摘 要
全程自养脱氮工艺（Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite）是一种新型生物脱氮工艺，与传统生物脱氮工艺相比，具有节省曝气量、无需添加外源有机碳等优势。但是，CANON工艺启动慢和低温低基质条件下难以稳定运行，制约了CANON工艺的工业化应用。
CANON工艺目前主要应用于垃圾渗滤液、污泥消化液等高氨氮废水处理，而对于处理低氨氮废水的研究较少，且实际废水温度较低，因此CANON工艺在低基质、低温废水中的研究势在必行。本文首先分别培养厌氧氨氧化（Anaerobic ammonium oxidation，Anammox）颗粒污泥和短程硝化絮状污泥，之后接种预培养的污泥至序批式活性污泥反应器（Sequencing Batch Reactor，SBR）启动运行CANON工艺，考察两种污泥培养富集过程及CANON系统启动运行过程中，系统脱氮性能及微生物群落结构组成和丰度变化，为CANON工艺的实际应用提供数据支持。得到结论如下：
（1）Anammox污泥培养富集实验在30 d内快速启动，NH4+-N、NO2--N以及TN去除率分别达到86.25%、96.09%和88.01%，平均颗粒粒径为67.2 μm。之后经过添加COD、调换基质、系统恢复、降低HRT等调整，经过418 d的运行，TN去除率稳定在92%以上，平均颗粒粒径达到492.5 μm。高通量测序结果显示，Anammox优势菌属为Candidatus Brocadia。
（2）氨氧化（Ammonia oxidizing bacteria，AOB）絮状污泥富集培养实验在52 d内成功启动，经过82 d的运行，平均氨氮去除率达到56.01%，平均出水氨氮和亚硝氮分别约为80 mg/L和70 mg/L；平均出水硝氮浓度15 mg/L以下，基本满足Anammox工艺所需。高通量测序结果显示，AOB优势菌属为Nitrosomonas，NOB（Nitrite oxidizing bacteria，亚硝酸盐氧化细菌）优势菌属为Nitrospira。
（3）以Anammox颗粒污泥和AOB絮状污泥为接种污泥启动CANON工艺，系统平均TN脱除率19 d时达到78.72%，CANON工艺快速完成启动；反应器温度随天气变化从25℃逐渐下降至17℃，反应器脱氮效率由78.72%下降至18.97 %，采用降低总氮容积负荷、调节曝气量、添加Anammox颗粒污泥、改变运行周期等调整方式，最终系统在100 mg NH4+-N/L，TN负荷0.097Kg/m3·d，17℃条件、厌氧（135 min）-好氧（505 min）-厌氧（35 min）运行方式下恢复至64.15%的TN去除率。高通量测序结果显示，CANON系统内优势 菌 门 为 ： Proteobacteria、Planctomycetes、Bacteroidetes、Chloroflexi、Acidobacteria、Firmicutes和Actinobacteria。Anammox优势菌属为CandidatusBrocadia，AOB优势菌属为Nitrosomonas，NOB优势菌属为Nitrospira。
关键词： Anammox颗粒污泥；AOB絮状污泥；CANON工艺；温度；微生物群落结构。
ABSTRACT
Completely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite (CANON) is a new type of biological nitrogen removal process. Compared with the traditional biological nitrogen removal process, it has the advantages of saving aeration and eliminating the need to add exogenous organic carbon. However, the CANON process starts slowly and it is difficult to operate stably under low-temperature and low-matrix conditions,which restrict the industrial application of the CANON process. The CANON process is currently mainly applied to the treatment of high ammonia nitrogen wastewater such as landfill leachate and sludge digestion, and there is less research on the treatment of low ammonia nitrogen wastewater,and the actual wastewater temperature is low, so the research of CANON process in low matrix and low temperature wastewater is imperative.In this paper, firstly, Anaerobic ammonium oxidation (Anammox) granular sludge and short-range nitrifying flocculant were separately cultured, and then the pre-cultured sludge was inoculated to start the Sequencing Batch Reactor (SBR). The CANON process was operated to investigate the nitrogen removal performance. The composition and abundance of microbial community structure during the two sludge culture enrichment processes and the start-up operation of the CANON system were analyzed. The conclusions were as follows:
(1) The Anammox sludge enrichment experiment was started quickly within 30 days. The removal rates of ammonia nitrogen, nitrite and total nitrogen were 86.25%,96.09% and 88.01%, respectively, and the average particle size was 67.2 μm. After the addition of COD, substance replacement (from nitrite to nitrate), system recovery, reduction of HRT, etc., after 418 d operation, the stable TN removal rate was above 90%, and the average particle size reached 492.5 μm. High-throughput sequencing results showed that the dominant Anammox genus was Candidatus Brocadia.
(2) Ammonia oxidizing bacteria (AOB) flocculating sludge enrichment experiment was successfully started within 52 days. After 82 days operation, the average ammonia nitrogen removal rate reached 56.01%, and the average effluent ammonia nitrogen and nitrite were about 80 mg/L and 70 mg/L; the average effluent nitrate concentration was lower than 15 mg/L, which could meet the needs of theAnammox process. High-throughput sequencing results showed that the dominant AOB genus was Nitrosomonas, and the dominant genus of NOB (Nitrite oxidizing bacteria) was Nitrospira.
(3) The CANON process was started with Anammox granular sludge and AOB floc sludge as the inoculated sludge. The average TN removal rate reached 78.72% at 19 d, and the CANON process was quickly started. The reactor temperature gradually decreased from 25 °C to 17 °C. At 17 °C, the TN removal efficiency of the reactor decreased from 78.72% to 18.97%. Many adjustment method was adopted to increase the nitrogen removal performance, including reducing the TN volume load, adjusting the aeration amount, adding Anammox granular sludge and changing the operation cycle. Finally, the TN removal rate increased to 64.15%, under 100 mg NH 4 + -N/L, 0.097 kg/m 3 ·d, 17 °C. The optimization operation cycle was anaerobic (135 min)-aerobic (505 min)-anaerobic (35 min). High-throughput sequencing results showed that the dominant bacteria in the CANON system were: Proteobacteria, Planctomycetes, Bacteroidetes, Chloroflexi, Acidobacteria, Firmicutes and Actinobacteria. The dominant genus Anammox was Candidatus Brocadia, the dominant genus of AOB was Nitrosomonas, and the dominant genus of NOB was Nitrospira.
KEY WORDS: Anammox granular sludge; AOB flocculent sludge; CANON process;Temperature; Microbial community structure。
第一章 绪论
1.1 研究背景。
水是自然界十分重要并且分布最为广泛的资源。地球上的生物都依靠它来滋养和孕育，人类社会服务更是离不开水。随着社会的不断发展和工业化快速形成，我国的水环境污染日益严重，尤其是水体氮素污染问题[1]。自20世纪四十年代以来，环境中氮的含量因为人类活动的影响逐渐升高。大量的含氮废水向自然水体排放，导致水体富营养化现象屡次发生，这不仅使生态系统失衡还给人类健康带来严重的危害。氨氮已为水体的首要污染物之一[2]。水体中以铵离子或者游离氨形式存在的氮称为氨氮，主要通过工农业废水，城市污水的排放途径进入水体。水体受污染严重的程度通常以氨氮的含量表示。当水体中氨氮含量过多时，在微生物的作用下会转化成亚硝酸盐氮，进一步转化成硝酸盐氮，饮用这类水时亚硝酸盐氮会和蛋白质结合形成亚硝胺，这是一类强致癌物质，因而危害人体健康，还会造成水体富养化现象。因此，开发具有节能高效的脱氮工艺是污水处理领域的研究热点。水体污染防治技术的开发对于缓解目前由于国家经济高速发展引起的水污染问题有着重大的意义。
1.2 微生物参与的氮循环过程。
自然界中的氮素有许多存在形式，其中79%以N2形式存在。但N2不能被自然界中的动植物所直接利用，将N2进行转化和循环，才可成为动植物所能利用的氮素。自然界氮素循环过程如图1.1所示，其中N2通过固氮作用形成氨；地上植物将氨吸收并且形成有机氮化合物进入食物链；有机氮化合物通过氨化作用形成氨态氮；在硝化作用下氨形成硝酸盐；硝酸通过反硝化作用形成N2返回大气中。自然界中的氮素循环过程中微生物扮演着重要的角色，如图1.1所示，上述过程中均有微生物参与[4]，如图1.2所示。
（1）固氮作用。
自然界中大部分N2不能被直接利用，N2在固氮微生物（蓝藻、根瘤菌和放线菌）的作用下被转化成可利用的氨，此过程中主要功能酶为固氮酶，固氮酶催化分子态氮还原为氨[6]。
（2）氨化作用。
有机氮化合物在氨化细菌作用下分解生成氨态氮的过程，称为氨化作用。氨化微生物在自然界中广泛存在，其中分解作用较强的为细菌，比如假单胞菌（Pseudomonas）、梭状芽孢杆菌（Clostridium）、芽孢杆菌（Bacillus）等。
（3）硝化作用。
硝化作用分两个过程：第一步是氨氧化菌（Ammonia Oxidizing Bacteria，AOB）的作用下NH4+转化成NO2-，反应式如式（1.1）所示[7]，在此过程中的功能酶为氨单加氧酶（Ammoniamonooxygenase，AMO）和羟胺氧化还原酶（Hydroxylamine oxidoreductase，HAO），在AMO的作用下首先将NH4+转化成NH2+OH，再在HAO的作用下进一步转化成NO2-；第二步是在亚硝酸盐氧化细菌（Nitrite Oxidizing Bacteria，NOB）作用下NO2-进一步转化成NO3-，在此过程中的功能酶为亚硝酸盐氧化还原酶（Nitrite oxidoreductase，NXR），反应式如式（1.2）所示[7]，硝化过程总反应式如式（1.3）所示[7]。
（4）反硝化作用。
反硝化菌在厌氧条件下将硝化过程中产生的NO3-或NO2-还原成N2的过程，称为反硝化作用。反应式如式（1.4）所示[7]，反硝化过程一般分为4个过程：一是在硝酸盐还原酶（Nitratereductase，NAR）的作用下NO3-被转化成NO2-；二是在亚硝酸盐还原酶（Nitrite reductase，NIR）的作用下NO2-被转化成NO；三是在氧化氮还原酶（Nitric oxide reductase，NOR）的作用下NO被转化成N2O；四是在氧化亚氮还原酶（Nitrous oxide reductase，NOS）作用下N2O被转化成N2[8-10]。
通过长期的探究，人们对于微生物参与的氮循环过程有了广泛而深入的认识，并依据这些过程和原理建立了废水生物脱氮工艺。
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1.3 生物脱氮工艺
1.3.1 A/O生物脱氮工艺
1.3.2 厌氧氨氧化工艺
1.4 CANON工艺
1.4.1 CANON工艺原理
1 4.2 CANON工艺影响因素
1.4.3 C ANON工艺研究现状
1.5 课题研究意义与内容
1.5.1 研究意义
1.5.2 研究内容
1.5.3 技术路线
第二章 材料与方法
2.1 实验装置
2.1.1 UASB反应器.
2.1.2 SBR反应器
2.1.3 C ANON工艺实验装置.
2.2 接种污泥以及实验用水
2.2.1 UASB接种污泥以及实验用水
2.2.2 短程硝化接种污泥以及实验用水
2.2.3 C ANON工艺接种污泥以及实验用水
2.3 常规测定项目与分析方法
2.4 微生物菌群分析方法
2.4.1 电子扫描电镜( SEM)
2.4.2 荧光原位杂交(FISH)
2.4.3 高通量测序
第三章 厌氧氨氧化颗粒污泥和氨氧化絮状污泥培养实验
3.1 Anammox颗粒污泥的培养
3.1.1 实验设计.
3.1.2 UASB反应器脱氮性能
3.1.3 反应器运行期间NLR、NRR变化分析
3.1.4 反应器运行期间颗粒粒径分析.
3.1.5 Anammoz颗粒污泥微生物群落结构分析
3.2 氨氧化絮状污泥的培养
3.2.1 实验设计
3.2.2 SBR反应器启动及其稳定运行.
3.2.3 氨氧化絮状污泥微生物群落结构分析.
3.3 本章小结
第四章 CANON工艺启动运行及其影响因素
4.1 实验设计.
4.2 CANON工艺启动运行及其影响因素
4.2.1 CANON工艺中温启动过程
4.2.2 C ANON工艺低温运行
4.3 CANON工艺周期实验数据分析.
4.4 CANON工艺微生物群落结构分析
4.4.1 扫描电镜(SEM)分析
4.4.2 高通测序结果分析
4.5 本章小结
第五章 结 论
本研究内容以培养ANAMMOX厌氧颗粒污泥、AOB半短程硝化污泥并启动和稳定运行运行CANON工艺为主要研究内容，探寻影响CANON工艺稳定运行的主要影响因素，为后续CANON工艺处理实际废水提供依据，同时利用高通量测序技术分析CANON工艺涉及到的相关微生物群落结构，具体结论如下：
1.创建UASB反应器以培养富集Anammox颗粒污泥，解析反应器脱氮性能及其微生物群落结构；反应器采用连续流运行模式（NH4+-N：50 mg/L，NO2--N：66 mg/L），HRT为12h，温度为20℃条件下30 d内快速启动，其TN去除率达到88.01%，颗粒平均粒径为67.2 μm。随后稳定运行30 d，平均TN去除率为81.77%。之后经过添加有机物（100 mg/L）、调换进水基质（NO2--N调换为NO3--N：66 mg/L，COD：150 mg/L）、Anammox系统恢复（进水NO3--N调换为NO2--N：66 mg/L）、降低HRT（12 h→8 h）等过程，其平均TN去除率变化为：87.96%-16.28%-92.65%-92.80%，在此期间颗粒污泥平均粒径变化为84.66 μm（71 d）-129.7μm（172 d）-159.7 μm（252 d）-226.9 μm（341 d）-492.5 μm（414 d）。高通量测序结果显示，Anammox反应主要功能菌属为Candidatus Brocadia、Candidatus Anammoxoglobus，添加有机物导致Acinetobactor和Salmonella丰度迅速上升，成为反硝化优势菌属。
2.创建SBR反应器以富集培养AOB絮状污泥，解析反应器氨氮转化及其微生物群落结构：初始基质浓度200 mg NH4+-N/L，100 mg COD/L，HRT 24 h，温度30℃，52 d启动成功，NH4+-N去除率达到63.86%，NO2--N累积率为87.99%；稳定阶段其平均NH4+-N去除率和NO2--N累积率为56.01%和82.20%。高通量测序结果显示，Nitrosomonas和Nitrospira分别为AOB和NOB的优势菌属，进水添加COD导致反硝化菌属丰度升高，主要为Acinetobacter、Dokdonella、Salmonella和Comamonas。
3.创建SBR反应器以启动运行CANON工艺，解析反应器脱氮性能及其微生物群落结构：初始基质浓度150 mg NH4+-N/L，50 mg NO2--N/L，100 mg COD/L，HRT为24 h，室温（25℃）下19 d启动完成，平均TN去除率达到78.72%。气温降低导致TN去除率下降至18.97 %，经过降低负荷（NH4+-N：100 mg/L，NO2--N不加，HTR不变）、提高曝气量（由50-60 ml/min提升至80-90 ml/min）、添加Anammox颗粒污泥、延长曝气时间并且降低曝气量（50-60 ml/min）的过程，系统在100 mg NH4+-N/L，TN负荷0.097 Kg/m3·d，17℃条件下TN去除率恢复至64.15%。高通量测序结果显示，Candidatus Brocadia为Anammox过程优势菌属，Nitrosomonas为AOB优势菌属，Nitrospira为NOB优势菌属。
参考文献
