论文部分内容阅读
短程硝化-厌氧氨氧化（PN/A）工艺因其高效节能的优势得到了研究者的广泛研究，然而PN/A工艺依赖于两类自养细菌（好氧和厌氧型氨氧化菌）作用，无法去除废水中的COD；另一方面废水中的有机物会导致反硝化菌优势生长，从而对厌氧氨氧化（anammox）产生竞争性抑制影响。如何在具有Anammox功能体系中同时发挥高效去除有机物效能对于进一步拓宽Anammox在有机氨氮废水中的实际应用具有重要意义。本课题充分发挥异养和自养微生物的联合代谢能力，提出了一种异养-自养混合部分厌氧氨氧化（HAHPA）的新工艺。本研究采用HAHPA工艺分别以高氨葡萄糖废水、高氨苯酚废水以及低氨模拟生活污水为处理对象，考察关键工艺参数对于HAHPA系统长期运行下脱氮除碳效能影响，提出相应运行策略。借助微观表征和高通量测序手段探究生物膜胞外聚合物组分、微生物多样性及群落组成，结合反应性能推测HAHPA工艺处理不同种类废水的脱氮除碳机制。本研究得出主要结论如下：
（1）以葡萄糖作为有机底物，模拟高氨易降解有机废水：实验连续运行118个周期，考察了不同底物浓度和碳氮比下HAHPA脱氮除碳性能以及填料内部微生物分布情况。结果表明：
在进水氨氮和COD浓度分别为400mg/L和800mg/L条件下达到了COD，氨氮和TN各自91.53%，99.51%和96.26%的去除效率。高通量测序表明，底物浓度与微生物物种种类和多样性呈正相关关系。底物浓度的提升使得系统内AOB丰度由0.07%稳步增加至3.81%；NOB基本检测不到；反硝化菌丰度在各阶段均超过40%；AnAOB丰度由0.23%逐步增加至1.63%，Candidatus Kuenenia属是最主要的AnAOB。
考察了不同C/N比（2~5）对HAHPA系统性能的影响。发现C/N=4是HAHPA工艺处理高氨有机废水的最佳C/N比，此时氨氮、TN和COD去除率分别为98.91%、95.85%和93.84%。高通量测序显示，C/N=4时生物群落多样性指数最大。C/N比提升使得系统内AOB丰度由3.81%逐步下降至1.14%；NOB基本检测不到，表明系统内发生了显著的短程硝化；反硝化菌丰度在各个阶段丰度均超过48.7%；AnAOB丰度在C/N为4时达峰值4.4%，Candidatus Kuenenia属是主要的AnAOB。
对生物膜做切片测序表明，AOB主要分布在最外层，而反硝化菌主要聚集在中间层，AnAOB主要生长在最内层。推测可能机制是生物膜外层发生COD好氧氧化和亚硝化反应，中间层发生反硝化反应，最里层进行Anammox。
（2）以苯酚作为有机底物，模拟难降解含毒有机废水，苯酚浓度的升高（0~250mg/L）基本不会影响系统对苯酚和COD的去除。200mg/L以内的苯酚对系统脱氮影响甚微，而250mg/L的苯酚使得氨氮和TN去除率迅速下降为68%和63.3%，表明250mg/L的苯酚是影响系统脱氮效率的转折点。高通量结果显示，系统内AOB丰度远高于NOB，AnAOB在浓度为200mg/L苯酚时达最大值7.92，而后急剧下降至1.06%。此时，异养菌包括苯酚降解菌大量增殖可能不利于AnAOB生长。
（3）以低氨氮（50mg/L）和葡萄糖为底物，模拟生活污水，研究了不同C/N比（2~5）下HAHPA系统处理低氨氮废水主流脱氮效能。研究C/N=4是HAHPA系统处理低浓度模拟生活污水的最佳碳氮比，此时NH4+-N和TN去除率分别达到最大值99.04%和94.79%，COD去除率高达96.41%。生物膜形貌发现C/N=4时生物膜表面出现极为明显的肉眼可见红色，厌氧氨氧化活性（SAA）分析发现，此时SAA达到最大值0.094kg-N KgVSS-1d-1。胞外聚合物EPS分析表明EPS总浓度在C/N=4时达最大值37.28mg/g VSS。三维荧光光谱显示，色氨酸蛋白和络氨酸芳香族蛋白类物质可能对厌氧氨氧化菌的富集有着积极的作用；而富里酸和腐殖酸类物质的出现会可能不利于厌氧氨氧化菌活性。高通量测序结果显示，C/N=4下有着最多菌群种类和最丰富的生物群落多样性。与高氨氮废水不同，低氨氮废水处理HAHPA系统硝化菌属以Nitrospira为主，分析可能是由于完全氨氧化的作用。Candidatus Kuenenia占比最高为10.16%。推测HAHPA系统生物膜内反应包括：外层的完全硝化反应，中间层的短程反硝化及硝酸盐异化还原反应，以及内层的anammox。
本研究结果表明HAHPA系统可以有效处理不同类型含氮有机废水，为拓展anammox适用范围和应用领域提供了必要的理论支持和技术保证。
（1）以葡萄糖作为有机底物，模拟高氨易降解有机废水：实验连续运行118个周期，考察了不同底物浓度和碳氮比下HAHPA脱氮除碳性能以及填料内部微生物分布情况。结果表明：
在进水氨氮和COD浓度分别为400mg/L和800mg/L条件下达到了COD，氨氮和TN各自91.53%，99.51%和96.26%的去除效率。高通量测序表明，底物浓度与微生物物种种类和多样性呈正相关关系。底物浓度的提升使得系统内AOB丰度由0.07%稳步增加至3.81%；NOB基本检测不到；反硝化菌丰度在各阶段均超过40%；AnAOB丰度由0.23%逐步增加至1.63%，Candidatus Kuenenia属是最主要的AnAOB。
考察了不同C/N比（2~5）对HAHPA系统性能的影响。发现C/N=4是HAHPA工艺处理高氨有机废水的最佳C/N比，此时氨氮、TN和COD去除率分别为98.91%、95.85%和93.84%。高通量测序显示，C/N=4时生物群落多样性指数最大。C/N比提升使得系统内AOB丰度由3.81%逐步下降至1.14%；NOB基本检测不到，表明系统内发生了显著的短程硝化；反硝化菌丰度在各个阶段丰度均超过48.7%；AnAOB丰度在C/N为4时达峰值4.4%，Candidatus Kuenenia属是主要的AnAOB。
对生物膜做切片测序表明，AOB主要分布在最外层，而反硝化菌主要聚集在中间层，AnAOB主要生长在最内层。推测可能机制是生物膜外层发生COD好氧氧化和亚硝化反应，中间层发生反硝化反应，最里层进行Anammox。
（2）以苯酚作为有机底物，模拟难降解含毒有机废水，苯酚浓度的升高（0~250mg/L）基本不会影响系统对苯酚和COD的去除。200mg/L以内的苯酚对系统脱氮影响甚微，而250mg/L的苯酚使得氨氮和TN去除率迅速下降为68%和63.3%，表明250mg/L的苯酚是影响系统脱氮效率的转折点。高通量结果显示，系统内AOB丰度远高于NOB，AnAOB在浓度为200mg/L苯酚时达最大值7.92，而后急剧下降至1.06%。此时，异养菌包括苯酚降解菌大量增殖可能不利于AnAOB生长。
（3）以低氨氮（50mg/L）和葡萄糖为底物，模拟生活污水，研究了不同C/N比（2~5）下HAHPA系统处理低氨氮废水主流脱氮效能。研究C/N=4是HAHPA系统处理低浓度模拟生活污水的最佳碳氮比，此时NH4+-N和TN去除率分别达到最大值99.04%和94.79%，COD去除率高达96.41%。生物膜形貌发现C/N=4时生物膜表面出现极为明显的肉眼可见红色，厌氧氨氧化活性（SAA）分析发现，此时SAA达到最大值0.094kg-N KgVSS-1d-1。胞外聚合物EPS分析表明EPS总浓度在C/N=4时达最大值37.28mg/g VSS。三维荧光光谱显示，色氨酸蛋白和络氨酸芳香族蛋白类物质可能对厌氧氨氧化菌的富集有着积极的作用；而富里酸和腐殖酸类物质的出现会可能不利于厌氧氨氧化菌活性。高通量测序结果显示，C/N=4下有着最多菌群种类和最丰富的生物群落多样性。与高氨氮废水不同，低氨氮废水处理HAHPA系统硝化菌属以Nitrospira为主，分析可能是由于完全氨氧化的作用。Candidatus Kuenenia占比最高为10.16%。推测HAHPA系统生物膜内反应包括：外层的完全硝化反应，中间层的短程反硝化及硝酸盐异化还原反应，以及内层的anammox。
本研究结果表明HAHPA系统可以有效处理不同类型含氮有机废水，为拓展anammox适用范围和应用领域提供了必要的理论支持和技术保证。