反硝化厌氧甲烷氧化耦合厌氧氨氧化体系处理含盐污水脱氮研究

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反硝化厌氧甲烷氧化(Denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)与厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation,Anammox)工艺的耦合连接了碳和氮的生物地球化学循环,这一过程可以实现甲烷的厌氧氧化与污水中氮的去除。海洋厌氧氨氧化菌(Marine Anammox bacteria,MAB)是厌氧氨氧化细菌中可耐受高盐度的一个属,在含盐污水处理方面有很大的潜力。本研究的目的是接种MAB活性污泥,在三个曝气频率不同的序批式反应器内,通过间断曝气方式提供甲烷,富集DAMO功能微生物,利用DAMO-Anammox工艺实现含盐(35.0‰)污水的处理,并分析曝气频率对脱氮性能及微生物多样性的影响。经过270 d的运行,成功启动了DAMO-Anammox工艺,实现了含盐污水中氨氮和硝态氮的同步去除。通过不同曝气频率下氨氮和硝态氮的去除效果分析,氨氮去除率与曝气频率呈负相关,而硝态氮去除率与甲烷曝气频率呈正相关。但是,曝气频率为2次/天时,总氮去除率最高(91.70±0.08%),且硝态氮与氨氮去除摩尔比(1.06±0.15)最接近理论值1.06。采用高通量测序技术分析了微生物多样性,结果显示Candidatus Scalindua与Candidatus Methanoperedens的相对丰度随甲烷曝气频率的增加而增加。根据微生物Alpha和Beta多样性分析,高的曝气频率有利于微生物菌群丰富度,但会降低群落多样性,曝气频率对微生物物种丰度多样性的影响更为显著。通过宏基因组测序技术分析了DAMO-Anammox工艺处理含盐污水甲烷和氮素的生物代谢通路,产甲烷代谢模块(13.45%)路径中的关键酶,如甲基-辅酶M还原酶(17580 hits),均具有较高的丰度,说明甲烷主要是通过反向产甲烷代谢路径实现厌氧氧化。反硝化(45.07%)和硝酸盐还原模块(32.93%)中高丰度的硝酸盐还原酶(61623 hits)也为硝态氮还原为亚硝态氮过程的存在提供了有力证据。亚硝酸盐还原酶(19238 hits)、肼合成酶(18622 hits)和肼脱氢酶(8896hits)等Anammox过程的关键酶均有较高的丰度值。DAMO-Anammox工艺处理含盐污水时厌氧甲烷氧化为硝酸盐的还原提供电子,产生的亚硝态氮与污水中的氨氮可直接被MAB转化为氮气最终实现含盐污水脱氮。
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