摘要
广泛存在于陆地和海洋环境中的anammox菌（AnAOB)为新型脱氮技术的开发提供了一种崭新的途径。全程自养脱氮工艺（CANON)是基于厌氧氨氧化（Anammox)的一种新型脱氮工艺，它在同一反应器协同氨氧化菌（AOB)和AnAOB的作用，实现全程自养脱氮的目的。CANON工艺具有运行成本低、脱氮性能高等优点。针对CANON工艺功能菌群富集困难、脱氮性能需进一步强化等问题，试验构建了不同连续流CANON反应器，并研究不同浓度铁对CANON系统生物膜及颗粒污泥的结构特征、功能菌群富集特性的影响，揭示不同价态铁对CANON工艺的脱氮途径及机理，为CANON系统高效运行和工业化应用提供技术支撑，获得的主要结论包括: (1)在微曝气条件下（DO为0.28±0.11mg/L)，anammox工艺能够保持良好稳定的脱氮性能，NH4+-N、NO2--N和TN的去除率分别为96.26％±0.66％、99.67％±0.20％和89.27％±1.16％。逐步降低进水NO2--N可以使anammox系统逐渐适应运行环境并成功启动CANON工艺，但需要调控DO浓度强化系统脱氮性能。在CANON污泥系统中添加生物膜能够有效持留污泥，且载体生物膜和污泥对系统脱氮的贡献接近于1∶1。Planctomycetes、Proteobacteria和Chloroflexi为CANON系统污泥和生物膜优势门。由于DO增加，Planctomycetes的RA值由21.12％降低到16.65％，受到水力负荷冲击后进一步降低到8.48％。AnAOB属CandidatusJettenia和CcmdidatusBrocadia更容易富集在粒级＞1mm的污泥，而AOBNitrosomonas和NOBNitrospira属主要分布在粒级＜1mm污泥中。CandidatusJettenia和CandidatusBrocadia在弹性填料（BFESM)生物膜中的RA值分别为2.42％和4.72％，明显高于球型填料（BFBC)和柱状填料(BFCC)生物膜。BFESM生物膜中与厌氧氨氧化相关的功能基因RA高于BFCC和BFBC,与聚氨酯填料（BFPU)中的RA相似。 (2)在室温条件下饥饿约46d之后，经过50d的恢复与稳定，反应器脱氮性能得到恢复且基本保持稳定，平均TN去除率为53.33％±1.51％。外源添加硝化污泥能够有效提高CANON系统运行性能，且在多次添加硝化污泥后长时间不再继续添加硝化污泥，CANON系统也可以保持稳定运行，系统平均氨氮去除率和平均总氮去除率分别为83.40±3.27％和59.38±2.80％。5mg/L的Fe(Ⅱ)可以提升CANON系统的运行性能，对应平均TN去除率为60.92％±3.53％，但5mg/L的Fe(Ⅲ)会抑制CANON系统脱氮性能。经过224d的稳定运行，CANON工艺污泥中富集了较丰富的AnAOB,且可长期经受DO的抑制。BFBC和BFCC生物膜中Proteobacteria门占据绝对优势，BFPU和BFESM生物膜中，Planctomycetes和Proteobacteria为优势门。5mg/LFe(Ⅱ)条件下，CandidatusJettenia和CandidatusBrocadia都是系统污泥内的优势AnAOB属，但低于性能恢复阶段P1的RA值。 (3)在活性炭（AC)-活性炭海绵（ACS)生物膜-颗粒污泥CANON系统中，5mg/LFe(Ⅲ)和5mg/LFe(Ⅱ)促进CANON性能，且强化效果大于2.3mg/LFe(Ⅱ)。进水Fe(Ⅱ)与EDTA1∶1络合的反应器较进水Fe(Ⅱ)未完全络合的反应器在成功启动以后能够更长期保持稳定运行。相比于AC生物膜，ACS生物膜中所测PN和PS含量较高，表明该载体生物膜形成更好。CandidatusJettenia和CandidatusBrocadia是CANON生物膜中主要的AnAOB,Nitrosomonas和Nitrospira分别是主要的AOB和NOB属。5mg/LFe(Ⅲ)降低了CANON污泥中的AnAOB,但是明显提升了AC生物膜中CandidatusJettenia和CandidatusBrocadiaaACS生物膜中AnAOB属CandidatusJettenia相比对照反应器提升了3.52倍，AOB属没有观察到明显变化。
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