摘要
厌氧氨氧化细菌（Anammox bacteria）和反硝化厌氧甲烷氧化古菌（n-DAMO archaea）的互营共生能够实现氨氮、硝态氮、亚硝碳氮和甲烷的同步去除，为高N/C比废水厌氧处理过程氮元素的高效去除并解决厌氧甲烷散排问题提供了技术路线。现有的以二者为核心功能菌的厌氧氨氧化-厌氧甲烷氧化（Anammox-DAMO）耦合技术普遍存在启动时间过长，稳定性差和氮去除率低等问题，造成问题的核心原因在于两种核心功能菌世代时间长，生态位狭，以及反硝化厌氧甲烷氧化细菌（n-DAMO bacteria）等菌群的底物竞争。通过反应器结构改善提高污泥截留率和停留时间，采取投加碳等导电材料提高种间直接电子传递和微生物群感聚集效应，通过微量元素促进核心功能菌群生长代谢，是强化Anammox菌和DAMO古菌富集、生长和代谢的重要方法。然而，目前对二者的协同富集研究主要集中在反应器的优化、菌群结构分析和脱氮效率，而对外源物质协同脱氮除甲烷强化途径关注不足。在进一步优化反应器的基础上，深入探究外源物质添加对Anammox细菌和DAMO古菌协同脱氮除甲烷强化途径及效应，对基于Anammox细菌和DAMO古菌互营功能主导的脱氮除甲烷工艺的开发具有重要意义。 本研究旨在探索以DAMO和Anammox菌互营功能为核心的厌氧甲烷氧化同步脱氮除甲烷强化模式。本研究采用连续流和批式试验模式，结合色谱分析法、微生物高通量测序、电镜分析、化学计量学分析等多种试验和测试分析方法，从DAMO和Anammox菌种连续流富集、改性活性炭促进菌种互营脱氮除甲烷、Anammox-DAMO连续流强化系统的运行与优化等三方面解析了从DAMO和Anammox菌群协同富集代谢氮和甲烷的微生物学过程、探索了改性炭材料对其协同富集和互营代谢过程可能的强化效果、验证了改性炭材料富集DAMO和Anammox菌群实现高效脱氮除甲烷技术路线的可行性。主要包括: 首先，本实验利用膜曝气膜生物反应器（MAMBR）与厌氧折流板反应器（ABR）构建连续流微生物富集系统，通过348天的驯化培养，MAMBR-ABR耦合反应器初步富集了厌氧氨氧化和厌氧甲烷氧化菌群。高通量测序表明，经过长时间驯化，系统内微生物群落实现从Methanobacterium、Pseudomonas、Denitratisoma为主的接种微生物菌群转向以Anammox菌Candidatus Brocadia（最高达35.38％）、好氧甲烷氧化菌Methylomonas（最高达5.60％）、厌氧甲烷氧化细菌Candidatus Methylomirabilis（最高达4.57％）、厌氧甲烷氧化古菌Candidatus Methanoperedens（最高达5.12％）等的优势菌种。利用系统处理模拟污泥厌氧消化液（NH4+-N、NO2--N和NO3--N的浓度为800mg N·L-1、1000mg N·L-1和200mg N·L-1）过程中TN处理速率为439.94±22.31mg N·L-1·d-1,其中NH4+-N的去除效率为37.18％,NO2--N和NO3--N的去除效率分别为56.48％和26.44％。以上结果表明，系统在处理高氮浓度废水时其脱氮效率有待进一步提高。 其次，为进一步提高系统的脱氮性能，采用投加改性活性炭的方式对耦合微生物进行影响试验。通过批试实验确定不同改性炭（粉末活性炭:PAC、Fe负载粉末活性炭:FePAC和Fe/Cu负载粉末活性炭:FeCuPAC）的最佳投加量和种类，短期实验结果表明,PAC、FePAC、FeCuPAC的最适合投加量分别为0.25g·L-1、0.25g·L-1和0.025g·L-1。将以上三种最佳投加量的改性活性炭进行长期实验，结果表明0.25g·L-1的FePAC对耦合菌活性的提高效果最好，0.25g·L-1PAC实验组次之。且PAC与FePAC都能较好提高目标菌群的相对丰度，另外，Chao和Shannon指数显示，FePAC组的微生物物种数量最丰富，且分布最为均匀，故后续的强化实验选择投加量为0.25g·L-1FePAC作为强化材料。 最后，根据批式试验确定的最佳投加量，将0.25g·L-1FePAC投加到反应器继续运行120天，结果发现在处理污泥厌氧消化液过程TN去除速率提高434.65mgN·L-1·d-1,其中NH4+-N和NO2--N的去除效率分别达到97.15％和93.14％,甲烷氧化速率从2.57提高至4.43μmol·L-1·d-1。另外的，加入FePAC后反应器微生物中CandidatusBrocadia、Pseudomonas、Denitratisoma、Methylomonas和Candidatus Methanoperedens的相对丰度分别提高了3.16、12.06、0.74、5.27和1.12个百分点。Pseudomonas丰度（0.03％提升至12.06％）的增加促进Anammox菌、反硝化菌和甲烷氧化菌的生长;同时,Methylomonas产生的有机物供给反硝化细菌。FePAC可能促进了直接种间电子转移（DIET）,从而提高了Anammox-DAMO菌落的生物活性。
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