高盐废水强化多路径耦合脱氮技术及机理研究

高盐废水强化多路径耦合脱氮技术及机理研究针对高盐胁迫下的高浓度有机废水生物脱氮效能低、系统构建时间长、脱氮功能菌群结构分布、演替规律及作用机制不明的问题,提出高盐废水强化多路径耦合脱氮技术。研究采用序批式生物膜反应器（SBBR）构建出高盐废水多路径脱氮系统,探究了高盐胁迫下系统微生物种群演替规律;解析了不同环境因子下系统的脱氮路径及功能菌属的迁移规律,明确了多路径脱氮系统对环境因素的微生物响应机制;在此基础上,提出了强化异养硝化-好氧反硝化的高盐废水多路径耦合脱氮技术,以及强化硫循环的超高盐废水多路径耦合脱氮除硫技术,研究得出了系统高效运行的关键控制参数,利用Illumina MiSeq高通量测序及Q-PCR等分子生物学技术,揭示了高盐/超高盐废水多路径耦合系统的微生物作用机理。

主要研究成果如下:在SBBR反应器中构建出高盐（盐度3%,NaCl计）废水脱氮系统,系统的COD、TN去除率分别为86.48%±1.7%、94.37%±3.15%。高盐胁迫下普通脱氮功能菌群丰度、种类显著下降,嗜盐功能菌种丰度上升。

荧光定量PCR结果表明:系统氨氧化古菌AOA、氨氧化细菌AOB的amoA基因拷贝数与低盐（1%）对照组相比分别下降37.80%、60.94%,AOA/AOB拷贝数比值为1.20×10³,是低盐对照组的1.59倍,表明古菌氨氧化演替成为高盐脱氮的重要组成部分。PacBio SMRT DNA全长16s rRNA细菌测序及llumina MiSeq古菌测序结果表明,与对照组相比系统Nitrospirae在内的常规硝化菌消失,常规反硝化菌群演替为耐盐菌属。

系统硝化过程由AOA（Candidatus Nitrososphaera、Nitrosopumilus）与AOB（Nitrosomonas）共同完成;反硝化由好氧反硝化菌Pseudomonas、Denitromonas与缺氧反硝化菌Thauera共同承担,系统脱氮路径呈现出多路径耦

合特征。碳源种类对高盐废水脱氮效能、脱氮功能菌属、脱氮路径影响显著。

乙酸钠、葡萄糖及复合碳源的脱氮系统,TN去除率分别为96.96%±1.88%、65.86%±6.26%、94.99%±3.29%。乙酸钠系统中脱氮功能菌相对丰度最高,脱氮物种最为丰富,对系统脱氮效能提高有显著的促进作用。

Illumina MiSeq16S rDNA测序表明,乙酸钠碳源的脱氮系统中,硝化功能菌群有Pseudomonas_stutzeri（异养硝化好氧反硝化）,反硝化主要由Thauera、Denitromonas、Pseudomonas（好氧反硝化）和Halomonas功能菌属完成;乙酸钠及复合碳源脱氮系统中,自养硝化（AOA为主）、异养硝化、好氧反硝化、缺氧反硝化功能菌属耦合共存,通过多路径完成脱氮;而葡萄糖碳源不利于AOA的生长,其脱氮系统中仅存在异养硝化、好氧反硝化、缺氧反硝化脱氮路径。温度对脱氮系统效能、脱氮功能菌属的演替及脱氮路径影响显著。

当温度分别为10℃、15℃、20℃、25℃、30℃和35℃时,系统出水TN去除率分别为61.96%、80.40%、85.19%、95.85%、98.15%和97.50%。在25℃

³5℃时,系统以短程硝化（AOA+AOB）同步反硝化为主,AOA氨氧化速率/总速率的比值为48.08%⁶8.71%,AOA与AOB共同承担着系统的氨氧化任务,系统氨氧化速率是亚氮氧化速率的5.03¹3.54倍,系统的脱氮路径主要为短程硝化反硝化,此外,其中25℃³0℃时,好氧反硝化相对占优;在10℃²0℃时,系统以全程硝化（AOA占优）同步反硝化为主,AOA氨氧化速率/总速率为87.61%⁹4.89%,系统中AOA对氨氧化的贡献相对更大,同时其氨氧化速率是亚氮氧化速率的0.51⁰.77倍,系统逐渐从短程硝化反硝化向全程硝化反硝化系统过渡,其中20℃时,好氧反硝化相对占优,15℃时,系统中缺氧反硝化相对占优。

盐度对系统效能、脱氮功能菌属的演替及脱氮路径影响显著。当盐度从高盐（3%）提升到超高盐（7%）,系统TN平均去除率从94.37%下降至89.89%。

盐度7%时,系统中氨氧化功能微生物（AOA/AOB）受到严重抑制,但古菌AOA 的抑制小于AOB,AOA/AOB基因拷贝数比值从2.47×10³上升到了

1.20×10³。随着盐度提升,Oceanimonas、Phaeodactylibacter等普通的耐盐/海洋脱氮菌种被淘汰,Halomonas（超高盐,74.71%）等嗜盐功能菌丰度上升,同时硫氧化还原菌丰度显著上升。

超高盐样品中优势反硝化功能属有Halomonas（74.71%）、Phaeodactylibacter（好氧反硝化,1.15%）,Arcobacter（硫自养反硝化,1.20%）。与硫氧化还原相关菌种有Desulfotignum、Arcobacter、Thiohalobacter、Alkalispirochaeta。

与高盐系统相比,超高盐系统中,通过多路径的氨氧化（AOB/AOA/硫参与的氨氧化）、多路径的反硝化（缺氧、好氧异养反硝化/硫自养反硝化）实现了超高盐系统的良好的脱氮效果。研究发现当高盐废水系统中采用乙酸钠为碳源时,可以富集异养硝化-好氧反硝化菌,C/N比、DO、盐度对系统异养硝化-好氧反硝化菌优势富集影响显著。

在C/N为25/1、盐度1%、DO 6.0mg/L条件下,初步构建出异养硝化-好氧反硝化菌系统,其优势异养硝化-好氧反硝化功能的种属有Pseudomonas（4.05%）、Bacillus（1.87%）、Paracoccus（1.69%）;进一步从系统中筛选、纯化、富集培养异养硝化好氧反硝化菌,通过投加菌液快速（2d）构建出强化异养硝化-好氧反硝化的实际高盐废水多路径耦合脱氮系统,TN平均去除率达97.51%,硝化速率、好氧反硝化速率分别是未强化时的2.0倍与1.6倍,同时异养速率是自养硝化的