摘要
由氮素排放造成的水体恶化以及富营养化问题尤为突出，但是传统的生物脱氮工艺存在占地面积大、能耗高、脱氮效果不稳定等问题。因此，研发新型生物脱氮技术是目前水处理领域的关注热点。厌氧氨氧化工艺作为近年来发展的新型生物脱氮技术，具有能耗低、污泥产量少、无需外加碳源等优势。但是，经厌氧消化处理的含氮有机废水往往残留小分子有机酸如乙酸和丙酸，二者如何对后续厌氧氨氧化生物脱氮工艺产生影响还不十分清晰。本研究通过考察不同浓度乙酸和丙酸对厌氧氨氧化系统脱氮效能及运行稳定性的影响，明确乙酸和丙酸对脱氮效能影响的阈值浓度，并提出由乙酸和丙酸引起的厌氧氨氧化系统崩溃后的恢复策略，揭示乙酸和丙酸对厌氧氨氧化系统影响的微生物学机制，以期为厌氧氨氧化工艺处理含氮有机废水的实际应用提供理论参考与技术支持。 采用两个厌氧膨胀颗粒污泥床连续流反应器(R1:添加乙酸，R2:添加丙酸)考察了不同有机酸对厌氧氨氧化生物脱氮系统的影响。结果表明，低浓度乙酸(30mg/L)和丙酸(21mg/L)的添加对厌氧氨氧化系统的脱氮效能有促进作用;但是，随着添加浓度的提高异养反硝化作用逐渐在系统中占据主导地位。当乙酸和丙酸的添加浓度达到270mg/L和191mg/L时，NH4+-N去除率分别降至30.29±1.42％和43.41±1.81％,乙酸和丙酸的降解量分别达到164.74±6.83mg/L和92.19±5.26mg/L，厌氧氨氧化脱氮贡献率分别降至28.35±1.08％和43.64±1.52％。 通过停止乙酸和丙酸添加、调整进水基质浓度和水力停留时间(HRT)，分别考察受乙酸和丙酸添加影响崩溃的厌氧氨氧化系统的恢复情况。结果发现，R1系统NH4+-N和NO2--N去除率经359d恢复至92.42±0.62％和93.58±0.38％，△NO2--N/△NH4+-N和△NO3--N/△NH4+-N比值分别稳定在1.34±0.06和0.27±0.04(接近理论值△NO2--N/△NH4+-N=1.32,△NO3--N/△NH4+-N=0.26),恢复后系统TNRE和TNRR分别达到82.68±1.78％和5.63±0.12kgN/m3·d。R2系统脱氮效能经362d恢复至93.86±0.27％和94.52±0.54％,△NO2--N/△NH4+-N和△NO3--N/△NH4+-N的比值恢复至1.33±0.04和0.27±0.02，经恢复后系统TNRE和TNRR分别达83.66±1.86％和6.11±0.23kgN/m3·d。因此，通过灵活调节进水基质浓度及HRT可实现厌氧氨氧化系统运行效能的恢复。乙酸对厌氧氨氧化系统的影响更剧烈也更易解除。在恢复过程中，投加丙酸的反应器恢复更缓慢但恢复后的系统具有更高的脱氮效能。 分别对R1和R2系统不同阶段污泥样品进行高通量测序。结果显示，在R1和R2系统各阶段，厌氧氨氧化菌来自浮霉菌门(Planctomycetes)的Brocadiaede相对丰度下降幅度不超过0.27％。占据主导的为绿湾菌门(Chloroflexi)、变形菌门(Proteobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)和绿菌门(Chlorobi)，其中优势菌门均为绿湾菌门(Chloroflexi)和变形菌门(Proteobacteria)，在整个研究过程中相对丰度始终维持在较高的范围(34.77％～48.64％和24.10％～30.66％)。R2系统微生物群落结构无较明显改变，其表现出对丙酸更高的耐受性。 通过PICRUSt2预测种群代谢通路，结果表明，丙酸与主导菌属CandidatusBrocadia间具有更高的相关性且对其产生的抑制程度比乙酸更强，而厌氧氨氧化菌属中CandidatusJettenia和CandidatusBrocadia的相对丰度在乙酸和丙酸浓度逐步提升的环境中并未明显下降，与R1和R2反应器脱氮效能较大幅度的波动相比存在一定差异，由此发现菌种的相对丰度与活性不完全正相关。通过PICRUSt2对微生物代谢途径及功能基因预测，发现ABC蛋白转运体和膜和细胞内结构分子两种功能途径的相对丰度提升，表明乙酸和丙酸均刺激了厌氧氨氧化菌的应激响应能力，而厌氧氨氧化菌通过原核生物的碳固定途径和三羧酸循环途径两种功能途径来实现能量供应的恢复。另外，Dok59和Rubrivivax是两个系统中主要的异养反硝化菌属，后者更倾向于利用丙酸进行代谢。当乙酸和丙酸添加浓度达到270mg/L和191mg/L时，脂肪酸代谢和生物合成以及丁酸代谢途径的相对丰度也达最高。 研究明确了乙酸和丙酸在厌氧氨氧化系统中对脱氮效能产生影响作用的阈值，在厌氧氨氧化工艺处理含小分子有机酸的高氨氮废水的实际应用中，为有效提高系统脱氮效能同时避免系统失衡恶化提供一定理论基础。提出了停止添加乙酸和丙酸的原位恢复，并根据实际情况适时改变进水基质的比例及浓度、灵活调整反应器HRT的综合控制策略，明确最佳进水基质比例及HRT。为厌氧氨氧化工艺在实际处理含小分子有机酸的污水应用中，应对有机物冲击而崩溃的厌氧氨氧化系统提供恢复策略的参考。通过分子生物学技术结合功能基因及相关代谢途径的预测，揭示了乙酸和丙酸对厌氧氨氧化脱氮系统的抑制机制，在实际应用中厌氧氨氧化工艺处理含有机质的低碳氮比废水，为维持脱氮系统的稳定性提供理论依据。
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