高浓度亚硫酸盐下厌氧氨氧化脱氮的影响因素与机制

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水体富营养化问题由于其影响广、外在表现直观等特点,一直都是广泛受到人们关注的水体问题之一,其中含氮废水的排放是水体富营养化的主要原因之一。同时,工业烟气湿式氨法脱硫工艺主要产物为(NH4)2SO3,所产生废水含高浓度(NH4)2SO3,亟待研发适宜的废水处理技术。实验室中,将已富集的厌氧氨氧化(ANAMMOX)污泥接种到膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器内,进水中以亚硫酸盐逐步取代亚硝酸盐后,发现ANAMMOX能够稳定运行,重点研究O2和SO32-对厌氧氨氧化(ANAMMOX)的影响,探讨氨氮转化去除的机制。(1)在高浓度亚硫酸盐的ANAMMOX体系中,亚硫酸盐转化的主要产物为硫酸盐,转化比在75%以上,且随着培养时间增长,转化率增加,单质硫与硫化物基本检测不到。氨氮去除率稳定在50%,去除速率为500 mg N/(L·d)。氨氮去除量同硫损失量(亚硫酸盐变化量与硫酸盐变化量差值)之比远大于文献报道硫酸盐型厌氧氨氧化的理论值2。(2)较高的回流比(30:1)可能带入微量氧气,在反应器中起到了电子受体的作用。因此,分阶段降低回流比为15:1、7.5:1和无回流。随着回流比的降低,氨氮去除与亚硫酸盐转化都逐渐降低,在无回流条件下氨氮去除率为11%左右、亚硫酸盐转化率为40%,同时氨氮去除率的变化相对亚硫酸盐转化率的变化明显滞后,表明随回流进入反应器的氧气对SO32-与NH4+的转化产生重要影响。(3)在控制气体流量(5 m L/min、10 m L/min)下,向反应器曝气(5%O2,95%N2)。通入氧气后亚硫酸盐转化为硫酸盐的效率均大于95%,平均氨氮去除率由10%提升为5 m L/min下约42%、10 m L/min下约34%,较高气体流量下氨氮去除效率反而有所下降。根据实验结果提出两种可能的反应机制:一是完全由微生物作用,利用氧气氧化氨氮再由厌氧氨氧化菌(An AOB)生成氮气;二是微生物与自由基的共同作用,在有氧条件下Fe2+/SO32-高级氧化体系生成硫氧自由基氧化铵盐成为亚硝酸盐,再由An AOB利用不同价态氮生成氮气。(4)根据反应器运行情况设计间歇实验,实验条件为NH4Cl 0.2 g/L、Na2SO30.2g/L、Fe2+/SO32-摩尔比0.06:1,气体(5%O2+95%N2)流速为10 m L/min。实验结果表明,氨氮最终转化为硝态氮,转化率为8%。证明在反应器条件下可能存在自由基对氨的氧化。(5)对不同阶段的污泥进行16S r RNA基因测序和微生物群落分析。结果表明,没有发现硫酸盐型厌氧氨氧化体系的优势菌种Bacillus benzoevorans,也未发现完全硝化菌的特定功能基因amo A;亚硝化菌属相对丰度极小,仅在10 m L/min阶段相对丰度超过1%达到2.1%,硝化螺菌门相对丰度在1-2%左右变化,在属水平分析中未发现大于1%的硝化螺菌门下属种,说明氧气的作用可能不是直接被微生物利用于氨的氧化。浮霉菌门相对丰度较高,其相对丰度变化同氨氮去除率变化一致,显示出其对氨氮去除的重要贡献。(6)反应器中可能存在的Fe2+/SO32-高级氧化体系,在微量氧气的作用下生成硫氧自由基(主要是SO4·-)将部分铵盐氧化。在微生物的作用下,氨氮氧化被截留在亚硝酸盐形态,或是由硫杆菌自养反硝化还原硝酸盐形成亚硝酸盐,最后经ANAMMOX产生氮气。由此形成了SO4·-自由基高级氧化与ANAMMOX耦合的自养脱氮体系,这里称之为亚硫酸盐型ANAMMOX。
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