炭材料介导有机碳源胁迫厌氧氨氧化颗粒污泥的脱氮效能及微生物演变特性

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厌氧氨氧化(Anammox)工艺因其能耗低、不需要额外的有机碳源、污泥产量低等特点成为最新研究热点。厌氧氨氧化菌(An AOB)的生长速度较慢,因此,如何实现An AOB菌的快速富集和有效截留成为其工程应用的关键。颗粒污泥技术由于能有效控制污泥的流失,已成为厌氧氨氧化研究和应用的主要形式。然而,实际废水中含较高浓度的有机碳源,而有机碳源的存在会导致反硝化菌等异养菌大量滋长,造成厌氧氨氧化颗粒污泥稳定性降低。有机碳源胁迫下颗粒污泥微生物及其响应基因的变化规律研究还较为薄弱。国内外学者常利用生物炭进行污水的净化研究,对污染物的去除率较高,对污染物在环境中的迁移、转化和生物可利用性起着重要作用。因此,在研究有机碳源对颗粒污泥影响的基础上,添加适量生物炭,以期提高厌氧氨氧化颗粒污泥的处理能力。(1)在UASB反应器中研究了竹炭(BC)介导的不同COD浓度对厌氧氨氧化颗粒污泥的影响。结果表明,当COD浓度从50 mg·L-1增加时,平均TN去除效率从85.9%降低到81.4%。然而,BC介导的反应器的TN去除效率比不使用BC的反应器显着提高了3.1~6.4%,最大提升率分别为31.4%,25.2%和21.3%。平均直径比不使用BC的平均直径高0.13 mm。沉降速度随着COD浓度的增加而增加,添加BC后降低。另外,随着BC添加,EPS和VSS/SS增加。高通量Miseq测序分析表明,添加COD会降低细菌的多样性和丰富度,Candidatus Brocadia和Candidatus Kuenenia是Anammox脱氮系统中常见的浮霉菌门菌属。宏基因组测序结果表明,反硝化相关功能基因的丰度都随着COD的增加而增加,而厌氧氨氧化的减少。添加BC会增强所有反应器中反硝化和厌氧氨氧化的相关功能基因。(2)在UASB反应器中研究了不同生物炭介导的不同COD浓度对厌氧氨氧化颗粒污泥的影响。研究发现,100和150 mg·L-1不同浓度有机物胁迫下以及不同生物炭的投加下,厌氧氨氧化颗粒污泥系统的脱氮性能有明显差异。100mg·L-1时,氨氮平均去除率分别为R1(空白)75.8%,R2(竹炭)83.46%,R3(椰炭)79.22%,R4(桃炭)82.50%,R5(枣炭)83.12%,R6(荔枝炭)80.48%,R7(核桃炭)77.05%和R8(梧桐炭)78.30%。加了生物炭后颗粒污泥对有机碳源的抗冲击能力比较强,相比于空白反应器,氨氮平均去除率提升了1.3%~7.7%。150 mg·L-1时,氨氮平均去除率分别为R1(空白)71.19%,R2(竹炭)69.48%,R3(椰炭)68.91%,R4(桃炭)68.75%,R5(枣炭)68.07%,R6(荔枝炭)73.69%,R7(核桃炭)70.14%和R8(梧桐炭)72.34%。有机物对颗粒污泥Anammox反应产生明显抑制作用,并随有机物浓度升高,抑制作用加强,有机物浓度高时生物炭对有机碳源的抗冲击能力不再明显;各系统亚硝去除率均在95%以上,亚硝去除效果良好;各系统稳定后,加了生物炭后,总氮去除率提升了0.88%~4.70%,添加生物炭可以促进Anammox颗粒污泥系统整体脱氮性能,100 mg·L-1时系统总氮去除能力最佳。随着胁迫浓度的升高,厌氧氨氧化颗粒污泥由砖红色转变为黑色,接种颗粒污泥的大小主要分布在1~2 mm,占比56.8%。在COD浓度分别为100 mg·L-1和150 mg·L-1时,颗粒直径为1~2mm的颗粒减少,直径为2~3mm的增多。EPS含量逐渐减少,150 mg·L-1时减少情况尤为剧烈,浓度下对颗粒污泥粒径增长、机械强度、沉降性能、EPS含量具一定促进作用。发现添加了有机碳源后,R1反应器的沉降速度均比R0低,说明有机碳源的添加使沉降速度降低,但是添加了生物炭的反应器沉降速度均比R1反应器高,说明添加生物炭改善了颗粒污泥的沉降性能,粒径越大,沉降速度越高,COD浓度越高时,沉降性能反而越好。颗粒污泥的密度基本都大于水的密度,没有明显的污泥上浮现象。随着有机物的添加,R1反应器厌氧氨氧化活性有所降低,添加生物炭的反应器活性均比R1高。高通量测序结果表明,各样品中在丰度上占比较多的门类均为变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、浮霉菌门(Planctmycetota)和酸杆菌门(Acidobacteria)。随着COD浓度的增加,属于An AOB的浮酶菌的相对丰度均降低,绿弯菌门的相对丰度都增加了,最高可达78.4%。
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