论文部分内容阅读
厌氧氨氧化（Anammox）工艺因其经济高效和绿色环保,被誉为废水脱氮的升级技术。基于Anammox菌的生理学特性可开发低/常/高氮素负荷、耐盐的典型Anammox工艺。目前,Anammox工艺虽在特定工况已有成功运用的案例,但是典型Anammox工艺在运维上仍面临着严峻挑战:1)低负荷Anammox工艺（氮素容积负荷（Nitrogen loading Rate,NLR）小于2 kg-N·m-3·d-1）出水总氮达标困难;2)常负荷Anammox工艺（NLR为2-10 kg-N·m-3·d-1）中N2O的排放特征及来源不明;3)高负荷Anammox工艺（NLR大于10 kg-N·m-3·d-1）受高基质浓度抑制后效能变化规律不明;4)耐盐Anammox工艺混盐驯化规律不清楚。本文针对低/常/高负荷、耐盐四个典型工况,采用环境工程学方法耦合微生物组学技术对Anammox过程特性及微生物机制展开研究。主要内容如下:1)揭示了低负荷Anammox工艺出水高硝氮机制,提出了总氮去除强化策略。发现了低负荷Anammox颗粒污泥反应器NO3--N产生量显著高于计量学理论值,导致其总氮去除率仅有57.9±8.0%。反应器出水总氮高达21.4 mg·L-1,超出了一级A标准中规定的15 mg·L-1总氮限值（GB18918-2002）。宏基因组结合原位比活性试验揭示了低负荷Anammox颗粒污泥反应器中典型/非典型NOB大量富集对低负荷Anammox颗粒污泥反应器高硝氮产生的贡献机制。提出了构建颗粒污泥耦合生物膜-厌氧氨氧化/短程反硝化（iGB-A/PD）反应器以强化低负荷Anammox工艺总氮达标策略,实现了出水总氮约为3 mg·L-1,满足国内最严格的城市污水排放标准（DB31/199-2018）所要求的10 mg·L-1总氮限值。宏基因组耦合宏转录组分析发现短程反硝化（PD）和异化硝酸盐还原成铵（DNRA）菌群为iGB-A/PD反应器的优势伴生菌群。异位批次试验耦合氮素平衡计算发现PD和DNRA分别贡献了约50%和25%的NO3--N还原,揭示了Anammox、PD和DNRA菌群协同脱氮的微生态机制。此外,基质降解动力学耦合氮素平衡计算发现具有较高脱氮速率的颗粒污泥贡献了 78%的总氮去除,而具有较高基质亲和力的生物膜则对污水进行深度脱氮去除了 16%的总氮,揭示了颗粒污泥高速脱氮耦合生物膜深度脱氮的两级同步A/PD作用机制。2)揭示了常负荷Anammox工艺N2O排放微生物机制,提出了“碳”减排策略。发现了常负荷Anammox颗粒污泥反应器N2O排放因子（EFN2O）为0.6%。通过污泥特性分析发现,颗粒污泥拥有较高的Anammox活性,贡献了约95%的氮素去除。而絮状污泥对于总氮去除贡献约5%,其EF N2Of高达6.1%,贡献了 60%的N2O排放。宏基因组结合批次试验揭示了絮状污泥NO源/汇微生物菌群失调,导致NO积累进而抑制N2O代谢的微生态机制。提出絮状/颗粒污泥比例调控强化常负荷Anammox颗粒污泥反应器“碳”减排性能。实验发现,将絮状污泥占比降至约2%可在维持反应器NRR基本不变的条件下,实现反应器N2O排放因子显著降低至0.1%,远低于文献报道。3)揭示了高负荷Anammox工艺活性抑制微生物机制,提出了脱氮性能恢复策略。发现了高负荷Anammox颗粒污泥反应器的基质浓度耐受阈值为400 mg·L-1NH4+-N和480mg·L-1NO2--N,氮容积负荷（NLR）为14.4±0.6 kg·m-3·d-1。通过污泥比活性计算发现,经基质抑制后污泥活性无法通过将基质浓度退回原来梯度以实现快速恢复。Nano-CT扫描发现颗粒污泥具有较强稳定性能和传质性能。利用颗粒污泥强度仪结合基质降解动力学试验发现了颗粒污泥稳定性能和传质性能没有受到高基质浓度抑制的影响。宏基因组联合宏转录组分析发现了优势菌Ca.Kuenenia stuttgartiensis中负责产生能源物质的联氨合成酶γ亚基基因（hzsC）转录水平受到了显著抑制,而产能相关基因,如联氨脱氢酶基因（hdh）和亚硝酸盐氧还酶基因（nxr）却异常上调。这表明高基质浓度抑制致使Anammox菌处于能量匮乏状态,导致其活性受抑制。提出外源投加能源性物质NH2OH调控强化高负荷Anammox颗粒污泥反应器效能恢复的策略。实验发现,相较对照组较低的氮去除速率,通过投加1 mg-N·L-1 NH2OH可在短短15天内就实现反应器脱氮效能完全恢复。并且当停止NH2OH外源投加后,其脱氮效能依然能保持稳定。4)发现了氯盐混合硫酸盐驯化的Anammox反应器中Ca.Jettenia新的Anammox菌种,揭示了其耐盐机制。发现了淡水Anammox菌（FAB）主导的反应器经驯化后最高可耐受3.0%盐度的氯盐混合硫酸盐,达到文献报道同类工艺最高水平。在中盐阶段（1.0%-3.0%）,反应器驯化过程中出现了反应器效能先下降后恢复的典型特征。宏基因组联合宏转录组分析发现了新的Ca.Jettenia菌,并揭示了该新种同时编码了海藻糖合成基因（otsB和treS）与抗氧化应激基因（sodB和kat）以抵抗由盐胁迫引起的渗透压胁迫和活性氧自由基胁迫（氧化应激）的耐盐机制。JC-1染色和氧化应激实验验证了盐胁迫会引起Anammox菌细胞膜损伤进而引起ROS产生,诱发氧化应激。通过批次实验和氧化应激水平分析证明抗氧化应激水平提高及胞内海藻糖积累可强化Anammox菌耐盐性能。