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氮是水体富营养化的一个重要因素,在世界许多地区都普遍存在氮污染的问题。从污水处理厂排出的过量含氮物质直接进入水体,是氮污染的主要原因之一。因此,为了有效地去除水体中的含氮物质,许多国家的污水处理厂的污水处理设备都应该进行改良。据报道,大多数污水处理厂的脱氮工艺是利用微生物的硝化和反硝化作用进行的。然而,适当高效的反硝化作用需要足够的有机碳源。因此,污水处理厂在处理低C/N比的废水时,通常会发生未完全的反硝化作用。所以,必须补充足够的碳源以实现有效的反硝化作用。作为食用菌的生产大国,我国每年产生大量的废弃菌糠(SMC),这对当地生态环境造成很大压力,如何对其进行有效再利用也一直是研究者关注的焦点问题。众所周知,SMC本身不仅含有大量的有机碳源,还含有丰富的微量元素,两者均是保证微生物进行完全反硝化的重要因素。因此,本文通过在序批式反应器(SBR)添加SMC为外加碳源,探究SMC对SBR系统脱氮除磷效果的影响并深入研究分析了相关机理,为“以污治污”的治理方法提供一种新思路。首先,菌糠酸解处理的实验条件在通过正交试验设计进行了优化后,获得最适宜的预处理条件为:4%的硫酸浓度,115℃的反应温度为,1.5h预处理时间,1:24固液比。考虑到环境污染和预处理花费的成本,对第一次酸解后的滤液进行回收利用,结果表明最多可以重复使用5次。其次,把SMC水解液添加到SBR中,考查在长期运行中SMC对脱氮的影响,本实验共分四个阶段进行。结果表明,氮的去除效率从未添加SMC的46.9%提高到添加SMC的87.8%,可以看到,添加SMC为外加碳源显著提高其脱氮效果。在第一阶段,反应器运行20天,没有添加食用菌栽培废料,氨氮的去除率在42%～59%之间,平均去除率为51.8%。但总氮的去除率变化似乎更为明显,在28%到54%之间波动,平均去除率为43%。第二阶段添加PESMC(杏鲍菇载培废料),第三阶段添加HMSMC(真姬菇栽培废料),第四阶段添加TFSMC(银耳栽培废料),每一个时期运行50天。当添加了 PESMC到反应器后,氨氮的去除率均超过87%,总氮的平均去除率在第二阶段为84.6%;在第三阶段,HMSMC作为外加碳源。氨氮的去除率均高于80%,总氮的平均去除率81%;在第四阶段,外加碳源替换为TFSMC,其中大部分氨氮去除率高于90%,总氮的平均去除率89.4%。整个反应过程中基本没有出现NO2-N和NO3-N的积累。在第二阶段,COD平均进水和出水浓度分别为515mg/L和60mg/L,COD平均去除率为88.3%,而进水和出水总磷分别为24.7 mg/L和5.6 mg/L,总磷平均去除率为76.8%mg/L。当第三阶段,外加碳源更换为HMSMC,COD和TP的去除率分别为79.3-90.4%和62.3-79.1%。在第四阶段,在进水COD为454～565 mg/L的条件下,COD的平均去除率为83.3%。在进水TP为23.1～34.7 mg/L的条件下,总磷的平均去除率为78.3%。因此,在添加了 SMC之后,不同的阶段的COD平均去除率相对稳定(83.3%和88.3%之间)。然后,利用qPCR和高通量测序技术深入分析了 SMC对活性污泥中功能基因及微生物结构和多样性的影响。结果表明:norB丰度显著增加,从无SMC的1 × 108.5拷贝数/gcell到有SMC的1 × 1011.8拷贝数/gcell。同时,amoA从无SMC的1 × 1012.19拷贝数/gcell升高到加入SMC的1 × 1012.43拷贝数/gcell,nosZ从1 × 106.59拷贝数/gcell上升到1× 1017.32拷贝数/gcell。这些现象表明,SMC有助于功能微生物的生长,从而进一步促进脱氮。另一方面,无论有或没有添加SMC nirS丰度比nirK高得多。当加入SMC后有21个科的相对丰度高于1%,这些科分为以下部分:12个科属于Proteobacteria,5个科属于Bacteroidetes,2个科属于Chloroflexi。一些科的丰度明显上升,Rhodobacteraceae有反硝化作用,Anaerolineaceae能降解大分子有机物为反硝化提供更多可利用的碳源。因此,这两个科的增加无疑能提高微生物的活性和脱氮效率。Citrobacter,Rhizobium和Enterobacter属在反应器运行过程中逐渐生长,据报道这些属在厌氧条件下能进行反硝化作用。最后,为进一步探索功能微生物的地位与作用,对SBR的活性污泥进行了功能微生物的分离与纯化,并得到一株具有异养硝化反硝化功能的肠杆菌(Enterobacter asburiae)。初步实验显示,该菌株生长所需的最佳碳源为柠檬酸钠,最适温度为30℃,最适C/N=12,最适溶氧为0.9mg/L。通过对该菌株同步硝化反硝化的氮平衡分析,发现24h内氨氮的去除率达到100%,其中同化到细胞中的氮为30.5%,而以气态氮形式产生的氮损失达到58.4%;从对羟胺氧化酶粗酶的性质分析可以得出,菌株YT氮代谢途径是直接通过羟胺直接生成气态氮产物,这些结果表明,菌株YT是一种新型且具有高效脱氮能力的微生物,在生物脱氮领域具有较好的应用价值,也间接证实了 SMC有益于此类微生物的生长繁殖而提高了 SBR的脱氮效率。