【摘要】：以亞硝化工藝和厭氧氨氧化(Anammox)工藝為基礎(chǔ)的新型脫氮工藝具有良好的應(yīng)用前景。本研究針對亞硝化工藝控制過程復(fù)雜、運(yùn)行難穩(wěn)定以及厭氧氨氧化菌富集緩慢、工藝啟動周期長等關(guān)鍵問題,通過實驗探討了亞硝化工藝和厭氧氨氧化工藝的啟動及穩(wěn)定運(yùn)行策略,并借助分子生物學(xué)分析手段和方法,探究在不同選擇壓力(進(jìn)水條件、控制參數(shù))和不同環(huán)境條件(反應(yīng)器類型、接種污泥)下,微生物群落結(jié)構(gòu)的特點和演替規(guī)律,建立“影響因子-功能微生物種群結(jié)構(gòu)變化-反應(yīng)器運(yùn)行效果”的內(nèi)在聯(lián)系,從根本上探索亞硝化工藝和厭氧氨氧化工藝啟動及穩(wěn)定運(yùn)行的充要條件,為新型高效的生物脫氮技術(shù)提供理論支持。以沈陽市南部污水處理廠二沉池排出的好氧污泥為種泥,采用傳統(tǒng)序批式活性污泥法工藝(SBR),以人工模擬廢水為處理對象,采取低氧運(yùn)行與利用氯酸鉀和聯(lián)氨作抑制劑策略,經(jīng)過84天培養(yǎng)馴化成功啟動了亞硝化工藝,氨氧化率和亞硝酸鹽積累率分別為86.02%和83.13%。此后,通過添加聯(lián)氨(10 mg/L)和快速提升進(jìn)水氨氮濃度(至550 ±10 mg/L)的方式,實現(xiàn)了從完全亞硝化向半亞硝化的轉(zhuǎn)型,出水中N02-N:NH4+-N摩爾比約為1.07,滿足厭氧氨氧化工藝進(jìn)水要求。通過平行試驗進(jìn)一步確定了亞硝化工藝最佳運(yùn)行工藝條件,當(dāng)pH、溶解氧(DO)分別為8.0、0.5 mg/L,抑制劑氯酸鉀和聯(lián)氨的最佳投藥劑量分別為5 mmol/L、5 mg/L時,系統(tǒng)平均氨氧化率分別可達(dá)92.93%和98.36%,平均亞硝酸鹽積累率分別可達(dá)78.89%和86.08%,試驗結(jié)果表明聯(lián)氨提升亞硝化效果的能力優(yōu)于氯酸鉀。采用高通量免培養(yǎng)測序技術(shù)對亞硝化工藝不同時期活性污泥中細(xì)菌微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,長期馴化后系統(tǒng)內(nèi)細(xì)菌群落多樣性下降,主要優(yōu)勢門類群為變形菌門(Proteobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)和擬桿菌門(Bacteroidete);變形菌門下的氨氧化菌(AOB)亞硝化單胞菌科(Nitrosomonadaceae)是亞硝化功能的承擔(dān)者,其豐度與系統(tǒng)的亞硝化能力呈正相關(guān);接種污泥經(jīng)氯酸鉀和聯(lián)氨馴化后,變形菌門豐度從初始的36.37%分別被提升至62.34%和72.33%,Nitrosomonadaceae豐度分別達(dá)到51.55%和59.49%,而亞硝酸鹽氧化菌(NOB)硝化螺旋菌(nitrospira)從5.64%下降至0.01%；長期處于低氧條件,厭氧繩菌綱AnaerolineaeSBR1031細(xì)菌和WS6門細(xì)菌豐度上升成為群落優(yōu)勢菌;間歇投加5 mmol/L氯酸鉀時,Aritrosomonatdaceae豐度最高可達(dá)到29.51%,而間歇投加5 mg/L聯(lián)氨時,Nitrosomonadacmoe豐度最高可達(dá)60.20%,相比傳統(tǒng)抑制劑氯酸鉀,添加聯(lián)氨更有利于提高氨氧化細(xì)菌在群落中的豐度。綜合以上結(jié)果說明,采取低氧運(yùn)行并選用適當(dāng)?shù)囊种苿?可以有效抑制NOB的增殖,有利于提高AOB功能菌在群落內(nèi)的相對豐度,直接體現(xiàn)為亞硝化體系能夠獲得更高的氨氧化率和亞硝酸鹽積累率,且工藝運(yùn)行更加穩(wěn)定。分別以單級短程硝化-厭氧氨氧化脫氮工藝(SNAP)工藝污泥和厭氧氨氧化顆粒污泥為接種物,上流式厭氧污泥床(UASB)和連續(xù)攪拌反應(yīng)器系統(tǒng)(CSTR)為反應(yīng)器,以人工模擬廢水為處理對象,基于基質(zhì)脅迫和水力壓力的工藝運(yùn)行策略,考察了接種污泥類型和反應(yīng)器類型對厭氧氨氧化工藝啟動及運(yùn)行性能的影響。結(jié)果顯示,AR1(SNAP污泥,UASB反應(yīng)器)、AR2(Anammox顆粒污泥,UASB反應(yīng)器)和AR3(Anammox顆粒污泥,CSTR反應(yīng)器)經(jīng)歷73天、53天和50天馴化,均成功實現(xiàn)了厭氧氨氧化工藝的啟動。3個反應(yīng)器分別290天、276天和289天穩(wěn)定運(yùn)行均可以培養(yǎng)出紅色厭氧氨氧化顆粒污泥,并實現(xiàn)高效高負(fù)荷脫氮,最高總氮負(fù)荷分別達(dá)到 11.51 kg-N/(m3·d)、16.43 kg-N/(m3·d)和 27.44 kg-N/(m3·d),對應(yīng)總氮去除負(fù)荷可達(dá)到 9.53 kg-N/(m3·d)、14.09 kg-N/(m3.d)和 24.00 kg-N/(m3·d)。上述結(jié)果表明,以厭氧氨氧化顆粒污泥為種泥可以縮短啟動的時間,啟動過程中脫氮效果更穩(wěn)定,可獲得更高的脫氮性能;CSTR作為厭氧氨氧化工藝啟動及運(yùn)行反應(yīng)器,具有傳質(zhì)效果好、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)和脫氮性能更佳的優(yōu)勢。采用高通量免培養(yǎng)測序技術(shù)分析厭氧氨氧化工藝啟動和穩(wěn)定運(yùn)行階段活性污泥中細(xì)菌類微生物群落結(jié)構(gòu),結(jié)果表明,受接種污泥類型和反應(yīng)器類型的影響,各反應(yīng)器內(nèi)細(xì)菌微生物群落演替規(guī)律及優(yōu)勢類群組成和豐度的差異較大。AR1反應(yīng)器運(yùn)行各階段污泥中主要優(yōu)勢門為變形菌門和厚壁門(Firmicutes);長期運(yùn)行后,浮霉菌門(Planctomycetes)、綠彎菌門和綠菌門(Chlorob/)豐度上升成為優(yōu)勢門類群；厭氧氨氧化菌Candatus Brocaia豐度顯著升高,穩(wěn)定期豐度達(dá)到10.71%成為厭氧氨氧化功能主要承擔(dān)者;紅環(huán)菌科RhodocyclaceaeDok59屬、OD1門細(xì)菌和梭菌屬(Clostridium)在穩(wěn)定運(yùn)行階段豐度上升成為優(yōu)勢屬類群。AR2反應(yīng)器運(yùn)行各階段污泥中主要優(yōu)勢門為變形菌門、浮霉菌門、綠彎菌門、綠菌門;長期運(yùn)行后,擬桿菌門和酸桿菌門(Acidobacteria)豐度上升成為優(yōu)勢門類群;Brocadiaceae主導(dǎo)厭氧氨氧化反應(yīng),馴化后豐度從接種時的31.24%下降至穩(wěn)定期的 7.00%;叢毛單胞菌科(Comatonadaceae)、hoccyclaceaeDok59 屬、熱單孢菌屬(Thermomonas)、A naerlineae和Ignaetrgaceae為系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)勢屬類群。AR3反應(yīng)器運(yùn)行各階段污泥中主要優(yōu)勢門為變形菌門、浮霉菌門、綠彎菌門、綠菌門和擬桿菌門;Brocidiaceae主導(dǎo)厭氧氨氧化反應(yīng),在穩(wěn)定期豐度達(dá)到30.86%成為第一優(yōu)勢屬類群;Comawominadaceae 和 Rhoidocyclaceae Dok59 屬,Anaerollineae和Ignavibacleriaceae均為系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)勢屬類群。三個反應(yīng)器中均存在高豐度具有反硝化、磷代謝功能相關(guān)的化能異養(yǎng)型類群,而浮霉菌門、變形菌門、擬桿菌門、綠彎菌門、綠菌門是各厭氧氨氧化工藝穩(wěn)定運(yùn)行期的核心門類群。啟動運(yùn)行過程中,AR1群落結(jié)構(gòu)變化最大,AR2厭氧氨氧化菌群總豐度下降,而AR3具有最優(yōu)的厭氧氨氧化菌富集效果。上述結(jié)果表明,反應(yīng)器類型對厭氧氨氧化菌在群落中的豐度影響大于接種污泥類型的影響,但不同種泥來源直接影響厭氧氨氧化菌的種類,二者的綜合作用決定了反應(yīng)器的綜合脫氮效能�；诤昊蚪M學(xué)研究,以Candidats Kuenenia stuttgartiessis為模式細(xì)菌進(jìn)行代謝通路分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在四氫葉酸(THF)、輔酶A(CoA)、輔酶Q(CoQ)和生物素(biotin)等重要生長因子的代謝途徑上,部分酶蛋白編碼基因不表達(dá)或缺失,這可能造成生長因子的合成障礙,推測厭氧氨氧化菌為營養(yǎng)缺陷型細(xì)菌,必須以互利共生的生長方式存在于活性污泥的細(xì)菌群落中,這一研究結(jié)果闡明了厭氧氨氧化菌無法進(jìn)行純培養(yǎng)的原因。該發(fā)現(xiàn)對構(gòu)建更穩(wěn)定的厭氧氨氧化體系以及對厭氧氨氧化宏基因組研究具有一定的啟示。本研究成果為進(jìn)一步完善亞硝化工藝和厭氧氨氧化工藝的啟動及穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行了有益的探索,對以這兩種工藝為基礎(chǔ)的新型生物脫氮技術(shù)的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。
【圖文】：

形態(tài)特征多為球狀、桿狀、螺旋狀，廣泛存在于土壤、淡水和海洋等逡逑環(huán)境中，可以將氨氮氧化成亞硝態(tài)氮。序列同源性系統(tǒng)發(fā)育分析表明氨氧化菌的逡逑系統(tǒng)發(fā)育相對單一，均屬于變形菌門的Ｐ－和Ｙ－變形菌綱（如圖１．１）。目前已知的逡逑ＡＯＢ可分為５個屬，分別為亞硝化球菌屬（ＭＹｒａｗｃｏｃｃｗｓ）、亞硝化單胞菌屬逡逑亞硝化葉菌屬亞硝化螺菌屬（ＭＹｒｏｓｕｓｐ／ｒａ）、逡逑－６－逡逑

氧氨氧化反應(yīng)機(jī)理逡逑厭氧氨氧化反應(yīng)機(jī)理及厭氧氨氧化細(xì)菌內(nèi)部分子傳質(zhì)途徑，能藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。Ｊｅｔｔｅｎ等［６８］提出了厭氧氨氧化氮代謝反應(yīng)為ＮＣＹ－Ｎ會在亞硝酸還原酶的作用下被催化還原成ＮＨ２ＯＨ，Ｎ酶（Ｈｙｄｒａｚｉｎｅ邋Ｈｙｄｒｏｌａｓｅ，ＨＨ）的催化下與ＮＨ３結(jié)合成Ｎ２Ｈ４，酶（ＨｙｄｒａＺｉｎｅ邋Ｏｘｉｄｏｒｅｄｕｃｔａｓｅ，ＨＺＯ）將Ｎ２Ｈ４還原成Ｎ〗。但該厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)生ＮＣＶ的現(xiàn)象。隨著宏基因組等技術(shù)的開發(fā)，基因組及酶學(xué)對厭氧氨氧化機(jī)理模型進(jìn)行了修正。修正后的模亞硝酸的還原產(chǎn)物不是ＮＨ２ＯＨ而是Ｎ０，亞硝態(tài)氮被ｃｄｌ型亞ｉｔｅ邋ｒｅｄｕｃｔａｓｅ，Ｎｉｒ）還原成邋ＮＯ，，ＮＯ邋在聯(lián)l#合成酶（ＨｙｄｒａＺｉｎｅ邋Ｓ催化下與ＮＨ４＋結(jié)合成Ｎ２Ｈ４，隨后聯(lián)l#水解酶（Ｈｙｄｒａｚｉｎｅ邋ＤｅＨｙｄｒｏＮ２Ｈ４還原成Ｎ２，而且亞硝酸鹽氧化酶可以將電子受體Ｎ（Ｖ轉(zhuǎn)化
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：X703

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2689239