厌氧氨氧化耦合反硝化工艺处理养殖废水优化调控及微生物群落特征研究

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针对常规工艺处理高有机污染物、高氮磷的畜禽养殖废水除碳脱氮困难、能耗高的问题,将反硝化和厌氧氨氧化(Anammox)技术结合,厌氧氨氧化耦合反硝化(Simultaneous Anammox and Denitrification,SAD)工艺应运而生,具有脱氮除碳高效、低耗、占地面积小等优点,其在养殖废水处理中的应用已成为一个技术研发热点。SAD工艺稳定运行过程中还需要进行相关影响因素的优化调控,如水力停留时间HRT、外在铁离子对于系统脱氮除碳及微生物群落的影响,相关研究较少,同时关于SAD对于TP的去除情况鲜见报道。基于此,本文针对养殖废水处理,从污泥富集培养、SAD启动特征分析、SAD稳定后优化调控等方面进行系统探索,完成了厌氧氨氧化菌(An AOB)的富集、研究了低碳氮比下SAD工艺的启动特征,分析了HRT、铁离子对SAD工艺脱氮除碳除磷效能的优化调控作用及微生物群落机理变化,以为SAD工艺处理畜禽养殖废水及其工程化提供理论参考,获得的主要结论如下:(1)探究了An AOB富集过程的脱氮及微生物群落特征。不断提升氮负荷,历经96d完成了An AOB的富集,NH4+-N、NO2--N和TN平均去除率分别达95.8%、97.0%和87.7%,TN去除负荷达到0.614kg·m-3·d-1。ΔNO2--N/ΔNH4+-N和ΔNO3--N/ΔNH4+-N平均值分别是1.30和0.20,Δp H接近0.75。富集后,污泥颜色明显变红,粒径变大,SEM图显现出更多球状物。污泥的厌氧氨氧化活性(SAA)、胞外聚合物EPS和PN与PS的比值(PN/PS)都明显增加,Sobs、Shannon指数下降,反应器内菌群多样性整体下降。浮霉菌门Planctomycetota丰度由4.6%增加到11.2%,Candidatus Brocadia和Candidatus_Jettenia都由0分别增至1.0%和1.5%,即An AOB不断富集。(2)探究了低C/N比条件下SAD启动的特征。P1阶段用时较长(33 d),启动后期SAD除碳脱氮性能良好,氮素去除率均达90%以上,COD平均去除率超过74.83%。P6阶段TN浓度达700mg·L-1时,此时已超体系的负荷限值,NH4+-N和NO2--N去除率分别减至79.39%和92.24%。经过高氮负荷的短期抑制后,SAD脱氮除碳效果恢复较快。ΔNO3--N/ΔNH4+-N整体降至0.05左右。随负荷提升,污泥表面球状物不断增加,An AOB不断生长,PN、PS量都在增长,PN/PS值缓慢从6.1增加至7.8。SAD在负荷变化过程中的性能与微生物特征密切相关,Candidatus Kuenenia一直是An AOB优势菌种,且经高负荷抑制后,Candidatus Brocadia逐渐被淘汰,Candidatus Kuenenia优势更为明显。反硝化菌(主要为Bacillus、Thauera和Denitratisoma)丰度逐渐成为最高。表明SAD工艺可在较高负荷下稳定运行,但是过高负荷会抑制相关微生物菌群的活性。(3)研究了不同HRT对稳定运行的SAD工艺的影响。突降HRT至8h比之于增大HRT至20h对于SAD脱氮除碳的影响更大,NH4+-N、NO2--N、TN、COD去除率分别降至93.4%、94.5%、90.4%和75.7%,同时过大(20h)或过小的HRT(8h)都不利于除磷,在HRT为16h时,TP去除率达到最高为67.2%。整体ΔNO2--N/ΔNH4+-N、ΔNO3--N/ΔNH4+-N、反硝化和Anammox脱氮贡献率的平均值分别为1.31、0.03、14.1%和85.9%。HRT变化对SAA影响较小,HRT由20h降低到8h,EPS、PN和PS分别增至最大,PN/PS也增至6.6;Candidatus Kuenenia、Candidatus Brocadia和Candidatus_Jettenia为主要的An AOB属,HRT为8h时,An AOB丰度上升至13.94%,且HRT越大,An AOB丰度越低。与聚磷相关的微生物norank_f__PHOS-HE36则在HRT为16、12h时丰度更高。(4)研究了不同浓度Fe(III)对稳定运行的SAD工艺的影响。5mg·L-1Fe(III)有利于系统脱氮除碳,氨氮、亚硝氮、TN、COD、TP平均去除率分别进一步升高至98.9%、99.4%、98.3%、87.7%和66.9%,当继续提高Fe(III)浓度至10mg·L-1,会降低氨氮、TN的去除率,而TP去除率因为化学除磷加强进一步增至73.3%。Fe(III)浓度至15mg·L-1时,TN、COD和TP平均去除率分别降至93.2%、79.0%和57.4%。Δp H平均值由试验前的0.42减小至0.04,整体上计量比波动小。随着铁离子的添加(5mg·L-1),可看出荧光峰在增多(280/355nm、345~350nm/450nm和570/355nm),荧光强度也在增大,阶段III较阶段II减少一个荧光峰400/475nm。铁离子会对泥样表面的官能团产生一定影响。微生物群落分析表明,Shannon、Sobs、Ace和Chao指数在阶段I、II都减小,而阶段III明显提高。除了Candidatus_Brocadia、Candidatus_Jettenia属在Fe(III)浓度为5mg·L-1时,其相对丰度有一定增加,其他情况下An AOB都随着Fe(III)浓度增加而减小,和生物除磷相关的PHOS-HE36科丰度、AMX、HZSB、NIRK和NARG基因丰度都仅在阶段I得到了一定程度的增加。进一步将Fe(III)提高至10、15mg·L-1时,各基因丰度开始下降,在阶段III下降程度较大,主要的反硝化菌属Bacillus丰度在阶段III也急剧下降至4.16%,对SAD工艺发挥厌氧氨氧化和反硝化功能影响大。
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