1.3 厭氧氨氧化段

厭氧氨氧化段1 ~185d為合成廢水啟動階段，運行效果良好；186d~207d逐漸接入實際廢水，此階段運行至314天，運行效果見圖4。

208d調(diào)整進(jìn)水策略，出水水質(zhì)穩(wěn)定；235~244d由于春節(jié)回家反應(yīng)器暫停運行， 245d用合成廢水重新啟動， 263d接入實際廢水，出水中NH4+-N、NO2--N濃度開始升高，這可能受滲瀝液中復(fù)雜有機物的影響。蘇州工業(yè)垃圾處置

293d之后，反應(yīng)器穩(wěn)定運行，出水NH4+-N和NO2--N濃度分別穩(wěn)定在42.2±6.3mg/L和36.5±5.1mg/L，說明厭氧氨氧化段內(nèi)微生物經(jīng)馴化后可適應(yīng)滲瀝液水質(zhì)，出水中NO3--N在加入滲瀝液后開始逐漸下降并穩(wěn)定在47.2±5.2mg/L。厭氧氨氧化反應(yīng)化學(xué)計量學(xué)比例ΔNO2-/ΔNH4+為1.32，ΔNO3-/ΔNH4+為0.26。在本研究中該段滲瀝液運行后期ΔNO2-/ΔNH4+為1.49，ΔNO3-/ΔNH4+反應(yīng)初期為0.20，表明厭氧氨氧化系統(tǒng)中有反硝化菌存在，部分NO2--N、NO3--N發(fā)生了反硝化作用，穩(wěn)定運行期間ΔNO3-/ΔNH4+比例下降為0.13，推測是滲瀝液中的有機物質(zhì)使異養(yǎng)反硝化菌大量增殖，致使反硝化作用加強。蘇州工業(yè)垃圾處理

由圖4（b）可知厭氧氨氧化反應(yīng)器可以對進(jìn)水中的有機物進(jìn)一步去除，在滲瀝液穩(wěn)定運行期內(nèi)出水CODCr濃度為760.8±15.6mg/L，平均去除率為38.7±1.9%。由于263d接入實際廢水， CODCr進(jìn)出水濃度增加，對應(yīng)NH4+-N、NO2--N出水濃度升高，根據(jù)2.3.2節(jié)可知高有機物濃度會抑制Anammox活性，這與苗蕾等人的研究結(jié)果一致。本文第2.2節(jié)中三維熒光圖譜顯示厭氧氨氧化段進(jìn)出水含有較多難降解的腐殖酸類物質(zhì)，推測是這部分物質(zhì)產(chǎn)生主要的抑制作用。蘇州工業(yè)廢水處置

本研究中厭氧氨氧化段總無機氮平均去除率為85.1±2.0%，處理效果良好，但由于受到滲瀝液中有機物的影響，處理效果稍低于無機配水階段88.8%的去除率。組合工藝總無機氮和CODCr的去除率分別為84.6±2.7%和77.4±1.2%。厭氧消化-短程硝化-厭氧氨氧化三段式組合工藝較好地實現(xiàn)了對垃圾焚燒廠滲瀝液的脫氮除碳效果。

2.三維熒光分析溶解性有機物的遷移轉(zhuǎn)化

垃圾焚燒廠滲瀝液的水質(zhì)接近新鮮垃圾滲濾液，其中含有大量種類復(fù)雜的有機物，如揮發(fā)性脂肪酸、芳香族化合物、蛋白質(zhì)、多糖、抗生素、腐殖酸等。本研究為進(jìn)一步研究垃圾焚燒廠滲瀝液處理過程中有機物的遷移轉(zhuǎn)化過程，取各反應(yīng)器在接入滲瀝液后穩(wěn)定運行階段的進(jìn)出水進(jìn)行3D-EEM測試，得到結(jié)果如表2和圖5。在測試結(jié)果中包含3個較為明顯的熒光峰，對照已有研究初步判定三個峰所對應(yīng)的物質(zhì)為：富里酸類物質(zhì)（A）、色氨酸類物質(zhì)（B）和海洋腐殖酸類物質(zhì)（C）。

滲瀝液經(jīng)強化厭氧處理后，色氨酸類物質(zhì)的熒光峰（B）強度明顯降低，這主要是因為色氨酸類物質(zhì)屬于易降解性有機物，厭氧消化反應(yīng)器內(nèi)的微生物可以將其降解。海洋腐殖酸類物質(zhì)（C）的熒光峰前后變化不大，而富里酸類物質(zhì)（A）的熒光峰強度則略微增加，海洋腐殖酸類物質(zhì)和富里酸屬于較難降解的腐殖酸，A峰強度增加推測是垃圾滲瀝液中的植物殘渣經(jīng)微生物分解轉(zhuǎn)化為了富里酸，導(dǎo)致其含量上升。

對比短程硝化段進(jìn)出水熒光圖譜，可以發(fā)現(xiàn)三個峰的熒光強度均明顯下降（A、B和C分別下降了42.7%、32.7%和33.4%），這說明在好氧條件下可以進(jìn)一步降解有機污染物，此外污泥EPS也可以吸附部分難降解的腐殖酸類物質(zhì)。厭氧氨氧化反應(yīng)器進(jìn)出水的熒光圖譜變化規(guī)律與厭氧消化反應(yīng)器較相似。易降解的色氨酸類物質(zhì)（B）通過微生物作用得以去除，熒光強度下降了29.3%。富里酸類物質(zhì)（A）熒光強度略微上升，海洋腐殖酸類物質(zhì)（C）基本不變。

在2.1.3節(jié)中厭氧氨氧化段接入滲瀝液后總無機氮處理效果下降，推測是腐殖酸類有機物質(zhì)抑制了Anammox，有學(xué)者認(rèn)為腐殖酸可以進(jìn)入細(xì)胞壁較薄的革蘭氏陰性菌胞內(nèi)，作為電子受體破壞電子傳遞鏈。

3.氮素轉(zhuǎn)化功能菌活性變化

短程硝化-厭氧氨氧化系統(tǒng)的功能微生物AOB和Anammox菌都是化能自養(yǎng)型微生物，實際廢水中有機物會影響功能菌活性和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。本研究采用SOUR值和SAA值表征AOB和Anammox的活性，分析接入滲瀝液前后功能菌活性變化，結(jié)果見表3。

短程硝化段AOB活性在接入垃圾滲瀝液后降低15.7%，且具有顯著性差異（p<0.05），說明實際垃圾滲瀝液會對硝化菌活性產(chǎn)生一定的抑制作用，但由2.1.2出水水質(zhì)可知該抑制作用并不會破壞短程硝化反應(yīng)體系，反應(yīng)器依然可以保持穩(wěn)定的短程硝化效果。在第2.4.2節(jié)微生物群落組成分析結(jié)果也表明，在接入滲瀝液之后AOB相對豐度下降，異養(yǎng)菌相對豐度上升，但AOB仍屬于優(yōu)勢菌，其對垃圾滲瀝液水質(zhì)有一定的適應(yīng)能力。

厭氧氨氧化段在接入滲瀝液后SAA值降低了33.2%，且具有顯著性差異（p<0.05）。經(jīng)2.4.2中微生物群落分析可知Anammox相對豐度大幅下降，因此這很可能是活性降低的重要原因。有研究表明腐殖酸濃度達(dá)到70 mg/L時就會對厭氧氨氧化菌造成抑制，當(dāng)腐殖酸濃度達(dá)到200 mg/L時，SAA會降低57%。結(jié)合2.2節(jié)分析，推測是滲瀝液中的腐殖酸類物質(zhì)等綜合抑制了Anammox的活性，導(dǎo)致2.1.3節(jié)中厭氧氨氧化段處理效果的下降。相對而言，滲瀝液對Anammox的抑制作用比AOB更強。

厭氧氨氧化段是本工藝的限速環(huán)節(jié)，在二者污泥濃度相差不大時，厭氧氨氧化段的處理能力要明顯低于短程硝化段，因此本工藝的日處理量在很大一部分程度上受限于該段。

4.微生物種群分析

污水處理的微生物基本原理是深度解析污染物降解過程的關(guān)鍵，本研究采用16S rDNA高通量測序技術(shù)結(jié)合宏基因組學(xué)分析微生物群落組成。取短程硝化反應(yīng)器無機配水穩(wěn)定階段和接入滲瀝液穩(wěn)定階段的污泥，樣品分別記為PN105和PN280；取厭氧氨氧化反應(yīng)器無機配水穩(wěn)定階段和接入滲瀝液穩(wěn)定階段的污泥，樣品分別記為AMX160和AMX300。

4.1 基于16S rDNA測序的Alpha多樣性分析

根據(jù)樣本的 Shanon指數(shù)、Simpson指數(shù)、ACE指數(shù)、Chao指數(shù)對樣品Alpha多樣性進(jìn)行表征，見表3，各樣品計算Alpha多樣性指數(shù)時OTU覆蓋率均超過99%。Shannon和Simpson指數(shù)可反映微生物群落多樣性，Shannon指數(shù)越高，Simpson指數(shù)越低，則生物群落多樣性越高；Ace指數(shù)和Chao指數(shù)可反映微生物群落豐富度，其數(shù)值越高，群落豐富度越高。由表3可知，在接入垃圾滲瀝液后，兩反應(yīng)器呈相似的變化趨勢，Shannon指數(shù)、Ace指數(shù)和Chao指數(shù)升高，Simpson指數(shù)降低，表明在滲瀝液存在條件下，短程硝化段和厭氧氨氧化段體系內(nèi)微生物的物種數(shù)量、群落多樣性和豐富度均有所升高，這也有助于微生物系統(tǒng)應(yīng)對復(fù)雜的實際廢水。

4.2 基于宏基因組的物種組成分析

本研究重點對短程硝化反應(yīng)器和厭氧氨氧化反應(yīng)器在門和屬水平的物種組成進(jìn)行分析，將相對豐度小于1%的菌門或菌屬歸入others類別中，得到結(jié)果如圖6和圖7所示。

兩個反應(yīng)器在門水平的微生物組成信息如圖6所示。短程硝化反應(yīng)器內(nèi)微生物主要包括變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、綠彎菌門（Chloroflexi）、和浮霉菌門（Planctomycetes）等。厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)微生物主要包括變形菌門、浮霉菌門、綠彎菌門、裝甲菌門（Armatimonadetes）、放線菌門（Actinobacteria）和擬桿菌門等。

在接入滲瀝液后，短程硝化段變形菌門相對豐度由38.8%增加至67.0%；厭氧氨氧化段變形菌門相對豐度由23.1%增至37.0%，這說明變形菌門菌群可以較好地適應(yīng)垃圾滲瀝液這一復(fù)雜水質(zhì)。變形菌門包括氨氧化菌、亞硝酸氧化菌和大部分反硝化菌，這也是系統(tǒng)脫氮效果穩(wěn)定的原因之一。

綠彎菌門細(xì)菌多數(shù)為兼性厭氧菌，對維持污泥形態(tài)結(jié)構(gòu)有重要作用。在厭氧氨氧化段，綠彎菌門相對豐度變化不大，但在短程硝化段該門相對豐度在由20.2%下降至3.4%，這也導(dǎo)致短程硝化段內(nèi)微生物結(jié)構(gòu)松散，凝聚性較差。

擬桿菌門廣泛存在與人類腸道和海洋中，對水質(zhì)適應(yīng)性強。擬桿菌門相對豐度在短程硝化段下降，在厭氧氨氧化段略微上升。浮霉菌門中有可進(jìn)行厭氧氨氧化作用的Anammox菌，在接入垃圾滲瀝液后，厭氧氨氧化體系中浮霉菌門相對豐度由21.2%下降至8.2%，表明滲瀝液水質(zhì)對厭氧氨氧化菌的影響較為顯著。

兩反應(yīng)器在屬水平的微生物組成信息如圖7所示。短程硝化反應(yīng)器內(nèi)檢測到的主要功能微生物為短程硝化單胞菌屬（Nitrosomonas），這是一種常見的AOB。在接入滲瀝液前后，Nitrosomonas相對豐度由26.8%降至5.7%，這也導(dǎo)致2.3.2節(jié)中AOB活性下降，但短程硝化反應(yīng)器運行效果一直較穩(wěn)定，推測是由于異養(yǎng)菌的大量增殖進(jìn)而使相對豐度下降。Ottowia菌屬是一種反硝化菌，屬于變形菌門，其在含大量酚類物質(zhì)的廢水中易富集，在短程硝化反應(yīng)器內(nèi)，其相對豐度由0.2%逐漸上升至5.1%，這可能是因為滲瀝液中含有較多的酚類有機物，這種菌的存在也解釋了短程硝化段有機物較高的去除率，特別是2.2所述的難降解腐殖酸類有機物。

在厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)檢測到3種常見Anammox屬：Candidatus_Kuenenia、Candidatus_Jettenia和Candidatus_Brocadia，它們的相對豐度在接入垃圾滲瀝液后分別下降了69.3%、90.9%和84.6%，說明滲瀝液對厭氧氨氧化菌造成了較大程度的抑制，這也導(dǎo)致2.1.3中處理效果下降。其中Candidatus_Kuenenia下降幅度最小，表明其相比于Candidatus_Brocadia和Candidatus_Jettenia可以耐受更加惡劣的環(huán)境。另外，由于滲瀝液水質(zhì)中含有較多的有機物，厭氧氨氧化體系內(nèi)反硝化菌屬相對豐度由0.8%上升至1.8%。實際水體系中還存在大量未知菌種，其功能特性還有待研究。

03 結(jié)論

本研究采用厭氧消化-短程硝化-厭氧氨氧化工藝實現(xiàn)了垃圾焚燒廠滲瀝液低碳高效脫氮處理，提出了流量控制的穩(wěn)定脫氮策略，揭示了溶解性有機物在工藝中的遷移轉(zhuǎn)化，分析了污泥濃度及氮素轉(zhuǎn)化功能菌活性變化，最后解析了短程硝化和厭氧氨氧化體系微生物種群和功能的演替規(guī)律，主要獲得以下結(jié)論：

1）在進(jìn)水垃圾滲瀝液NH4+-N濃度為900~1300mg/L，CODCr濃度為3300~4500mg/L，組合工藝HRT為11天實驗條件下，總無機氮和CODCr去除率分別為84.6±2.7%和77.4±1.2%，出水中NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度分別為42.2±6.3mg/L和36.5±5.1mg/L和47.2±5.2mg/L。

2）短程硝化段在前期采用低DO和高FNA聯(lián)合控制方式成功富集了AOB菌，后期采用流量配比的控制方式為厭氧氨氧化段提供充足的反應(yīng)基質(zhì)。在接入滲瀝液后，微生物多樣性增加，出現(xiàn)降解酚類物質(zhì)的微生物，這可能是厭氧氨氧化反應(yīng)器菌群應(yīng)對實際廢水中復(fù)雜有機物組分時的一種響應(yīng)機制。AOB功能菌Nitrosomonas活性下降，受到輕微抑制，但其對滲瀝液水質(zhì)有一定的適應(yīng)能力，可保持97.3%以上的亞硝酸鹽積累率。滲瀝液中存在較高濃度的有機物質(zhì)，異養(yǎng)菌反硝化菌Ottowia菌富集，反應(yīng)器中同時存在短程硝化和短程反硝化反應(yīng)，這也保證了該段60.1%的CODCr去除率。此外，通過三維熒光光譜分析，該段去除的溶解性有機物不僅有易降解的色氨酸類物質(zhì)，還可在有氧條件下吸附去除一定量的難降解腐殖酸類物質(zhì)，減輕對后段厭氧氨氧化反應(yīng)器的抑制。

3）厭氧氨氧化段是脫氮的核心區(qū)域，發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)和一定程度的反硝化作用，但Anammox功能菌對水質(zhì)變化較為敏感，接入滲瀝液后其相對豐度和活性均發(fā)生大幅下降，由于進(jìn)水中含有未經(jīng)短程硝化段處理的廢水，推測認(rèn)為腐殖酸可能進(jìn)入?yún)捬醢毖趸��?xì)菌胞內(nèi)，破壞了其電子傳遞鏈，繼而影響了厭氧氨氧化代謝活性。在Anammox功能菌屬中Candidatus_Kuenenia對不良環(huán)境的適應(yīng)能力稍強，經(jīng)過一段時間的馴化后厭氧氨氧化系統(tǒng)可逐漸恢復(fù)優(yōu)良的處理效果，該段在組合工藝中貢獻(xiàn)約90%的總無機氮去除率。