摘要
厌氧氨氧化（AnaerobicAmmoniaOxidation，Anammox）因其低耗高效成为废水生物脱氮领域的研究热点，但厌氧氨氧化菌（AnAOB）为自养型微生物，对环境条件敏感限制了Anammox技术在污水处理工艺中的应用。将Anammox脱氮过程与微生物燃料电池（MicrobialFuelCell，MFC）技术耦合，可利用MFC产生电场提升AnAOB活性，实现节能降耗和可持续发展。论文主要研究基质浓度、添加外源碳及温度对ANAMMOX-MFC耦合系统运行效能的影响，探讨耦合系统的脱氮产电机理，具体研究结果如下： （1）基质浓度对耦合系统脱氮产电性能的影响。随进水基质NH4+-N和NO2--N浓度分别从50mg·L-1和66mg·L-1逐渐升至150mg·L-1和187.5mg·L-1，ANAMMOX-MFC耦合系统的总氮去除负荷从229.68mgN·L-1·d-1增加至573.75mgN·L-1·d-1，脱氮速率先增加后降低。耦合系统最高输出电压和功率密度为50mV和7.5mW·m-3，电容先增大后减小，内阻先减小后增大。随基质浓度增加，微生物多样性下降，具有厌氧氨氧化功能的微生物CandidatusBrocadia和CandidatusJettenia进一步富集，其中，CandidatusBrocadia是主要功能微生物。 （2）后续碳源提升ANAMMOX-MFC耦合系统脱氮产电性能及其稳定性的影响。ANAMMOX-MFC耦合系统添加乙酸钠（80mg·L-1）在闭路状态下可稳定运行60天左右，后续由于污泥水解酸化出水NH4+-N浓度升高导致总氮脱除效果变差，总氮去除率仍能维持90%左右，停止乙酸钠添加后脱氮效果迅速恢复。ANAMMOX-MFC耦合系统出水NH4+-N浓度可以作为系统失衡“信号”，停止外加乙酸钠碳源作为恢复措施，出水NO3--N浓度升高作为再次添加碳源的“信号”，有利于调节ANAMMOX-MFC耦合系统更加良好稳定的运行。 （3）温度变化对ANAMMOX-MFC耦合系统运行效能的影响。ANAMMOX-MFC耦合系统的运行温度从30℃梯度降温至15℃，系统脱氮性能降低，总氮去除负荷由0.441kgN·m-3·d-1降低至0.325kgN·m-3·d-1，氮去除速率降低66.7%。降温对ANAMMOX-MFC耦合系统的产电能力影响较小，15℃下微生物活性下降，电子转移速率降低，系统内阻减小。厌氧氨氧化菌CandidatusBrocadia和CandidatusJettenia的相对丰度均显著降低，功能基因hzsB拷贝数增多。直系同源蛋白簇（COG）和KEGG分析表明，15℃下参与转录翻译，无机离子、脂质、氨基酸转运和分解代谢等的COG功能基因显著高于30℃，且阳极生物膜上的核苷二磷酸还原酶、乙酰转移酶、过氧化物酶、ATP水解酶等KEGG功能酶相对丰度占87%左右，显著高于30℃。 （4）ANAMMOX-MFC耦合系统脱氮产电机理分析。ANAMMOX-MFC耦合系统中阳极生物膜在脱氮、产电中均发挥主要作用。闭路时电耦合状态下ANAMMOX-MFC系统脱氮效果显著高于开路，表明闭路状态对耦合系统脱氮具有强化作用；但开路时的厌氧氨氧化菌CandidatusBrocadia和CandidatusJettenia相对丰度更高，且功能基因hzsB拷贝数大于闭路状态。15N同位素标记实验证明，ANAMMOX-MFC耦合系统中70%左右NH4+-N通过厌氧氨氧化过程脱除，25%左右NH4+-N经由电化学转化过程去除，本论文为耦合系统同步脱氮产电机制和长期稳定运行的实践应用提供理论支撑。
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