养殖废水中重金属及抗生素对厌氧氨氧化工艺的影响研究

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养殖废水因其高氮素含量以及低C/N的特点处理困难,传统脱氮工艺力不从心,研发高效经济的处理工艺势在必行。厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺由于不用外加碳源,且脱氮效率极高,是经济、低耗、高效的新型脱氮工艺,然而由于厌氧氨氧化菌(AnAOB)世代时间较长且生长缓慢,致使厌氧氨氧化工艺启动时间长,制约了ANAMMOX工艺的广泛应用。因此研究ANAMMOX工艺的快速启动方法,对于其工程应用具有极强的实际意义。除此之外,AnAOB对环境极为敏感,对不同水质的适应情况不同,故ANAMMOX反应器运行失稳问题严重。养殖废水水质具有低C/N的特性,虽然理论上采用ANAMMOX工艺具有得天独厚的优势,但养殖废水中含有较高浓度的抗生素及重金属,将影响ANAMMOX的脱氮效果,而目前关于养殖废水中该类抑制因子对ANAMMOX的影响,系统的研究较少。因此本文以养殖废水为对象,针对制约ANAMMOX工艺处理养殖废水的上述实际应用问题展开研究,以期为将ANAMMOX工艺引入养殖废水污染物治理奠定理论基础,主要开展了以下工作:(1)研究了低丰度储存厌氧氨氧化污泥快速启动ANAMMOX反应器的可行性,提供了实际工程可实行的快速启动ANAMMOX反应器的操作策略。通过在接种污泥中加入部分低丰度储存厌氧氨氧化污泥仅花费6 d即观察到厌氧氨氧化反应,仅19 d即启动了EGSB-ANAMMOX反应器,与相关研究采用厌氧或硝化污泥作为接种污泥的启动时间缩短了近70%。EGSB反应器经过100 d连续运行,总氮去除负荷稳定在1.05±0.18 kg-N/m3 d,NO2--N去除率稳定在97.38±0.06%。富集物的比厌氧氨氧化速率为5.73 mg-N L-1 h-1 g vss-1,ΔNH4+-N/ΔNO2--N为1.24,接近厌氧氨氧化反应理论基质消耗比。因为反硝化细菌的存在体系ΔNO3--N/ΔNH4+-N比值为0.19,低于理论比值0.26。反应器运行期间系统内群落结构变化明显,经85 d培养反应器内主导微生物由异养微生物向厌氧氨氧化菌属转变,主要表现为群落结构变为单一,AnAOB成为反应器优势物种,通过构建系统发育树发现体系内AnAOB物种主要有Candidatus Brocadia fulgida、Candidatus Jettenia caeni、Candidatus Brocadia sinica、Candidatus Kuenenia stuttgartiensis其物种相对含量分别为14.64%、2.94%、0.31%、0.01%。此外,发现疑似新厌氧氨氧化菌种OTU32,其与Candidatus Brocadia anammoxidans物种关系较近,但仍需进一步研究。(2)研究了养殖废水中典型重金属Cu2+、Zn2+、Cd2+对ANAMMOX反应的抑制效应。结果表明Cu2+、Zn2+、Cd2+单独投加时均对厌氧氨氧化反应具有抑制作用,且三种重金属的IC50值分别为8.62 mg/L、20.24 mg/L、20.22 mg/L,相对毒性大小为Cu2+>Cd2+>Zn2+。正交联合抑制试验结果表明,Cu2+、Zn2+、Cd2+联合投加时水平不同,对厌氧氨氧化反应的抑制程度不同,三种重金属中Cu2+对厌氧氨氧化反应的抑制作用最强,其次分别为Cd2+和Zn2+。(3)研究了养殖废水中典型抗生素对ANAMMOX反应的抑制效应。结果表明,盐酸金霉素对厌氧氨氧化反应抑制效果明显,10 mg/L浓度下其相对比厌氧氨氧化率即下降至85.53%,通过拟合剂量-效应曲线求得其半数抑制浓度IC50为87.89mg/L,属目前抗生素类物质对厌氧氨氧化反应IC50的低值。而泰乐菌素酒石酸酯在0-1280mg/L的浓度范围下,均对厌氧氨氧化反应的抑制不明显,无法获得拟合曲线,因此未计算出该抗生素的IC50值。不同浓度的盐酸左氧氟沙星对厌氧氨氧化反应的抑制效应不同,50-800 mg/L浓度范围内均有抑制,当其浓度从50 mg/L增加至800 mg/L,比厌氧氨氧化率从5.56 mg-N L-1 h-1 g vss-1下降至1.67 mg-N L-1h-1 g vss-1,通过拟合剂量-效应曲线求得其半数抑制浓度IC50为529.34 mg/L。(4)选取了毒性较高的Cu2+、Cd2+以及金霉素作为抑制因子,研究了抗生素与重金属对ANAMMOX反应的联合抑制效应。添加金霉素、Cd2+、Cu2+后,与对照组相比,其相对比厌氧氨氧化率为24.37%-96.54%。三种抑制因子中Cu2+对相对比厌氧氨氧化率影响非常显著,Cd2+对相对比厌氧氨氧化率影响较为显著,金霉素对相对比厌氧氨氧化率影响不显著。三种抑制因子中Cu2+与金霉素之间不存在交互作用,Cu2+与金霉素对相对比厌氧氨氧化率的影响为独立作用,而Cd2+与金霉素对相对比厌氧氨氧化率的影响为拮抗作用。本研究以养殖废水为对象,提出了目前工程中可运用的厌氧氨氧化工艺快速启动的策略,探明了养殖废水中重金属与抗生素对厌氧氨氧化工艺的影响,为将厌氧氨氧化工艺引入养殖废水的处理提供了技术支撑。
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