反硝化氨氧化工艺的启动及不同N/S比下的脱氮特征和微生物群落结构

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基于以硫化物为电子供体的自养反硝化(sulfide-dependent autotrophic denitrification,SDAD)和厌氧氨氧化(anammox)的反硝化氨氧化(DEAMOX)工艺可以实现氮素和硫化物的同步去除。已有的研究较少关注DEAMOX反应器的接种污泥和启动特征,同时,进水N/S(NO3--N/S)比是DEAMOX工艺的关键参数。据此,本文采用两种不同的混合污泥作为接种污泥成功启动了厌氧氨氧化反应器,随后,直接改变进水基质成分,启动DEAMOX反应器,实现了SDAD与厌氧氨氧化的协同脱氮。探究了N/S比对系统脱氮除硫效果的影响。此外,采用高通量测序技术分析了反应器内微生物群落结构在N/S>1.6(NO3--N过量)和N/S<1.6(NO3--N不足)两种情况下的变化特征,探明了DEAMOX反应器内的主要功能微生物。在两个UBF反应器中分别接种好氧硝化污泥与厌氧氨氧化-反硝化污泥的混合污泥(R1),和厌氧消化絮状污泥与厌氧氨氧化-反硝化污泥的混合污泥(R2),实现了厌氧氨氧化反应器的快速启动。研究发现,R1反应器启动时间较短,为36 d,容积负荷由0.13 kg·(m3·d)-1提高至0.65 kg·(m3·d)-1。好氧硝化污泥是厌氧氨氧化反应器更合适的接种污泥。改进的Stover-Kincannon基质去除模型拟合结果表明,R1的脱氮潜力大于R2。启动成功后,R1和R2中Candidatus Kuenenia的相对丰度分别为3.2%和2.4%,R1中的厌氧氨氧化菌丰度更高。以富集成功的厌氧氨氧化污泥为接种污泥启动DEAMOX反应器。通过调整进水中硫化物和NO3--N的浓度,历时39 d,成功启动了DEAMOX反应器,NO3--N、NH4+-N和TN去除率分别达81.0%、93.0%和86.5%。DEAMOX反应器启动成功后,SDAD菌与厌氧氨氧化菌共同协作高效脱氮,厌氧氨氧化菌能够较好地利用短程反硝化生成的NO2--N。在DEAMOX反应器中,NH4+-N和NO3--N的去除率明显受N/S比变化影响。当反应器进水N/S比为2.38时,NH4+-N去除率最大,为82.8%。当N/S比小于0.73时,NO3--N去除率高于94.8%。本研究中硫化物几乎去除完全(去除率高于98.6%),且当N/S小于1时,出现了S0的积累现象。本研究中SDAD和厌氧氨氧化反应脱氮贡献率分别为3.7%47.8%和52.2%96.3%。NO3--N限制有利于β-变形菌纲和ε-变形菌纲的生长。当NO3--N过量时,反应器内的功能微生物主要有硫杆菌(Thiobacillus)和Candidatus Kuenenia;当NO3--N不足时,除了硫杆菌(Thiobacillus)、Candidatus Kuenenia外,Sulfurimonas也是系统内的优势微生物之一。
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