 EPS的分子量分布检测
2.4.3 污泥的特性测试
2.4.3.1 常规特性测试
2.4.3.2 生物酶活性测定
2.5 抗性基因
2.5.1 实验方法
2.5.1.1 水样预处理方法
2.5.1.2 水样DNA提取方法
2.5.1.3 提取后DNA纯度和浓度鉴定
2.5.1.4 反应体系构建方法
2.5.1.5 PCR程序设置
2.5.2 数据处理方法
2.6 毒理基因组学
2.6.1 水样前处理方法
2.6.1.1 固相萃取
2.6.1.2 冷冻干燥
2.6.2 实验方法
2.6.2.1 实验设计
2.6.2.2 最大耐受浓度测试
2.6.2.3 酵母菌全细胞微阵列毒理基因组学测试
2.6.3 数据处理方法
2.7 16S测序与宏基因组测序
2.7.1 16S测序的实验程序
2.7.2 宏基因组测序的实验程序
3 废水处理系统中水质与活性污泥特征研究
3.1 废水特性
3.1.1 常规水质参数
3.1.2 水质指纹
3.1.2.1 水样中有机碳分子量分布特性
3.1.2.2 水样中有机氮分子量分布特性
3.1.2.3 水样中荧光物质特性
3.1.2.4 水样中有机组分与重金属组分分析
3.2 活性污泥特性
3.2.1 活性污泥基本特性
3.2.2 微生物酶活性
3.3 SMP和 EPS特性
3.3.1 SMP和 EPS组分分析研究
3.3.2 SMP和 EPS分子量分布分析研究
3.3.2.1 有机碳分子量分布特性研究
3.3.2.2 有机氮分子量分布特性
3.3.3 SMP和 EPS中荧光物质分析研究
3.4 小结
4 废水处理系统中抗生素抗性基因(ARGs)分布特征
4.1 基于实时荧光定量q-PCR法研究ARGs分布特征
4.1.1 抗青霉素类抗生素抗性基因
4.1.2 抗万古霉素类抗生素抗性基因
4.1.3 抗β-内酰胺类抗生素抗性基因
4.1.4 抗大环内酯类抗生素抗性基因
4.1.5 抗四环素类抗生素抗性基因
4.1.6 抗磺胺类抗生素抗性基因
4.2 基于宏基因测序研究ARGs分布特征
4.3 基于聚类分析法研究ARGs丰度特征
4.3.1 基于实时荧光定量q-PCR ARGs相对丰度
4.3.2 基于宏基因组测序ARGs相对丰度
4.4 小结
5 基于毒理基因组学法研究废水处理系统中水质毒性特征
5.1 废水中有机组分毒性特征研究
5.1.1 高温条件下废水有机组分毒性特征研究
5.1.2 低温条件下废水有机组分毒性特征研究
5.2 废水中重金属组分毒性特征研究
5.2.1 高温条件下废水重金属组分毒性特征研究
5.2.2 低温条件下废水重金属组分毒性特征研究
5.3 废水中非挥发组分-综合毒性特征研究
5.3.1 高温条件下废水综合毒性毒性特征研究
5.3.2 低温条件下废水综合毒性毒性特征研究
5.3.3 废水水质综合毒性贡献特征研究
5.3.3.1 综合毒性与常规水质参数相关性分析
5.3.3.2 综合毒性与有机物组成相关性分析
5.3.3.3 综合毒性与有机物毒性相关性分析
5.3.3.4 综合毒性与重金属组成参数相关性分析
5.3.3.5 综合毒性与重金属毒性相关性分析
5.3.3.6 综合毒性与ARGs相关性分析
5.4 废水处理工艺对工业废水毒性的削减特性研究
5.5 小结
6 废水处理系统中微生物多样性研究
6.1 活性污泥中微生物多样性研究
6.2 废水处理单元出水中微生物多样性研究
6.3 微生物多样性与常规水质参数相关性分析
6.4 微生物多样性与有机组分相关性分析
6.5 微生物多样性与重金属组分相关性分析
6.6 微生物多样性与ARGs相关性研究
6.7 微生物多样性与综合毒性相关性研究
6.8 小结
7 结论与展望
7.1 结论
7.2 展望
致谢
参考文献