关键词:
厌氧氨氧化
自富集
自养脱氮
低碳氮比
菌群分析
摘要:
厌氧氨氧化脱氮无需曝气和有机碳源,具有污水处理能源自给的潜力,是一项极具前景的生物脱氮工艺。近年来,厌氧氨氧化工艺受到广泛关注,但尚未实现大规模的推广应用,仍有诸多问题亟待解决。由于厌氧氨氧化菌(Anaerobic Ammonia Oxidation Bacteria,AnAOB)生长缓慢,且对环境条件极为敏感,AnAOB的有效富集成为限制该工艺推广应用的主要难点。针对上述问题,本课题首先探究了在传统生物脱氮系统中原位培养厌氧氨氧化颗粒污泥,强化污水脱氮的可行性,并分析了原位启动厌氧氨氧化系统的机制。在此基础上,提出以含铁污泥生物炭作为生长载体和导电性介体强化AnAOB胞外电子传递与生长代谢,从而进一步促进AnAOB自富集的方法。此外,在主流厌氧氨氧化系统成功启动后,通过逐步降低进水碳氮比(Carbon to Nitrogen Ratio,C/N)进一步探究该系统的自养脱氮性能。主要研究结果如下:
(1)通过接种普通硝化-反硝化絮体污泥,探究了在传统生物脱氮系统中原位培养厌氧氨氧化颗粒污泥,强化污水脱氮的可行性。结果表明,采用厌氧/好氧/缺氧(Anaerobic/Oxic/Anoxic,A/O/A)交替的运行模式,经过145天的运行,系统实现了良好的脱氮效果,在进水C/N仅为1.0-1.3的条件下,平均脱氮率达83.7±4.2%。同时,在系统中形成了部分厌氧氨氧化颗粒污泥。颗粒污泥中AnAOB的相对丰度和活性分别从初始的“未检测到”增加到0.57%和29.4±0.7 mg N/(g MLVSS·h),表明成功实现了AnAOB的原位富集。此外,系统还检测到了部分具有短程反硝化功能的菌属,如Candidatus_Competibacter(2.45%)和Thauera(5.75%),其可为AnAOB提供额外的NO2--N来源,进一步促进AnAOB富集。氮去除路径分析表明,系统内厌氧氨氧化作用占主导地位,其脱氮贡献率大于68.8±0.3%。对于厌氧氨氧化颗粒污泥的形成,A/O/A运行模式可能发挥重要作用,其可抑制NOB活性,促进短程反硝化菌与AnAOB协同作用,并为AnAOB提高适宜的生长环境,利于AnAOB快速富集。此外,这种饱食/饥饿的运行方式可刺激胞外聚合物(Extracellular Polymer Substance,EPS)分泌,进而增强微生物之间的聚合作用以促进颗粒污泥的形成。
(2)以普通硝化-反硝化污泥作为接种污泥,探究了通过投加含铁污泥生物炭强化AnAOB原位富集的可行性。分别通过投加膨胀蛭石(对照组B1)和含铁污泥生物炭(实验组B2)启动短程硝化-厌氧氨氧化系统,对比分析两个系统的脱氮性能、AnAOB丰度和活性以及电化学性能的差异。结果表明,投加含铁污泥生物炭可显著提高系统的氮去除负荷,较B1系统高8.8%-32.6%左右。运行过程中,B1和B2系统中AnAOB的最大活性和丰度从初始的“未检测到”分别升高至5.8±0.1、6.2±0.1 mg N/(g MLVSS·h)和7.8×10~9、1.0×1010 gene copies/g dry sludge,表明投加含铁污泥生物炭可促进AnAOB的生长代谢。AnAOB的生长代谢和电子传递过程密切相关。电化学表征结果显示,与B1系统相比,B2系统具有更强的电子传递能力,并且AnAOB胞内部分有关电子传递基因(细胞色素c、细胞色素bc1复合体、NADH脱氢酶、V/A型ATP酶)的丰度也相对较高,表明含铁污泥生物炭通过强化AnAOB的电子传递能力,进而促进其生长富集。此外,结合载体理化性质、EPS中氧化还原物质的分泌情况以及微生物群落结构分析进一步探究了含铁污泥生物炭促进AnAOB电子传递能力的原因:1)含铁污泥生物炭表面具有丰富的氧化还原活性官能团(如C=O/COOH)用以介导微生物胞外电子传递,并且其表面负载有Fe3O4晶体,使其兼具良好的充放电性和导电性,可以促进AnAOB电子传递能力;2)Fe3O4晶体可以刺激EPS中氧化还原物质的分泌,使EPS作为电子传递介质强化微生物电子传递能力;3)含铁污泥生物炭可促进产电菌的生长富集,其可将有机物分解产生的电子通过含铁污泥生物炭传递给AnAOB,进而促进AnAOB的生长代谢,提高系统氮去除负荷。
(3)在主流厌氧氨氧化系统成功启动后,通过逐步降低进水C/N,探究了系统的自养脱氮性能。结果表明,当平均进水C/N由3.0逐步降低至1.0的过程中,系统可维持良好的脱氮效果,平均氮去除率分别为85.6±3.8%、82.3±2.7%和83.0±1.8%。氮去除路径分析结果表明,厌氧氨氧化作用在脱氮过程中占主导地位,其脱氮贡献率大于71.4%(C/N=1.0)。在进水C/N降低的过程中,AOB的活性明显升高,保证了稳定的亚硝供