摘要
石油化工、制药、造纸等行业废水含有大量硫化物和氮素，需妥善处理。短程硫自养反硝化耦合厌氧氨氧化工艺（SPDA）能够实现废水同步脱氮除硫，硫自养反硝化功能菌能够以硫化物为电子供体，将废水中的硝酸盐转化成亚硝酸盐，生成的亚硝酸盐同体系内的氨氮能够进一步被厌氧氨氧化菌转化成氮气，从而实现废水同步脱氮除硫，并累积单质硫。该工艺无需外加有机碳源，具有成本低、污染小等优点，因此在含硫含氮废水处理领域具有广阔的应用前景。然而，目前以S2-为电子供体的硫自养反硝化过程高效累积NO2-和S0（即短程硫自养反硝化）的研究尚不充分，一定程度上限制了该工艺的发展。基于此，本实验采用UASB反应器，探索S/N（摩尔比）、基质浓度、进水pH三种关键因素对短程硫自养反硝化体系NO2-和S0累积的影响，结合群落结构和功能基因定量分析NO2-和S0累积机理，在此基础上，培养了短程硫自养反硝化颗粒污泥，分析了颗粒污泥的理化性质、生物学特征等，研究结果为短程硫自养反硝化耦合厌氧氨氧化工艺的发展提供了理论和技术支持。 采用UASB反应器，在HRT为6h，考察了S/N（摩尔比）为1.25、0.88、1.09条件下短程硫自养反硝化工艺运行效能。发现 S2-和 NO3--N 去除率分别稳定在 97%左右和86.87%~93.08%，然而，NO2-和 S0累积率在 S/N 为 0.88 达到最高，分别为 50.24%和26.43%。qPCR分析表明此时NapA量相对较高，达3.19×104 copies/g VSS，NirS和NirK量相对较低分别为 1.70×105 copies/g VSS 和 7.89×103 copies/g VSS。污泥微生物中Thiobacillus为优势菌属，相对丰度介于18.39%~37.79%。 在S/N为0.88，进水S2-浓度由200 mg/L依次增加到250 mg/L和300 mg/L过程中， S2-去除率变化不大，稳定在96.87%~98.09%；NO3--N去除率由91.40%逐渐下降到86.27%和81.38%。NO2-和S0累积率在S2-浓度为250 mg/L时达到最高，分别为73.26%和51.61%，明显高于S2-浓度为200 mg/L和300 mg/L时的50.24%、26.43%和57.51%、45.62%。高通测序结果表明，在整个实验过程中Proteobacteria是优势菌门，丰度在46.77%~92.59%，其次为 Chloroflexi ， Actinobacteriota ， Patescibacteria 和 Bacteroidota。Thiobacillus ， Arenimonas，Pseudoxanthomonas 和 Thauera 为优势菌属，其中 Thiobacillus 最高达到54.33%。 进水pH分别为6.5、7.8和8.5条件下，短程硫自养反硝化工艺S2-去除率稳定在96%附近；硝酸盐去除率、亚硝累积率和单质硫累积率受进水pH影响较大，在pH为6.5时最低分别为68.47%、0.37%和20.01%；在pH为7.8和8.5条件下，分别为81.38%~89.18%、52.1%~57.51%和 42.17%~45.62%。污泥微生物中 Thiobacillus 丰度最高，占比达48.18%~55.72%，其次是Arenimonas，相对丰度介于12.02%~19.08%。脱氮相关基因NapA的量在pH为6.5时最低，为1.19×103 copies/g VSS，低于进水pH为7.8和8.5的8.90×104 copies/g VSS和9.25×104 copies/g VSS。硫氧化基因SoxB为9.11×106 copies/g VSS，明显高于pH 7.8和8.5的6.22×105 copies/g VSS和8.61×105 copies/g VSS。 逐步缩短HRT为6h、4h、2h、1h，经过77d成功培养出短程硫自养反硝化颗粒污泥。硫化物和硝态氮的去除负荷高达5.94 kgS/(m3d)和2.46 kgN/(m3d)，明显高于现有文献报到的絮状污泥去除负荷。在 HRT 为 2h，NO2-和 S0累积率最高分别为 92.53%和58.25%。成熟颗粒污泥平均粒径为2 mm，沉降速度为62.92±11.23 m/h，SVI5为22.32±0.31 ml/g，MLVSS为29.92±0.38 g/L。SEM分析表明颗粒污泥表面有大量反硝化菌体，EDS分析表明成熟颗粒内部Ca、S元素均增加，分别为3.74%和1.84%。EPS中L-EPS和T-EPS的含量分别达到79.6 mg/g VSS和74.1 mg/g VSS，是EPS中的主成分，且蛋白质在颗粒形成中发挥主要作用。成熟颗粒污泥中 Proteobacteria 菌门丰度达 90%以上， Thiobacillus 和 Arenimonas 为优势菌属，二者相对丰度分别为 40.17%~67.02%和20.67%~34.88%。颗粒污泥内存在碳酸钙和单质硫颗粒内核，该内核的存在加速了初期颗粒污泥的成型，后随着HRT的缩短，EPS的增加，加速颗粒污泥成熟。
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