回流比对干清粪养猪废水微氧处理系统效能的影响及机制

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干清粪养猪废水具有高氨氮(NH4+-N)和低碳氮比的特征,生物脱氮是其处理的关键和难点问题。在前期研究中,先后开发了升流式微氧污泥床反应器(UMSR)和升流式微氧生物膜反应器(UMBR),培育出以厌氧氨氧化(ANAMMOX)为主要途径的生物脱氮系统,实现了干清粪养猪废水的碳氮高效同步去除。然而,ANAMMOX功能菌群的富集和培养十分缓慢,而较高的回流比使得UMSR和UMBR的处理不够经济。为更加经济地处理干清粪养猪废水,本文对闲置2个月的UMSR和UMBR进行了重新启动,并研究了回流比降低对这两个微氧处理系统的微生物群落结构、主要污染物去除效能和现实脱氮途径的影响,以期为UMSR和UMBR调控运行提供理论指导和技术支撑。UMSR和UMBR系统重新启动并分别运行55 d和53 d后,均达到了稳定运行状态,其NH4+-N去除率分别高达95.6%和96.5%,总氮(TN)去除率也都稳定在88.1%和91.7%左右。通过高通量测序分析,发现UMSR和UMBR系统中均存在大量的氨氮氧化菌群(AOB)、亚硝酸盐氧化菌群(NOB)、反硝化菌群以及ANAMMOX菌群,说明系统中存在多种脱氮途径。通过相关生化反应的计量数计算和分析,发现ANAMMOX对UMSR和UMBR系统TN去除率的贡献最低也分别达到了66.67%和64.33%,表明UMSR和UMBR系统已经恢复并保持了以ANAMMOX为主的脱氮机制。通过出水回流比由20:1分阶段降低为5:1的调控运行,发现UMSR系统在回流比为15:1时具有最佳的NH4+-N和TN去除率,分别达到98.1%和93.4%。在回流比由25:1分阶段降低为15:1的过程中,UMBR系统的脱氮效能呈现逐渐下降趋势。在回流比为15:1的稳定运行阶段,UMBR系统保持了良好的脱氮效率,对NH4+-N和TN的去除率分别为89.4%和82.4%。对比分析发现,在相同运行条件下,UMSR系统拥有更好的处理效能。微生物群落和功能菌群的分析结果表明,随着回流比的降低,UMSR和UMBR系统中的Alpha多样性变化显著,异养反硝化、自养反硝化、硝化以及ANAMMOX等脱氮功能菌属的相对丰度随着运行条件的改变而出现升高或降低。对于UMSR系统,在回流比为15:1条件下,其ANAMMOX和AOB菌属的代谢活性最强,系统的脱氮效能也最好;而UMBR系统,随着回流比的阶段性降低,系统中ANAMMOX和AOB菌属的代谢活性逐渐受到抑制,ANAMMOX途径对系统TN去除率的贡献率随之下降。
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