乙酸钠对厌氧氨氧化生物膜系统的影响

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随着经济的快速发展和人民生活水平的提高,我国水环境的污染已经由有机物污染逐渐转变为氮磷带来的水体富营养化污染。厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation,ANAMMOX)由于脱氮效率高、经济成本低等优势,成为当前备受瞩目的脱氮新工艺,并逐渐应用于废水脱氮处理研究上。然而厌氧氨氧化菌生长速率低,对生长环境具有高度敏感性,使其在应用上受到一定影响,如进水底物(NH4+-N和NO2--N)的浓度较高时会对厌氧氨氧化产生一定的抑制作用。在处理实际废水的过程中,有机物是影响厌氧氨氧化系统稳定性的最重要因素之一。其中,易生物降解有机物能够参与反硝化过程,当浓度过高时会对厌氧氨氧化产生抑制,但是适当浓度也能够促进系统的脱氮。易生物降解有机物对系统的影响不仅表现为改变其脱氮效率,更重要的是改变系统内微生物的种群结构以及菌群间的相互作用。因此本研究在序批式反应器(Sequencing batch reactor,SBR)反应器中启动ANAMMOX生物膜系统,通过逐步提高进水底物浓度以进一步提高厌氧氨氧化菌的活性,实现厌氧氨氧化菌的富集,并通过高通量测序技术对高低负荷条件下的生物膜污泥进行分析,明确生物膜上的微生物种群结构变化及功能菌群的分布。在ANAMMOX生物膜系统运行稳定后,选取乙酸钠为易生物降解有机物,探究其对厌氧氨氧化生物膜系统脱氮的影响,并从微观角度分析微生物种群结构的变化和差异性规律,以从微生物种群角度了解有机物对脱氮菌群协同竞争作用的影响,探究系统的脱氮机制。在SBR反应器中构建固定式生物膜系统,对厌氧氨氧化菌进行富集。经过35天厌氧氨氧化生物膜系统成功启动,总氮去除率达到85%以上。随后逐步提高进水负荷,当进水负荷(Nitrogen Loading Rate,NLR)提高至0.6 kg/(m~3·d)时,总氮去除率稳定在90%。高浓度进水负荷进一步促进了厌氧氨氧化生物膜的形成,且在生物膜的保护作用下,厌氧氨氧化菌活性较高,系统的抗冲击能力增强。通过高通量测序对不同进水负荷阶段的微生物种群结构进行检测,发现随着进水负荷的逐渐提高,Planctomycetes相对丰度由6.16%增加至9.98%;同时观察到三种厌氧氨氧化菌属Candidatus_Kuenenia、Candidatus_Brocadia和unclassified_f__Brocadiaceae,其中Candidatus_Kuenenia丰度最高;随着进水负荷的增加,Candidatus_Kuenenia丰度从5.78%增加到8.06%,这也为厌氧氨氧化生物膜系统的稳定脱氮提供保障。在厌氧氨氧化系统稳定后,向进水投加乙酸钠作为易生物降解有机物,探究其对系统脱氮的影响。研究发现在中低乙酸钠浓度(120±10mg/L和240±10mg/L)条件下,反硝化菌和厌氧氨氧化菌表现出协同作用,且在乙酸钠浓度为240±10mg/L条件下作用最强,总氮去除率提高至96%;在高浓度乙酸钠(350±20mg/L)条件下,反硝化菌和厌氧氨氧化菌的竞争作用更强,厌氧氨氧化反应受到明显的抑制作用,NH4+-N和TN去除率降低至70%和83%。对不同乙酸钠浓度下的生物膜样品进行高通量测序检测发现,Chloroflex相对丰度随乙酸钠浓度增加逐渐降低,Proteobactria和Planctomycetes随乙酸钠浓度增加逐渐成为优势菌门;包含全部厌氧氨氧化菌属的Brocadiaceae科相对丰度随乙酸钠浓度的增加逐渐上升至12.79%,表明乙酸钠的存在促进了厌氧氨氧化菌在生物膜上富集生长,为厌氧氨氧化生物膜系统的稳定脱氮提供了保障。添加乙酸钠后,系统内生物膜上同样检测到Candidatus_Kuenenia、Candidatus_Brocadia和unclassified_f__Brocadiaceae三种厌氧氨氧化菌属,其中Candidatus Brocadia在所有生物膜样本中的相对丰度都很低,unclassified_f__Brocadiaceae和Candidatus Kuenenia属于优势菌属,但受乙酸钠浓度影响较大。
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