摘要
厌氧氨氧化(Anaerobic Ammonia Oxidation, Anammox)技术作为一种新型的可持续生物脱氮工艺，采用NH4+-N和NO2--N作为底物，在厌氧条件下进行脱氮反应，具有耐高氮负荷、理论脱氮效率高(达88.8%)、运行过程能耗低、剩余污泥产生量少等优点。因此，厌氧氨氧化技术在处理晚期垃圾渗滤液、污泥热水解消化液、养殖废水等高氨氮废水方面具有天然的优势。然而，在实际推广应用过程中，厌氧氨氧化技术也面临厌氧氨氧化菌生长缓慢、富集困难、反应启动时间长、易受基质和环境条件影响和抗冲击负荷能力差等问题。 膜生物反应器(Membrane bioreactor, MBR)可以实现水力停留时间(Hydraulic retention time, HRT)和污泥龄(Sludge retention time, SRT)的分离，适合富集长污泥龄的厌氧氨氧化菌。而填料价格低廉、比表面积高，适于微生物附着生长，在提高厌氧氨氧化系统的抗冲击负荷能力方面具有可行性。本研究通过在膜生物反应器中添加固定填料，形成固定膜-膜生物反应器，研究固定填料对膜生物反应器快速启动及长期运行阶段的厌氧氨氧化菌富集情况、污染物去除效能、抗冲击负荷能力、微生物群落结构特性的影响，以期强化系统的厌氧氨氧化性能。 研究了聚氨酯(Polyurethane, PU)固定填料对反应器的快速启动效果的影响。在启动阶段，实验组(固定膜-膜生物反应器，IF-MBR)和对照组(膜生物反应器，C-MBR)的脱氮性能均得到了较好的提升。在第75天时，IF-MBR的总氮去除负荷(Nitrogen removal rate, NRR)达到0.56kgNm-3d-1，同时氨氮去除负荷(Ammonia removal rate, ARR)达到0.26kgNm-3d-1，厌氧氨氧化系统启动成功。在第85天时，C-MBR的NRR达到0.52kgNm-3d-1，ARR达到0.24kgNm-3d-1，厌氧氨氧化系统启动成功。相较于对照组，加载固定填料有助于提高反应器的启动效率，缩短启动时间，降低启动成本。 系统地研究了固定膜-膜生物反应器长期运行过程中厌氧氨氧化菌富集情况、污染物去除效率、系统抗冲击负荷能力、胞外多聚物组成等。结果表明，在长期运行过程中，固定填料可明显提高厌氧氨氧化系统的氮负荷能力，且当进水氮浓度进一步增加时固定填料可以明显提高厌氧氨氧化系统的稳定性，在运行320天后实验组NRR达到1.09kgNm-3d-1，而对照组NRR仅为0.60kgNm-3d-1。此外，固定填料的负载极大地改变了微生物在膜生物反应器内的生长状态，能在有限的容积内对微生物进行更有效的富集，并有效缓解膜污染。对微生物胞外聚合物(Extracellular polymeric substance, EPS)进行检测发现，固定填料使大量胞外多聚物被固定在微生物表面，附着生长态的微生物衰亡后无法快速脱落，仍固定在膜丝和填料上，并产生了腐殖酸，且微生物的生长形态可能对松散结合型胞外多聚物(Loosely-bound EPS, LB)与可溶性微生物代谢产物(Soluble microbial product, SMP)之间的物质交换过程具有一定的影响。 高通量测序结果表明，长时间运行后，IF-MBR与C-MBR两个反应器内各部分的OTU和Shannon指数均下降，Simpson指数升高，表明反应器中的微生物群落功能性得到增强，多样性降低，其中IF-MBR填料部分OTU和Shannon指数为所测各部分的最高值，表明固定填料对微生物有非常明显的聚集作用。实验初期，两个反应器中CandidatusBrocadia的种群丰度均较低，在10%左右。此时短波单胞菌属Brevundimonas、金黄杆菌属Chryseobacterium、厌氧氨氧化菌属CandidatusBrocadia、Paenisporosarcina等4种微生物为优势菌群。经过250d的运行，IF-MBR内部悬浮液、膜丝、填料三部分CandidatusBrocadia的种群丰度差异较大，为悬浮液76%，膜丝样8%，填料样40%；C-MBR内部悬浮液、膜丝两部分CandidatusBrocadia的种群丰度未有明显差异，均在25~33%之间。此时两个反应器中粒杆黏细菌属Chondromyces、Blastocatella、厌氧氨氧化菌属CandidatusBrocadia等3种微生物为优势菌群。
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