含氮杂环吲哚对同步厌氧氨氧化反硝化系统脱氮性能影响及降解机制

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吲哚(C8H7N)是一种常见的含氮杂环化合物,具有结构稳定、难生物降解及毒性强的特点,广泛存在于煤化工等废水中,对水环境和人体健康具有极大的危害。厌氧氨氧化(Anammox)是一种可持续的正能量污水生物脱氮新技术,然而吲哚对Anammox的影响机制目前尚不清楚。探索吲哚对厌氧氨氧化工艺的短期和长期影响对于拓展Anammox工艺高效处理实际高氨氮难降解有毒废水将具有重要意义。通过批量实验,研究吲哚浓度为0-150 mg/L短期投加下,吲哚降解和Anammox处理效能。经过48 h的分时实验,结果表明在吲哚浓度为100 mg/L时吲哚的降解速率最快为12.96 mg/L·h,去除率为85%;随着吲哚浓度的逐渐增加,Anammox脱氮的贡献率从90.2%急剧下降到19.9%,而反硝化贡献则显著提高。采用Haldane模型建立抑制动力学,吲哚的自降解底物抑制常数(Ki)为150.65 mg/L,通过改进的非竞争性抑制模型拟合,确定吲哚对Anammox的半抑制浓度(IC50)为147.04 mg/L,表明厌氧氨氧化耦合反硝化系统对短期吲哚投加有较高的耐受性;高通量测序证实Candidatus Kuenenia和Candidatus Brocadia的丰度随着吲哚浓度的增加呈现出逐渐减少的趋势;通过光谱分析探究了吲哚短期添加下的降解机制,并结合基因测序推测了厌氧氨氧化耦合反硝化系统(SAD)中吲哚生物降解和氮代谢的可能途径。建立了序批式生物膜反应器(SBBR)处理氨氮模拟废水,探究吲哚的浓度(5 mg/L-1000 mg/L)对系统脱氮和杂环降解的长期影响作用。通过251天的反应器运行,结果表明,随着吲哚浓度的升高,系统对TOC和吲哚的几乎可以实现完全去除,而氨氮的去除率呈先升高后逐渐降低的趋势,并在吲哚浓度为1000 mg/L时达到反应器的最高限值;在吲哚浓度为10mg/L时TN去除率最高,达94%;通过改进的非竞争性抑制模型拟合,确定吲哚对Anammox的半抑制浓度(IC50)为506.6 mg/L,采用Haldane模型建立抑制动力学,吲哚的自降解底物抑制常数(Ki)为650.1 mg/L,均高于批量实验对应的值,表明长期实验的驯化作用使得微生物对吲哚有了更强的耐受性;高通量测序检测出Candidatus Kuenenia和Candidatus Brocadia两种厌氧氨氧化菌的存在并呈现先升高后降低的趋势,进水在50-100 mg/L的吲哚有助于系统中厌氧氨氧化菌的生长;紫外可见光谱、红外光谱和三维荧光光谱发现了-COOH、N-H、C-H、C=O、O-H、C-O等官能团,通过GC-MS分析检测出了二羟基吲哚、靛红、吲哚酮、二氢儿茶酚等吲哚降解的重要中间产物,据此对厌氧氨氧化耦合反硝化体系中吲哚的降解途径进行推测。研究成果旨在为Anammox工艺处理含吲哚实际废水(如焦化废水)的工程应用提供前期理论基础。
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