摘要
畜禽养殖废水成分复杂，含有较高的氨氮（NH4+-N）浓度，且碳氮比较低，采用传统生物脱氮技术处理需要大量的碳源与曝气量，能耗高。同时，利用常规的厌氧发酵、活性污泥法等技术处理后废水的氨氮含量难以达到畜禽养殖废水排放标准。短程硝化、厌氧氨氧作为新型脱氮技术，具有脱氮效率高、污泥产量少等优点，被广泛应用于高氨氮浓度废水处理，但多数研究集中于对其技术的单独使用，对短程硝化-厌氧氨氧联用研究较少。为了强化对畜禽养殖废水脱氮性能的研究，本实验探究了不同pH、进水C/N、溶解氧、FA浓度对短程硝化系统处理畜禽养殖废水脱氮性能的影响，并对单独短程硝化系统、厌氧氨氧化系统在不同工艺条件下污泥EPS以及系统中微生物群落特征的变化进行分析。最后，探讨了联合短程硝化-厌氧氨氧化系统对实际畜禽养殖废水的脱氮性能和系统的稳定性的影响。主要结论有： （1）在进水氨氮浓度为300±10mg/L，反应温度29±1℃，溶解氧（DO）浓度为0.8±0.2mg/L，回流比1∶25条件下启动短程硝化系统，系统在41d启动成功。不同的环境条件对短程硝化降解性能和稳定性影响的实验结果表明，不同pH对NH4+-N降解影响较明显，pH8的NH4+-N去除率最佳，去除率为84.13%，但NAR受pH影响较小。进水C/N对NH4+-N去除率和NAR影响较小。DO是影响NH4+-N的转化效率的关键因素，当DO=2.5mg/L时，短程硝化被破坏，将DO降至0.5mg/L系统性能难以恢复。采用停回流提高FA浓度方法有助于恢复短程硝化系统。通过分析短程硝化系统在系统启动、DO为2.5mg/L、DO为0.5mg/L、停回流DO为0.5mg/L、停回流DO为2.5mg/L的条件下污泥样品中微生物群落特征，发现所有样品中的覆盖率均大于99%，且系统中优势菌主要分布在拟杆菌门（Bacteroidota）和变形菌门（Proteobacteria）两个门类。在高溶解氧条件下的硝化螺旋菌门（Nitrospirota，NOB）相对丰度为3.57%，停回流后，Nitrospirota被筛选出系统。 （2）在反应温度为30℃，水力停留时间为24h，进水pH7.5~8的条件下可成功启动厌氧氨氧化系统，平均氨氮去除率达91.17%，ΔNO3--N/ΔNH4+-N平均为0.25，ΔNO2--N/ΔNH4+-N基本在0.95~1.32之间。三维荧光光谱分析结果表明，溶解性生物副产物是污泥EPS的主要成分，且荧光峰强度随着时间的推移而加强，接种第80d类酪氨酸蛋白和类色氨酸蛋白的荧光强度比开始接种和第40d的污泥高，表明酪氨酸蛋白和类色氨酸蛋白在厌氧氨氧化反应中起着比较重要的作用。电子显微镜扫描结果发现厌氧氨氧化污泥表面形态出现了大量丝状菌、短棒状细菌和呈现花椰菜外观细菌，花椰菜的外观细菌被认为是厌氧氨氧化细菌。通过高通量测序分析微生物群落结构发现，接种第0d、第40d、第80d的污泥样品覆盖率均达99%，表明样品的结果具备良好的可信度。所有样品的微生物优势菌为拟杆菌门（Bacteroidota）、变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、绿弯菌门（Chloroflexi）四大门类。其中，Chloroflexi常出现于厌氧氨氧化系统。此外，在运行期间，厌氧菌Clostridium_sensu_stricto_1的相对丰度从6.76%升高至19.59%。 （3）联合短程硝化-厌氧氨氧化系统可实现模拟废水98.27%的NH4+-N去除率和86.5%的TN去除率。通过微生物群落分析可知，联合系统中的微生物种类没有发生变化，对污水处理起主要作用的是Bacteroidota、Proteobacteria、Nitrosomonas、Firmicutes、Chloroflexi。稳定后，联合系统处理实际畜禽养殖废水可实现超过90%的NH4+-N去除率，超84%的TN去除率，平均COD去除率达79.6%。 因此，短程硝化-厌氧氨氧化工艺可以有效地处理实际畜禽养殖废水，该工艺为废水脱氮领域的技术改进做出了一定贡献。
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