厌氧氨氧化工艺处理尿素废水的研究

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尿素废水是一类含氮量高、成分复杂的难处理工业废水,对自然环境有较大危害。以新型生物脱氮工艺厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation,Anammox)主导的尿素废水处理体系,因脱氮过程中完全自养无需额外碳源,与传统尿素处理工艺相比将会更加经济高效。但目前利用Anammox工艺处理尿素废水的研究甚少,因此,本文以Anammox污泥为研究对象,探讨了不同浓度尿素对Anammox的氮素转化规律及反应速率的影响,建立了尿素抑制动力学模型,并分别采用连续培养和梯度培养的驯化方式,对比讨论了在不同培养条件下Anammox反应器的脱氮性能及微生物群落结构特性的变化情况。主要得出以下结论:(1)低浓度尿素(10-100 mg/L Urea-N),对Anammox反应无显著影响,NH4+-N降解速率保持在2.43±0.1 mg N/(g VSS·h)。中高浓度的尿素(150-2000 mg/L Urea-N)对Anammox反应有一定的抑制作用,且随Urea-N浓度的增加抑制效果越显著,Urea-N为2000 mg/L时,NH4+-N去除率从原来的85.49%降至54.16%。此外,还建立了Anammox的尿素抑制动力学模型,模型预测值与实测值基本相符,相关系数R2>0.988,表明该模型有较好的准确性。(2)未经驯化的Anammox污泥(记为AMX),NH4+-N降解速率为1.788mg N/(g VSS·h),随基质中Urea-N/NH4+-N比值的增加其反应速率逐渐降低,且AMX不具备水解尿素的能力。使用连续培养驯化的A(NH4+-N、Urea-N均为30mg/L)和B(60 mg/L Urea-N)反应器,其Anammox污泥活性随培养时间增加均是先降低再升高,培养24天后,NH4+-N降解速率均高于AMX,分别为2.644和2.970 mg N/(g VSS·h)。A、B反应器中的Anammox污泥经驯化后均具有一定的尿素降解能力,尿素降解速率分别为0.045和0.210 mg N/(g VSS·h)。16S高通量测序的结果表明,AMX中的厌氧氨氧化菌(Anammox Bacteria,An AOB)丰度为24.61%,以Candidatus Brocadia和Candidatus Kuenenia为主导,添加尿素会使An AOB的相对丰度在前8天时有所下降(A=19.54%,B=22.57%),而后迅速回升,培养24天时B反应器的An AOB丰度较AMX提高了4.73%。(3)在进水总氮负荷恒定的情况下,采取梯度驯化方式培养的R1(低浓度低HRT)和R2(高浓度高HRT)反应器,Anammox活性在培养初期均会受到抑制,而驯化30天后,Anammox活性均得到一定恢复,NH4+-N降解速率分别为1.503和1.398 mg N/(g VSS·h),但仍低于AMX(1.788 mg N/(g VSS·h)),此时R1和R2反应器可分别将15和18 mg/L的Urea-N完全降解,尿素降解速率分别为0.0983和0.1123mg N/(g VSS·h)。梯度驯化后的R1和R2与对照组AMX间的物种差异明显。R1和R2污泥中的An AOB种类与AMX相同,但相对丰度(R1:15.29%,R2:13.86%)较AMX(24.61%)明显减少;而两种能直接利用有机物的菌属Calorithrix和Saprospiraceae((AMX:1.67%和0.35%),经培养后丰度均有一定的提升(R1:4.25%和2.62%,R2:3.45%和3.70%),这两类细菌可能与尿素的降解相关。
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