背景水质对PN/A颗粒污泥脱氮活性与微生物群落的影响研究

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水质表征一直是水环境污染治理的重要基础。常规的综合性理化指标(如CODCr)能够定量表征某一类水污染物的浓度,但在指示水体的生物抑制效应方面仍存在明显短板。目前,以污泥活性变化为基准,开展水体生物抑制性评价是较为常用的方法之一。部分亚硝化/厌氧氨氧化(PN/A)颗粒污泥是以好氧和厌氧氨氧化菌(AOB和An AOB)为主体的全自养型生物聚集体,其具有脱氮活性高、沉降性能好和独特砖红色外观等特点,被广泛用于低碳氮比废水处理的实验室研究与工程化应用。鉴于化能自养菌的生长特性,PN/A颗粒污泥对于水质变化较为敏感,表现为菌群活性的降低和生物量的流失。本研究旨在基于颗粒污泥脱氮活性、外观形态对不同背景水质的响应关系,建立一种水体生物抑制性评价的新方法。首先,将冷冻储存的颗粒污泥作为种污泥,采用逐级提高负荷的调控策略,在运行34 d后成功启动了连续流PN/A反应器,总氮(TN)去除率超过83%,TN去除负荷稳定在1.67 kg·(m~3·d)-1。在此期间,使用Image pro-plus软件对颗粒污泥的特征尺寸进行了定量表征。结果表明,颗粒污泥中砖红色区域的投影面积(AR)与其总氮比去除速率q(TN)(R~2=0.988)和An AOB丰度呈现良好的正相关。在此基础上,以成熟PN/A颗粒污泥为受试生物,采用多个并联连续流反应器,对自来水(对照组)、太湖水、市政污水、化工废水和电镀废水的进行生物抑制性评价。调节所有水样的氨氮(NH4+-N)浓度为100 mg·L-1,氮负荷控制在2.4 kg·(m~3·d)-1,运行时长为30 d。污、废水全部采用生化处理出水,以排除易降解有机物对自养菌的干扰。结果表明,与对照组相比,太湖水对PN/A颗粒污泥的脱氮性能和外观形态影响较小(q(TN)和AR分别降低了1.8%和1.5%)。3种市政污水使颗粒污泥的q(TN)在30 d后下降了47.7%~69.8%,AR值减小56.7%~71.6%,颗粒结构变得松散,表面孔隙率增大。化工废水和电镀废水对污泥活性的抑制作用更加显著,颗粒表面出现了重金属化合物沉积,生物量流失严重。通过相关性分析发现,有机物芳香度、无机盐分和重金属含量是影响颗粒污泥活性的主要水质指标。基于q(TN)和AR值的差异,不同水样的生物抑制率(In)遵循:电镀废水(88.9±1.4%)>化工废水(66.3±6.6%)>市政污水(60.8±7.6%)>太湖水(1.6±0.2%)。此外,采用宏基因组测序技术,对不同组颗粒污泥中菌群结构与氮代谢路径进行了系统分析。结果表明,污、废水对颗粒污泥的生物抑制效应表现为,主要An AOB菌(Candidatus Kuenenia和Brocadia属)的相对丰度分别降低了81.0%~89.0%和31.9%~89.0%,AOB(Nitrosomonas属)占比上升了1.7~6.3倍,硝化菌(Nitrospira属)和反硝化菌(如Rubrivivax、Pseudomonas、Thermomonas等属)增殖明显,全自应和细菌分泌等通路的丰度提高了5.1%~82.4%,驱动厌氧氨氧化的功能基因联氨脱氢酶(hdh)和联氨合成酶(hzs)丰度降低了79.4%~89.6%。同时,全自养生物脱氮体系中出现温室气体一氧化二氮(N2O)积累的风险大幅提升,这在后续研究中应予以重点关注。综上所述,背景水质对PN/A颗粒污泥的脱氮性能、外观形态、菌群结构和氮代谢体系存在显著的影响。依据污泥活性和外观形态对背景水质的响应关系,可以建立一种面向水体生物抑制性评价的新方法,为拓展全自养生物脱氮技术的应用范围提供了新的思路。
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