回流比對(duì)DN-PN-ANAMMOX工藝處理中晚期垃圾滲濾液的影響

陸明羽， 殷記強(qiáng)， 姚鳳根， 李 祥， 黃 勇*， 仇慶春， 夏 雨

1.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215009 2.蘇州科技大學(xué)環(huán)境生物技術(shù)研究所， 江蘇 蘇州 215009 3.蘇州市環(huán)境衛(wèi)生管理處七子山生活垃圾填埋場(chǎng)， 江蘇 蘇州 215009

垃圾衛(wèi)生填埋是目前處理生活固體垃圾的主要方式，而由此會(huì)產(chǎn)生大量含有復(fù)雜物質(zhì)的垃圾滲濾液[1]. 尤其是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間厭氧填埋后的中晚期垃圾滲濾液，其中大量有機(jī)物被厭氧發(fā)酵降解，可生化性變差，這使得應(yīng)用傳統(tǒng)的硝化反硝化脫氮工藝對(duì)中晚期滲濾液進(jìn)行脫氮時(shí)面臨碳源不足、氮去除率低等問(wèn)題[2]. 而厭氧氨氧化(anaerobic ammonia oxidation, ANAMMOX)作為一種新型的自養(yǎng)生物脫氮工藝，其通常與部分亞硝化(partial nitrification, PN)工藝聯(lián)合起來(lái)處理高濃度NH4+-N廢水，相比于傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝，PN-ANAMMOX工藝具有不需要碳源、節(jié)約曝氣等優(yōu)點(diǎn)，從而越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始對(duì)PN-ANAMMOX工藝應(yīng)用于中晚期滲濾液的處理進(jìn)行研究[3].

然而，由于中晚期垃圾滲濾液中存在高濃度的NH4+-N和CODCr(chemical oxygen demand)，在應(yīng)用PN-ANAMMOX工藝處理中晚期滲濾液時(shí)不可避免地會(huì)遇到一些難題. 首先，一個(gè)典型的中晚期滲濾液中ρ(NH4+-N)通常在 2 000 mg/L左右，由此在生物反應(yīng)器系統(tǒng)中易形成對(duì)ANAMMOX菌有抑制作用的高濃度的游離氨(free ammonia, FA)[4]或NO2--N[5]. TANG等[6]通過(guò)回流出水來(lái)稀釋進(jìn)水基質(zhì)濃度，使得獨(dú)立的ANAMMOX反應(yīng)器能夠承受ρ(NO2--N)為360 mg/L的進(jìn)水并穩(wěn)定運(yùn)行. 其次，在ANAMMOX反應(yīng)器中理論上按1∶1.32的比例消耗ρ(NH4+-N)與ρ(NO2--N)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生0.26的ρ(NO3--N)[7]，所以采用PN-ANAMMOX工藝處理高濃度NH4+-N的中晚期垃圾滲濾液時(shí)會(huì)產(chǎn)生高濃度的NO3--N，從而導(dǎo)致出水ρ(TN)達(dá)不到排放要求. WANG等[8]在同一反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)了同步亞硝化-厭氧氨氧化-反硝化(simultaneous partial nitrification ANAMMOX and denitrification, SNAD)，但一步式的工藝將氨氧化菌(ammonia oxidizing bacteria, AOB)、ANAMMOX菌及異養(yǎng)反硝化菌集中于同一環(huán)境中并不利于各功能菌的生長(zhǎng)富集[9]. 而王凡等[10]采用分步式DN-PN-ANAMMOX工藝處理垃圾滲濾液時(shí)，通過(guò)回流出水至前置反硝化中去除了ANAMMOX的副產(chǎn)物NO3--N，同時(shí)去除了進(jìn)水滲濾液中的可生物降解有機(jī)物，為后續(xù)的自養(yǎng)PN-ANAMMOX工藝提供低碳的環(huán)境[11]. 最后，應(yīng)用PN-ANAMMOX工藝需要先實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的部分亞硝化工藝[12]，其通?？梢酝ㄟ^(guò)控制合適的ρ(FA)來(lái)抑制NO2--N氧化菌(nitrite oxidizing bacteria, NOB)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)AOB富集[13].ρ(FA)會(huì)受到pH、ρ(NH4+-N)等因素的影響，而pH、ρ(NH4+-N)又與反應(yīng)器系統(tǒng)的回流作用息息相關(guān).

綜上，出水回流可以直接而有效地消除中晚期滲濾液中高濃度NH4+-N和可生物降解有機(jī)物對(duì)ANAMMOX生物脫氮工藝的抑制作用. 目前，報(bào)道中的回流比試驗(yàn)通常是在單一的ANAMMOX反應(yīng)器中進(jìn)行的[14]，或者進(jìn)水ρ(NH4+-N)低于實(shí)際的中晚期滲濾液[15]. 而筆者所在課題組在之前的研究中采用了具有回流的DN-PN-ANAMMOX工藝處理了進(jìn)水ρ(NH4+-N)高達(dá) 1 900 mg/L的中晚期滲濾液，回流使DN-PN-ANAMMOX工藝在脫氮能力和CODCr去除率上都得到了提高[16]，但在試驗(yàn)研究中并未對(duì)回流比的影響進(jìn)行深入的研究. 因此該研究將系統(tǒng)地探討回流在DN-PN-ANAMMOX工藝中的作用，包括提高前置UASB (Up-flow Anaerobic Sludge Bed/Blanket，上流式厭氧污泥床反應(yīng)器)中CODCr的去除效果，穩(wěn)定PN區(qū)的部分亞硝化工藝，提升ANAMMOX區(qū)的脫氮效率，以及分析DN-PN-ANAMMOX工藝中微生物群落的變化，以期為工程應(yīng)用的參數(shù)優(yōu)化提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

回流比試驗(yàn)采用的是前置UASB和PN-ANAMMOX一體化反應(yīng)器組成的DN-PN-ANAMMOX工藝(見(jiàn)圖1). 其中前置UASB反應(yīng)器主要用于異養(yǎng)反硝化去除中晚期垃圾滲濾液中的可生物降解有機(jī)物和ANAMMOX產(chǎn)生的NO3--N，有效體積為2 L；而PN-ANAMMOX一體化反應(yīng)器則用于實(shí)現(xiàn)部分亞硝化和ANAMMOX脫氮，其有效體積分別為10.0和1.5 L. 此外，通過(guò)水浴加熱將反應(yīng)器的水溫恒定在34 ℃左右，并通過(guò)空氣泵對(duì)PN區(qū)進(jìn)行曝氣.

圖1 DN-PN-ANAMMOX工藝試驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic diagram of the DN-PN-ANAMMOX process

1.2 接種污泥與反應(yīng)器進(jìn)水

前置UASB接種的是反硝化污泥，平均粒徑在2～3 mm之間；PN區(qū)接種6串亞硝化立體纖維生物膜，二者都在實(shí)驗(yàn)室中用中晚期滲濾液培養(yǎng)[16]. 而ANAMMOX區(qū)接種的0.9 L的ANAMMOX顆粒污泥是在實(shí)驗(yàn)室用人工合成的廢水培養(yǎng)的[17].

反應(yīng)器的進(jìn)水取自已經(jīng)運(yùn)行了20多年的蘇州市七子山生活垃圾填埋場(chǎng)，其水質(zhì)的可生化性差、ρ(NH4+-N)高. 其中氮素主要以NH4+-N的形式存在，ρ(NH4+-N)為(1 950±150)mg/L，ρ(CODCr)為(2 500±250)mg/L，ρ(BOD)/ρ(CODCr)約為0.6.

1.3 試驗(yàn)方法

該研究探討回流比對(duì)DN-PN-ANAMMOX工藝處理中晚期滲濾液的影響分為5個(gè)階段(見(jiàn)表1). 中晚期滲濾液通過(guò)進(jìn)水泵進(jìn)入前置UASB的底部，內(nèi)循環(huán)泵將前置UASB的出水回流至其底部，為前置UASB中的污泥提供足夠的上升流速度，而回流泵將PN-ANAMMOX的出水回流至前置UASB. 在試驗(yàn)過(guò)程中，回流比的初始值為5，并通過(guò)控制回流泵將回流比依次調(diào)高至6、7、8和9，同時(shí)，對(duì)前置UASB的內(nèi)循環(huán)泵進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)以保持其上升流速度不變，每個(gè)階段回流比的試驗(yàn)時(shí)間根據(jù)實(shí)際情況控制在20～30 d之間，水力停留時(shí)間(HRT)控制在1.2 d左右，將PN區(qū)的ρ(NH4+-N)/ρ(NO2--N)控制在1.0～1.2.

表1 回流比試驗(yàn)流程Table 1 Experimental procedure of recycle ratios

1.4 分析項(xiàng)目與測(cè)定方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法[18]，每天分別對(duì)進(jìn)水、前置UASB出水、PN區(qū)出水和ANAMMOX區(qū)出水進(jìn)行取樣，對(duì)水樣中的ρ(NH4+-N)、ρ(NO2--N)、ρ(NO3--N)和ρ(CODCr)進(jìn)行檢測(cè)并記錄數(shù)據(jù). 另外，pH、ρ(DO)和溫度由在線設(shè)備(Multi 9420 IDS，德國(guó)WTW inoLab?)監(jiān)控并記錄數(shù)據(jù).

1.5 微生物群落分布檢測(cè)

在回流比試驗(yàn)中，在DN-PN-ANAMMOX工藝的不同功能區(qū)收集回流比為5(分別記為DN_5、PN_5和ANA_5)時(shí)、回流比為8(分別記為DN_8、PN_8和ANA_8)時(shí)以及回流比為9(分別記為DN_9、PN_9和ANA_9)時(shí)的污泥樣本并送至上海美吉生物公司(http://www.majorbio.com). 引物為16S rRNA的338F (5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R (5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)，在V3～V4區(qū)域?qū)ξ勰鄻颖具M(jìn)行檢測(cè)[19]，并在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析前進(jìn)行均一化處理，每個(gè)樣本用于后續(xù)分析的有效序列數(shù)在 30 000 左右.

2 結(jié)果與討論

2.1 回流比對(duì)DN-PN-ANAMMOX工藝的影響

回流比試驗(yàn)中反應(yīng)器進(jìn)水ρ(NH4+-N)穩(wěn)定在 1 900 mg/L左右，而回流的首要作用是稀釋進(jìn)水中的ρ(NH4+-N)，避免生物系統(tǒng)被高濃度的基質(zhì)所抑制. 在回流比依次為5、6、7、8和9時(shí)，前置UASB出水中ρ(NH4+-N)分別被稀釋至283、245、204、179和167 mg/L左右，且其出水中未檢測(cè)到NO2--N和NO3--N〔見(jiàn)圖2(a)〕. 在回流比依次為5、6、7、8和9時(shí)，PN區(qū)的ρ(NH4+-N)分別為94、82、67、56和35 mg/L，ρ(NO2--N)分別為80、64、57、45和28 mg/L，其中回流比為5、6和7時(shí)均沒(méi)有檢測(cè)到NO3--N，而當(dāng)回流比為8時(shí)，檢測(cè)到了NO3--N，其質(zhì)量濃度穩(wěn)定在5 mg/L左右，但是當(dāng)回流比調(diào)高至9時(shí)，ρ(NO3--N)逐漸增至28 mg/L且呈上升趨勢(shì)〔見(jiàn)圖2(b)〕. 在回流比依次為5、6、7、8和9時(shí)，ANAMMOX區(qū)ρ(NH4+-N)分別為53、42、23、9和12 mg/L，ρ(NO2--N)分別為16、11、4、2和3 mg/L. 其中回流比為5、6、7和8時(shí)檢測(cè)到少量NO3--N，但當(dāng)回流比調(diào)高至9時(shí)，出水中的ρ(NO3--N)逐漸增至17 mg/L〔見(jiàn)圖2(c)〕. 從ANAMMOX區(qū)的出水情況〔見(jiàn)圖2(c)〕可以看出，最好的脫氮效果出現(xiàn)在回流比為8時(shí)，此時(shí)的出水ρ(TN)低于15 mg/L.

圖2 不同回流比下反應(yīng)器各功能區(qū)氮素質(zhì)量濃度的變化Fig.2 Variations of nitrogen concentration in the reactor under different recycle ratios

2.1.1回流比對(duì)去除滲濾液中有機(jī)物的影響

中晚期滲濾液的典型特征是低C/N[20]，該研究中的C/N小于1.5，進(jìn)水ρ(CODCr)約為 2 500 mg/L，當(dāng)回流比為5時(shí)，出水ρ(CODCr)約為 1 350 mg/L；當(dāng)回流比為9時(shí)，出水ρ(CODCr)降至 1 250 mg/L. 即回流比由5調(diào)高至9時(shí)，CODCr去除率由47%升至53%左右〔見(jiàn)圖3(a)〕. 出水ρ(CODCr)與前置UASB出水的ρ(CODCr)無(wú)顯著差異，出水中的CODCr一般被認(rèn)為是不可生物降解的有機(jī)物，如腐殖質(zhì)、芳香族和抗生素等物質(zhì)[21]，而這些難降解有機(jī)物在DN-PN-ANAMMOX工藝中隨著回流比的調(diào)高只有些微降解，在回流比為9時(shí)CODCr去除率達(dá)到了最高，而WANG[12]采用基于ANAMMOX的連續(xù)流工藝處理中晚期滲濾液，CODCr去除率最高時(shí)也僅為63%.

在回流比為5時(shí)，PN區(qū)去除了20%左右的CODCr，ANAMMOX區(qū)去除了約10%的CODCr，而前置UASB僅去除約12%的CODCr. 但隨著回流比的調(diào)高，前置UASB去除有機(jī)物的占比不斷提高，PN區(qū)和ANAMMOX區(qū)去除有機(jī)物的占比均持續(xù)下降. 當(dāng)回流比調(diào)高至9時(shí)，前置UASB去除CODCr的占比達(dá)到了41%，而PN區(qū)去除CODCr的占比降至8%，ANAMMOX區(qū)去除CODCr的占比也降至3%〔見(jiàn)圖3(b)〕. 而在前置UASB出水中未檢測(cè)到NO2--N和NO3--N〔見(jiàn)圖2(a)〕，這表明隨著回流比的調(diào)高，ANAMMOX區(qū)中NO3--N的回流量增加，為前置UASB中的反硝化菌提供了更多的電子受體，以去除進(jìn)水中更多的可降解CODCr. 因此，進(jìn)入PN-ANAMMOX一體化反應(yīng)器的可生物降解有機(jī)物變少，這既避免了異養(yǎng)好氧菌在PN區(qū)與AOB爭(zhēng)DO，也避免了異養(yǎng)反硝化菌在ANAMMOX區(qū)與ANAMMOX菌競(jìng)爭(zhēng)共同的基質(zhì)NO2--N.

圖3 不同回流比下反應(yīng)器中有機(jī)物的去除變化Fig.3 Variations of organic removal in the reactor under different recycle ratios

2.1.2回流比對(duì)部分亞硝化工藝穩(wěn)定性的影響

PN區(qū)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)部分亞硝化工藝，將進(jìn)水中的部分NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2--N，為后續(xù)的ANAMMOX區(qū)提供基質(zhì)，而PN區(qū)ρ(NH4+-N)與ρ(NO2--N)的比值則通過(guò)限制曝氣來(lái)控制. 在試驗(yàn)中，ρ(DO)是抑制NOB的重要參數(shù)，由于只有部分NH4+-N需要轉(zhuǎn)化為NO2--N，所以在PN區(qū)DO的供給總是小于需求，不同回流比下ρ(DO)始終在較低的水平，穩(wěn)定在0.18 mg/L左右〔見(jiàn)圖4(a)〕. ZHANG等[22]發(fā)現(xiàn)間歇性曝氣控制的低ρ(DO)可以提高部分亞硝化工藝的穩(wěn)定性. 該研究中，可以通過(guò)在線監(jiān)測(cè)ρ(DO)來(lái)判斷反應(yīng)器運(yùn)行的狀況，以保證PN區(qū)ρ(NH4+-N)與ρ(NO2--N)的比值的穩(wěn)定.

在該研究中，ρ(FA)是抑制NOB活性并保證部分亞硝化工藝穩(wěn)定的另一個(gè)重要參數(shù). 當(dāng)回流比小于7時(shí)，ρ(FA)始終在5 mg/L以上〔見(jiàn)圖4(a)〕，部分亞硝化工藝穩(wěn)定，PN區(qū)未檢測(cè)到NO3--N〔見(jiàn)圖2(b)〕. Anthonisen等[23]發(fā)現(xiàn)10～150 mg/L的FA對(duì)NOB有抑制作用而對(duì)AOB沒(méi)有抑制作用，LI等[24]也發(fā)現(xiàn)高濃度的FA可以保證含有高濃度NH4+-N廢水實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝化，而ρ(FA)與pH和ρ(NH4+-N)均呈顯著相關(guān)[4]. 因?yàn)镻N區(qū)的部分亞硝化工藝是一個(gè)產(chǎn)酸過(guò)程，當(dāng)更多的NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2--N時(shí)pH會(huì)下降，所以在該研究中只要ANAMMOX菌有足夠的NO2--N，就會(huì)控制NH4+-N盡可能少地轉(zhuǎn)化為NO2--N. 當(dāng)回流比為8時(shí)，由于稀釋作用PN區(qū)ρ(NH4+-N)下降，從而使得ρ(FA)降至3 mg/L. 第80天時(shí)在PN區(qū)檢測(cè)到ρ(NO2--N)為5 mg/L左右，NO2--N積累率(nitrite accumulation efficiency, NAE)出現(xiàn)了下降但沒(méi)有持續(xù)下降，最終穩(wěn)定在85%左右〔見(jiàn)圖4(b)〕. 而當(dāng)回流比為9時(shí)，ρ(FA)降至2 mg/L以下，而PN區(qū)ρ(NO3--N)從7.83 mg/L迅速升至28.16 mg/L〔見(jiàn)圖2(b)〕. 而前置UASB出水中沒(méi)有檢測(cè)到NO3--N，這說(shuō)明所有的NO3--N都是由PN區(qū)的NOB產(chǎn)生. 第122天時(shí)NAE降至50%以下〔見(jiàn)圖4(b)〕，這說(shuō)明NOB在失去高濃度FA〔ρ(FA)>3 mg/L〕的抑制后，在PN區(qū)與AOB爭(zhēng)奪DO并將NO2--N轉(zhuǎn)化為NO3--N，破壞了NO2--N在PN區(qū)的有效積累. 另外，PN區(qū)的游離NO2--N (free nitrite acid，F(xiàn)NA)〔ρ(FNA)在0.001 mg/L左右波動(dòng)〕并未有效抑制NOB〔見(jiàn)圖4(a)〕，ρ(FNA)抑制NOB的手段適合用來(lái)實(shí)現(xiàn)將NH4+-N全部亞硝化為NO2--N[25]，而對(duì)該研究中的部分亞硝化工藝影響較小.

圖4 不同回流比下PN區(qū)ρ(DO)、ρ(FNA)、ρ(FA)及NAE的變化Fig.4 Variations of DO, FNA, FA and NAE in PN zone under different recycle ratios

圖5 不同回流比下ANAMMOX區(qū)氮素去除的變化Fig.5 Variations of nitrogen removal in ANAMMOX zone under different recycle ratios

2.1.3回流比對(duì)ANAMMOX脫氮性能的影響

該研究中氮素的去除主要發(fā)生在ANAMMOX區(qū). ANAMMOX區(qū)采用懸浮生長(zhǎng)法，ANAMMOX污泥與基質(zhì)的充分接觸依賴于上升流速[26]，隨著回流比從5調(diào)高至9，上升流速?gòu)?.16 m/h增至1.93 m/h〔見(jiàn)圖5(b)〕. 當(dāng)回流比為8時(shí)，ANAMMOX污泥在ANAMMOX區(qū)表現(xiàn)出良好的流動(dòng)狀態(tài)，為ANAMMOX菌的生長(zhǎng)提供了良好的物理環(huán)境，這也是ANAMMOX區(qū)氮去除速率(nitrogen removal rate of ANAMMOX zone, NRRana)上升的原因之一. 而當(dāng)回流比為5時(shí)，ANAMMOX區(qū)的上升流速較低，ANAMMOX污泥會(huì)沉降堆積在底部，水流在ANAMMOX區(qū)污泥中間形成溝流，ANAMMOX污泥不能有效地與基質(zhì)進(jìn)行接觸.

理論上ANAMMOX消耗的ρ(NO2--N)與ρ(NH4+-N)的比例為1.32∶1，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生0.26的ρ(NO3--N). 當(dāng)回流比為5時(shí)，ANAMMOX區(qū)消耗的ρ(NO2--N)與ρ(NH4+-N)的比值穩(wěn)定在1.65，這表明在ANAMMOX區(qū)同時(shí)發(fā)生異養(yǎng)反硝化反應(yīng). 當(dāng)可生物降解的CODCr進(jìn)入ANAMMOX區(qū)，反硝化細(xì)菌不僅將NO3--N轉(zhuǎn)化成氮?dú)猓覍O2--N轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，因此反硝化菌與ANAMMOX菌之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，而此時(shí)的NRRana穩(wěn)定在4.8 kg/(m3·d)左右〔見(jiàn)圖5(a)〕. 而當(dāng)回流比從5調(diào)高至8時(shí)，ANAMMOX區(qū)消耗的ρ(NO2--N)與ρ(NH4+-N)的比值在不斷減少，這表明ANAMMOX區(qū)存在半反硝化將一部分的NO3--N轉(zhuǎn)化為NO2--N，從而ANAMMOX區(qū)消耗的ρ(NO2--N)與ρ(NH4+-N)的比值會(huì)小于理論值(1.32)〔見(jiàn)圖5(b)〕. 當(dāng)回流比為8時(shí)，PN區(qū)的NAE下降并維持在85%左右，說(shuō)明NOB在PN區(qū)產(chǎn)生了少量的NO3--N，但由于反硝化菌將其轉(zhuǎn)化為NO2--N，ANAMMOX區(qū)消耗的ρ(NO2--N)與ρ(NH4+-N)的比值穩(wěn)定在1左右〔見(jiàn)圖5(b)〕，出水ρ(TN)低于15 mg/L〔見(jiàn)圖2(c)〕，WANG等[27]也發(fā)現(xiàn)半反硝化可以提升ANAMMOX的能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾滲濾液的高脫氮效率. 在第94天，NRRana達(dá)到7.41 kg/(m3·d)〔見(jiàn)圖5(a)〕，出水ρ(TN)為8.83 mg/L. 然而，隨著回流比調(diào)高至9，PN區(qū)的NAE下降且產(chǎn)生大量的NO3--N(見(jiàn)圖2)，在第119天，由于部分亞硝化工藝的失穩(wěn)對(duì)DN-PN-ANAMMOX工藝脫氮性能產(chǎn)生的不利影響，NRRana降至4.29 kg/(m3·d)〔見(jiàn)圖5(a)〕.

2.2 回流比對(duì)DN-PN-ANAMMOX工藝微生物群落分布的影響

滲濾液的生物脫氮除碳處理得益于各功能微生物在反應(yīng)器中的富集，而回流比的調(diào)控影響著反應(yīng)器系統(tǒng)的基質(zhì)濃度、FA等參數(shù)，微生物也隨著生長(zhǎng)環(huán)境的差異表現(xiàn)出物種的多樣性. 該試驗(yàn)微生物測(cè)序樣本覆蓋率均大于0.993(見(jiàn)表2). 其中回流比為8時(shí)的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)明顯低于回流比為5時(shí)，這說(shuō)明隨著回流比從5調(diào)至8更有利于相關(guān)功能區(qū)功能菌的富集，所以各功能區(qū)微生物的多樣性降低了. 而回流比從8調(diào)至9時(shí)，微生物的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)升高，豐富度指數(shù)也展現(xiàn)出相同的趨勢(shì).

表2 微生物的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、 豐富度指數(shù)及覆蓋率Table 2 Shannon-Wiener diversity index, abundance index and coverage of microbial

門水平上〔見(jiàn)圖6(a)〕，在DN_5樣品中Proteobacteria的相對(duì)豐度為45%，其在污泥中較為常見(jiàn)，在DN_8或DN_9樣品中其相對(duì)豐度均在30%以上. 而Chloroflexi的相對(duì)豐度從10.53%迅速增至29.63%，有報(bào)道稱Chloroflexi可以降解糖類有機(jī)物進(jìn)行反硝化[28]，這對(duì)反硝化過(guò)程的穩(wěn)定性具有重要意義. 而B(niǎo)acteroidetes的相對(duì)豐度均在15%以上，其不僅能降解糖和蛋白質(zhì)，還能在缺氧條件下進(jìn)行反硝化反應(yīng)[29]. 在PN區(qū)的優(yōu)勢(shì)菌門依次為Proteobacteria(占比為34.87%)、Chloroflexi(占比為11.17%)和Bacteroidetes(占比為23.63%). 值得注意的是，在PN_9 樣品中發(fā)現(xiàn)了Nitrospirae，其相對(duì)豐度為3.38%，證實(shí)了NOB在回流比為9時(shí)將PN區(qū)的NO2--N轉(zhuǎn)化為NO3--N是由于NOB的生長(zhǎng). 而在PN_8 樣品中未檢出Nitrospirae，說(shuō)明回流比為8時(shí)大部分的NOB仍處于抑制狀態(tài)，只有小部分NO2--N轉(zhuǎn)化為NO3--N. 在ANAMMOX區(qū)優(yōu)勢(shì)菌門依次為Proteobacteria(占比為24.98%)、Chloroflexi(占比為14.82%)和Bacteroidetes(占比為22.86%). 另外，Planctomycetes的相對(duì)豐度在ANA_5樣品中為15.32%，在ANA_8樣品中上升為21.95%，而在ANA_9樣品中降至17.52%，據(jù)報(bào)道Planctomycetes包含了所有已知的ANAMMOX菌屬[30]，這與ANAMMOX區(qū)的脫氮能力的變化相符合，說(shuō)明Planctomycetes的富集確實(shí)為ANAMMOX菌的生長(zhǎng)提供了基礎(chǔ).

在屬水平上〔見(jiàn)圖6(b)〕，污泥中含有具有反硝化作用的Pseudomonas[31]，其在DN_5樣品中的相對(duì)豐度為7.8%，在DN_8樣品中升至13.5%. 在PN區(qū)，當(dāng)回流比從5調(diào)至8時(shí)，具有亞硝化作用的Nitrosomonas的相對(duì)豐度始終在4.5%左右，Nitrosomonas是PN區(qū)中占主導(dǎo)地位的AOB[32]. 但當(dāng)回流比調(diào)高至9時(shí)，PN_9樣品中Nitrosomonas屬菌的相對(duì)豐度降至2.2%〔見(jiàn)圖6(b)〕，這與NAE下降相符〔見(jiàn)圖4(b)〕. 在ANAMMOX區(qū)最富集的ANAMMOX菌屬為Candidatus_Kuenenia，Phan等[33]在應(yīng)用ANAMMOX工藝處理滲濾液時(shí)的優(yōu)勢(shì)種是Candidatus_Kuenenia，Isanta等[34]也發(fā)現(xiàn)Candidatus_Kuenenia比其他ANAMMOX菌種更能適應(yīng)滲濾液是因?yàn)樗哂休^高的底物親和力. 在該試驗(yàn)中，當(dāng)回流比從5調(diào)至8時(shí)，Candidatus_Kuenenia的相對(duì)豐度從12.4%增至18.7%，這與NRRana從4.8 kg/(m3·d)升至7.41 kg/(m3·d)的現(xiàn)象相吻合〔見(jiàn)圖5(a)〕. 此外，當(dāng)回流比為9時(shí)，Candidatus_Kuenenia的相對(duì)豐度降至10.3%，而NRRana也降至4.29 kg/(m3·d).

圖6 不同回流比下微生物群落的分布變化Fig.6 Changes of microbial communities under different recycle ratios

3 結(jié)論

a) 具有回流的DN-PN-ANAMMOX工藝在最佳回流比為8時(shí)，NRRana達(dá)到了7.41 kg/(m3·d)，出水ρ(TN)為8.83 mg/L，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ρ(NH4+-N)高達(dá)1 900 mg/L的中晚期垃圾滲濾液的高效脫氮.

b) 回流比從5調(diào)至9時(shí)，CODCr的去除率由47%逐漸提至53%，其中前置UASB去除了進(jìn)水中41%的CODCr，可為后續(xù)的自養(yǎng)PN-ANAMMOX工藝提供低碳環(huán)境.

c) 高回流比的稀釋作用會(huì)使PN區(qū)的ρ(FA)低于2 mg/L，導(dǎo)致了NAE下降. 在回流比調(diào)至9時(shí)，NAE陡降至50%，對(duì)后續(xù)的ANAMMOX區(qū)產(chǎn)生不利影響，NRRana降至4.29 kg/(m3·d).

d) 適宜的回流比可形成有利于功能菌生長(zhǎng)的環(huán)境. 在回流比為8時(shí)，Pseudomonas、Nitrosomonas和Candidatus_Kuenenia分別在DN-PN-ANAMMOX工藝中的前置UASB、PN區(qū)及ANAMMOX區(qū)得到最優(yōu)的富集.