摘要
苯胺在工业化生产过程中被广泛使用，若不经处理就排放会对水环境和人体健康造成一定的危害。同时，由于苯胺分子结构的特殊性，苯胺经生物降解后还会释放一定量的氨氮，氨氮也是水污染控制的一项重要指标。生物强化处理技术作为废水处理领域较为热门的研究方向之一，其在苯胺废水的生物处理及脱氮方面具有极大潜力。目前，国内外针对苯胺废水生物强化处理的研究大多集中于反应器性能优化以及利用高通量测序技术对微生物群落多样性进行分析，对生物强化反应器的启动及稳态运行机制还缺乏足够的认识。同时，在苯胺生物降解及脱氮机制等方面还存在许多迫切需要解决的问题。因此，本研究首先探究了生物强化反应器的启动，并采用宏基因组学技术深入分析了苯胺废水生物强化处理系统内微生物群落结构、代谢途径、功能基因以及功能微生物之间的相互关系，揭示了苯胺降解及氮代谢机理；然后评估了进水苯胺浓度，曝气时长，外加碳源三个主要运行工况对生物强化反应器除污性能的影响。主要研究内容和研究结果如下： （1）同步启动了O/A运行模式的生物强化系统和对照系统，重点考察了生物强化系统的性能优势以及微观结构。试验结果表明，虽然两组反应器启动完成时苯胺和COD去除率均能达到95%以上，但是强化反应器表现出更高的去除速率以及更强的抗冲击负荷能力。宏基因组测序结果表明，Thauera和unclassified_p_Bacteroidetes在强化系统启动运行过程中逐渐占主导，外部添加的高效菌剂AD1在强化系统内得到了富集，并刺激了相关功能菌丰度的升高。强化系统启动运行过程中微生物代谢途径及其丰度变化不大，参与苯胺降解的相关功能基因丰度逐渐升高，而参与氮代谢的相关功能基因丰度有所降低。 （2）通过新建基因集重点分析了生物强化系统启动运行过程中苯胺降解及氮代谢机理。发现苯胺首先在苯甲酸1,2-双加氧酶（由benA-xylX编码）作用下转化为邻苯二酚，同时释放氨氮。邻苯二酚主要经间位裂解进行后续转化，最终形成乙醛和丙酮酸。氨氮一部分经氨氮同化途径进入谷氨酸代谢，一部分经硝化过程转化为硝氮。系统中积累的硝氮主要通过好氧和缺氧反硝化过程，同化和异化硝酸盐还原过程被还原。 （3）探究了200、600、1000mg/L三组进水苯胺浓度对生物强化反应器的影响。试验结果表明，三组强化反应器在好氧阶段基本都能将苯胺去除完全，系统出水COD浓度与进水苯胺浓度呈正比。进水苯胺浓度升高，系统对有机物的去除速率逐渐减慢，硝化效果逐渐变差，但进水苯胺浓度太低又不利于反硝化过程。宏基因组测序结果表明，随着进水苯胺浓度升高，三个系统中最优势菌属分别为Rhodococcus、unclassified_p_Bacteroidetes和Thauera，进水苯胺浓度的升高在一定程度上刺激了系统中苯胺降解相关功能基因丰度的升高。 （4）探究了5、6、7小时三组曝气时长对生物强化反应器的影响。试验结果表明，5小时的曝气时长就足够完全降解600mg/L的进水苯胺，但是系统硝化效果相对较差。当曝气时长增加至7小时时，系统反硝化效果变差，硝氮发生明显积累。宏基因组测序结果表明，6小时曝气时长条件下生物强化系统中微生物群落分布更均匀，Bdellovibrio丰度占比最大，同时系统中参与苯胺降解和氮代谢的相关功能基因丰度也相对更高。 （5）探究了丁二酸钠、乙酸钠、葡萄糖三种外加碳源对生物强化反应器的影响。试验结果表明，外碳源的长期添加对强化反应器苯胺的去除没有影响，但是乙酸钠的添加能最大程度上促进强化系统中COD和氮素的降解，同时更有利于系统中活性污泥生物量的富集。宏基因组测序结果表明，添加乙酸钠的强化系统中丰度占比靠前的菌属种类更多，Leptothrix在系统中占主导，而添加丁二酸钠和葡萄糖的强化系统中都是Thauera占主导，同时在添加乙酸钠的强化系统中参与苯胺降解和氮代谢的相关功能基因丰度相比启动期普遍升高了。 本研究基于宏基因组学技术，开展了对苯胺废水生物强化处理系统的启动及不同运行工况的深入研究，阐明了苯胺生物降解和脱氮的机理及代谢途径，为苯胺类工业废水生物处理的实际工程应用提供了指导和参考。
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