全康環(huán)保:研究背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局在全國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒（2020）發(fā)布報(bào)道，2019年全國(guó)垃圾無(wú)害化處理量為869875噸/日，其中衛(wèi)生填埋和焚燒各占比42.2%和52.5%。垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)由于能夠快速實(shí)現(xiàn)垃圾減量化、資源化和無(wú)害化，已超過填埋法成為我國(guó)主要的垃圾無(wú)害化處理方式。垃圾焚燒前需堆酵5~7天，以使垃圾熟化并瀝出水分，從而提高垃圾的熱值和燃燒穩(wěn)定性，垃圾中原有的水分、垃圾發(fā)酵產(chǎn)生水分及外來(lái)水分（降雨）共同形成了垃圾焚燒廠滲瀝液。這種垃圾焚燒廠滲瀝液是一種高氨氮高有機(jī)物廢水，其水質(zhì)成分復(fù)雜，含有多種有毒有害有機(jī)物和金屬離子；滲瀝液中鹽度高，易使設(shè)備結(jié)垢老化；同時(shí)水質(zhì)水量波動(dòng)大，易受垃圾的組成、降水等因素影響，是一類處理難度較大的廢水。

我國(guó)對(duì)于垃圾焚燒廠滲瀝液排放標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格，垃圾焚燒廠出水水質(zhì)需滿足GB 16889―2008《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》，垃圾滲瀝液出水氨氮需低于25 mg/L（如表1所示）。現(xiàn)階段垃圾滲瀝液生物處理多采用多級(jí)硝化反硝化工藝，但是滲瀝液進(jìn)水氨氮濃度高于1000 mg/L且水質(zhì)波動(dòng)極大，有毒成分還會(huì)抑制污泥活性，這給處理工藝帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)；同時(shí)，傳統(tǒng)硝化和反硝化脫氮工藝具有處理成本高、碳排放量大的不足，因此亟需開發(fā)出一種低耗高效的工藝來(lái)處理垃圾滲瀝液。

厭氧氨氧化技術(shù)是一種新型污水生物脫氮技術(shù)，在厭氧條件下厭氧氨氧化菌（Anammox）可利用NH4+-N和NO2--N直接生成N2，理論上可節(jié)省約60%的曝氣量，100%的外加有機(jī)碳源和90%的剩余污泥產(chǎn)量。短程硝化工藝中氨氧化菌（AOB）可將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2--N，為Anammox 提供充足的基質(zhì)。短程硝化與厭氧氨氧化工藝耦合可處理高NH4+-N、低C/N、可生化性低的廢水，在晚期填埋場(chǎng)垃圾滲濾液、污泥消化濾液、食品制造廢水、焦?fàn)t廢水等高氨氮工業(yè)廢水處理等領(lǐng)域已有應(yīng)用。但是Anammox 對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境敏感，易受到滲瀝液中大量有機(jī)物的沖擊，目前還鮮有采用厭氧氨氧化處理垃圾焚燒廠滲瀝液的研究。

本研究針對(duì)垃圾焚燒廠滲瀝液難處理波動(dòng)大的特性，采用厭氧消化反應(yīng)器穩(wěn)定水質(zhì)，處理高濃度污染物，構(gòu)建厭氧消化-短程硝化-厭氧氨氧化三段式組合工藝。在此期間系統(tǒng)考察各段反應(yīng)器的脫氮效果，分析系統(tǒng)中有機(jī)物遷移轉(zhuǎn)化、功能微生物活性等特性，并探究垃圾滲瀝液特殊水質(zhì)對(duì)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)菌群結(jié)構(gòu)的影響，以期為厭氧氨氧化技術(shù)處理水質(zhì)復(fù)雜的垃圾滲瀝液提供一定的理論指導(dǎo)。

摘 要

生活垃圾焚燒廠滲瀝液是一種含高氨氮高有機(jī)物濃度的難處理廢水，目前滲瀝液生物脫氮多采用多級(jí)硝化反硝化處理工藝，存在能耗大、效率低等不足。本研究以厭氧氨氧化技術(shù)為核心，構(gòu)建連續(xù)流厭氧消化-短程硝化-厭氧氨氧化三段式工藝，分析其中垃圾焚燒廠滲瀝液的生物脫氮效果、有機(jī)物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、功能微生物活性及組成變化。研究結(jié)果表明，在進(jìn)水NH4+-N濃度為900~1300mg/L，COD濃度為3300~4500mg/L時(shí)，系統(tǒng)處理效果良好，穩(wěn)定運(yùn)行期間總無(wú)機(jī)氮和COD去除率分別為85%、77%。其中厭氧消化段可去除約45%的COD，短程硝化段NO2--N積累率保持在97%以上，厭氧氨氧化段穩(wěn)定運(yùn)行期間總無(wú)機(jī)氮去除率約為85%，系統(tǒng)內(nèi)也存在一定程度反硝化反應(yīng)。接入滲瀝液后自養(yǎng)脫氮體系中功能微生物氨氧化菌(AOB)和厭氧氨氧化菌(Anammox)的活性均有不同程度的下降，采用宏基因組學(xué)結(jié)合16S rDNA高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)比分析微生物的群落和功能組成變化，發(fā)現(xiàn)滲瀝液中高濃度的有機(jī)物使短程硝化段和厭氧氨氧化段內(nèi)異養(yǎng)反硝化菌相對(duì)豐度上升，Anammox受到難降解有機(jī)物抑制，其中Candidatus_Kuenenia菌屬適應(yīng)性較強(qiáng)，在馴化后仍然可以維持厭氧氨氧化系統(tǒng)較高的脫氮效果。

01 材料與方法

1.實(shí)驗(yàn)裝置與運(yùn)行工況

本研究采用厭氧消化-短程硝化-厭氧氨氧化三段式耦合工藝處理垃圾焚燒廠滲瀝液，裝置整體為連續(xù)流，工藝流程如圖1所示。厭氧消化段采用上流式厭氧污泥床（Up-flow Anaerobic Sludge Bed, UASB）反應(yīng)器，有效容積為100L，穩(wěn)定運(yùn)行階段進(jìn)水流量為25L/d，水力停留時(shí)間為4d；反應(yīng)區(qū)溫度由外層水浴控制為35±2℃，部分出水超越到中間水箱。短程硝化段采用推流式缺氧/好氧（anoxic/oxic，A/O）反應(yīng)器，有效容積為80L，反應(yīng)器溫度由水浴控制為35±2℃；穩(wěn)定運(yùn)行階段進(jìn)水流量為15L/d，水力停留時(shí)間約為5d；反應(yīng)器出水進(jìn)入沉淀池內(nèi)，沉淀池底部污泥回流到缺氧區(qū)，上清液經(jīng)過溢流堰出水進(jìn)入中間水箱。厭氧氨氧化段采用顆粒污泥膨脹床（Expansive granular sludge bed, EGSB）反應(yīng)器，有效容積為50L，穩(wěn)定運(yùn)行階段進(jìn)水流量為25L/d，水力停留時(shí)間為2d；溫度由水浴控制為35±2℃。設(shè)置磁力泵進(jìn)行回流，控制反應(yīng)區(qū)上升流速為3m/h。

本實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間不同，為便于討論，將短程硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間記為1 d，厭氧消化反應(yīng)器自17 d啟動(dòng)，工藝運(yùn)行至314d。235~244d由于假期暫停運(yùn)行。短程硝化段穩(wěn)定運(yùn)行期間為280~314d，厭氧氨氧化段穩(wěn)定運(yùn)行期間為293~314d。

2.實(shí)驗(yàn)用水及污泥

厭氧消化反應(yīng)器全程使用上海某垃圾焚燒廠滲瀝液一級(jí)厭氧處理后的出水，該水中氨氮濃度為900~1800mg/L，COD為3000~20000mg/L。厭氧消化污泥種泥取自上海某垃圾焚燒廠滲瀝液處理站厭氧罐，污泥以絮體為主，顆粒粒徑較小，接種后污泥濃度為25g/L。

短程硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)階段進(jìn)水使用合成廢水，其中，前者的主要成分為NH4Cl和KHCO3，后者的主要成分為NH4Cl、NaNO2和KHCO3，主要成分根據(jù)反應(yīng)器運(yùn)行按需投加，其余成分及微量元素依照參考文獻(xiàn)投加，穩(wěn)定運(yùn)行后接入實(shí)際廢水。短程硝化污泥種泥取自上述垃圾焚燒廠硝化反硝化池；厭氧氨氧化污泥種泥取自課題組已穩(wěn)定運(yùn)行的SBR反應(yīng)器。

3.分析測(cè)試方法

本研究中常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)方法參考CJ/T51―2018《城市污水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》，用重量法測(cè)定污泥濃度MLSS和混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度MLVSS，CODCr采用快速消解分光光度法測(cè)定，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測(cè)定，NO3--N采用紫外分光光度法測(cè)定，NO2--N采用分光光度法測(cè)定。采用三維激發(fā)發(fā)射矩陣熒光光譜（Three-dimensional excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy，3D-EEM）定性分析各反應(yīng)器進(jìn)出水中溶解性有機(jī)物，采用比耗氧速率（Specific oxygen uptake rate, SOUR）來(lái)表征AOB活性，采用比厭氧氨氧化活性（Specific anammox activity，SAA）表征Anammox活性。使用16S rRNA和宏基因測(cè)序分析微生物群落組成結(jié)構(gòu)。

02 結(jié)果與討論

1.組合工藝對(duì)垃圾滲瀝液的有機(jī)物去除和脫氮效果

1.1 厭氧消化段

厭氧消化段在運(yùn)行期間主要考察了其對(duì)溶解性有機(jī)物的去除效果（圖2），以CODCr表示。在進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大時(shí)， UASB厭氧消化反應(yīng)器可以起到很好的水質(zhì)降解和緩沖作用。例如，第92天進(jìn)水中CODCr高達(dá)17000±1000mg/L，CODCr出水有一定幅度的升高，但很快降低。整體來(lái)說，反應(yīng)器出水水質(zhì)較為穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)后期出水中CODCr濃度可以維持在3000mg/L以下，CODCr平均去除率為45.4%。

本段進(jìn)水的垃圾滲瀝液為黑色不透明濁液，含有大量懸浮物質(zhì)，本研究?jī)H測(cè)定溶解性有機(jī)物，因此厭氧消化段對(duì)有機(jī)物的實(shí)際去除效果高于測(cè)定值；此外由于進(jìn)水泥沙含量高，在反應(yīng)器實(shí)際運(yùn)行過程中管道易堵塞，需要定時(shí)清洗維護(hù)。

1.2 短程硝化段

短程硝化段1~106d為合成廢水啟動(dòng)運(yùn)行階段；107d逐步接入?yún)捬跸纬鏊?，?shí)現(xiàn)了UASB反應(yīng)器和A/O反應(yīng)器的串聯(lián)，運(yùn)行效果見圖3。由于水質(zhì)波動(dòng)較大，進(jìn)水NH4+-N濃度也隨之變化。本實(shí)驗(yàn)通過低溶解氧（DO）、高游離氨（FA）和高游離亞硝酸（FNA）濃度抑制硝化細(xì)菌（NOB）的生長(zhǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)AOB的富集。由于AOB在有氧條件下可以將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2--N，控制曝氣量在16L/min，使NH4+-N部分轉(zhuǎn)變NO2--N，出水ΔNO2-/ΔNH4+在1.3左右，以此滿足厭氧氨氧化段進(jìn)水基質(zhì)計(jì)量學(xué)需求。183d，由于無(wú)法精準(zhǔn)根據(jù)水質(zhì)波動(dòng)調(diào)整曝氣， NH4+-N濃度升高，有機(jī)物難以充分降解。

于是208d調(diào)整工藝策略，采用流量控制方法，控制中間水箱內(nèi)ΔNO2-/ΔNH4+在1.3左右。本實(shí)驗(yàn)中短程硝化反應(yīng)器出水中NO2--N濃度在700~1000mg/L，UASB反應(yīng)器出水中NH4+-N在900~1400mg/L，按照厭氧氨氧化反應(yīng)所需的基質(zhì)比，短程硝化反應(yīng)器出水體積與厭氧消化反應(yīng)器出水體積之比控制在1.5較為適宜。因此根據(jù)厭氧消化段25L/d的處理量，控制短程硝化段進(jìn)水為15L/d，超越量為10L/d，兩者在中間水箱進(jìn)行混合，作為厭氧氨氧化反應(yīng)器的進(jìn)水。

235~244d由于春節(jié)回家反應(yīng)器暫停運(yùn)行， 245~262d重新快速啟動(dòng)并于280d實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，期間出水NO2--N濃度在800mg/L左右，積累率保持在97.3%以上，NH4+-N濃度穩(wěn)定在20.8mg/L以下，總無(wú)機(jī)氮去除率為8.7±0.8%。

如圖3（b）可知，經(jīng)過短程硝化段可有效去除大部分有機(jī)物，在第2.2節(jié)中對(duì)短程硝化段進(jìn)出水做三維熒光分析，結(jié)果表明好氧過程對(duì)有機(jī)物有非常好的去除效果，可進(jìn)一步去除厭氧消化出水中剩余的易降解有機(jī)物和部分難降解的腐殖酸類物質(zhì)，穩(wěn)定運(yùn)行期間短程硝化反應(yīng)器CODCr平均去除率為60.1%，這也可為后段厭氧氨氧化提供更好的自養(yǎng)環(huán)境?？梢?，本研究中短程硝化反應(yīng)器幾乎不會(huì)被滲瀝液水質(zhì)抑制，流量的控制方法可實(shí)現(xiàn)工藝穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3 厭氧氨氧化段

厭氧氨氧化段1 ~185d為合成廢水啟動(dòng)階段，運(yùn)行效果良好；186d~207d逐漸接入實(shí)際廢水，此階段運(yùn)行至314天，運(yùn)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(yùn)行， 245d用合成廢水重新啟動(dòng)， 263d接入實(shí)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(jī)物的影響。

293d之后，反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)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(jì)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(yùn)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(yùn)行期間ΔNO3-/ΔNH4+比例下降為0.13，推測(cè)是滲瀝液中的有機(jī)物質(zhì)使異養(yǎng)反硝化菌大量增殖，致使反硝化作用加強(qiáng)。

由圖4（b）可知厭氧氨氧化反應(yīng)器可以對(duì)進(jìn)水中的有機(jī)物進(jìn)一步去除，在滲瀝液穩(wěn)定運(yùn)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(shí)際廢水， CODCr進(jìn)出水濃度增加，對(duì)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(jī)物濃度會(huì)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(cè)是這部分物質(zhì)產(chǎn)生主要的抑制作用。

本研究中厭氧氨氧化段總無(wú)機(jī)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(jī)物的影響，處理效果稍低于無(wú)機(jī)配水階段88.8%的去除率。組合工藝總無(wú)機(jī)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)行階段的進(jìn)出水進(jìn)行3D-EEM測(cè)試，得到結(jié)果如表2和圖5。在測(cè)試結(jié)果中包含3個(gè)較為明顯的熒光峰，對(duì)照已有研究初步判定三個(gè)峰所對(duì)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(qiáng)化厭氧處理后，色氨酸類物質(zhì)的熒光峰（B）強(qiáng)度明顯降低，這主要是因?yàn)樯彼犷愇镔|(zhì)屬于易降解性有機(jī)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(qiáng)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(qiáng)度增加推測(cè)是垃圾滲瀝液中的植物殘?jiān)?jīng)微生物分解轉(zhuǎn)化為了富里酸，導(dǎo)致其含量上升。

對(duì)比短程硝化段進(jìn)出水熒光圖譜，可以發(fā)現(xiàn)三個(gè)峰的熒光強(qiáng)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(jī)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(qiáng)度下降了29.3%。富里酸類物質(zhì)（A）熒光強(qiáng)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(wú)機(jī)氮處理效果下降，推測(cè)是腐殖酸類有機(jī)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(shí)際廢水中有機(jī)物會(huì)影響功能菌活性和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)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(shí)際垃圾滲瀝液會(huì)對(duì)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(huì)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(duì)豐度下降，異養(yǎng)菌相對(duì)豐度上升，但AOB仍屬于優(yōu)勢(shì)菌，其對(duì)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(duì)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(shí)就會(huì)對(duì)厭氧氨氧化菌造成抑制，當(dāng)腐殖酸濃度達(dá)到200 mg/L時(shí)，SAA會(huì)降低57%。結(jié)合2.2節(jié)分析，推測(cè)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(duì)而言，滲瀝液對(duì)Anammox的抑制作用比AOB更強(qiáng)。

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(shí)，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(cè)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(wú)機(jī)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(wú)機(jī)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(cè)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(duì)樣品Alpha多樣性進(jìn)行表征，見表3，各樣品計(jì)算Alpha多樣性指數(shù)時(shí)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(shì)，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(duì)復(fù)雜的實(shí)際廢水。

4.2 基于宏基因組的物種組成分析

本研究重點(diǎn)對(duì)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(duì)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(gè)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(duì)豐度由38.8%增加至67.0%；厭氧氨氧化段變形菌門相對(duì)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(duì)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(duì)豐度變化不大，但在短程硝化段該門相對(duì)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(duì)水質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)。擬桿菌門相對(duì)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(duì)豐度由21.2%下降至8.2%，表明滲瀝液水質(zhì)對(duì)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(cè)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(duì)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(yùn)行效果一直較穩(wěn)定，推測(cè)是由于異養(yǎng)菌的大量增殖進(jìn)而使相對(duì)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(duì)豐度由0.2%逐漸上升至5.1%，這可能是因?yàn)闈B瀝液中含有較多的酚類有機(jī)物，這種菌的存在也解釋了短程硝化段有機(jī)物較高的去除率，特別是2.2所述的難降解腐殖酸類有機(jī)物。

在厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)檢測(cè)到3種常見Anammox屬：Candidatus_Kuenenia、Candidatus_Jettenia和Candidatus_Brocadia，它們的相對(duì)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(duì)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(jī)物，厭氧氨氧化體系內(nèi)反硝化菌屬相對(duì)豐度由0.8%上升至1.8%。實(shí)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(shí)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(jī)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(shí)驗(yàn)條件下，總無(wú)機(jī)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(duì)實(shí)際廢水中復(fù)雜有機(jī)物組分時(shí)的一種響應(yīng)機(jī)制。AOB功能菌Nitrosomonas活性下降，受到輕微抑制，但其對(duì)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(jī)物質(zhì)，異養(yǎng)菌反硝化菌Ottowia菌富集，反應(yīng)器中同時(shí)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(jī)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(duì)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(duì)水質(zhì)變化較為敏感，接入滲瀝液后其相對(duì)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(cè)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(duì)不良環(huán)境的適應(yīng)能力稍強(qiáng)，經(jīng)過一段時(shí)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(wú)機(jī)氮去除率。

4)本組合工藝處理過程中無(wú)需投加其它藥劑，所需能耗主要為短程硝化段的曝氣能耗。相比上海某滲瀝液處理站采用的傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝而言，可節(jié)省25%的曝氣能耗，100%的外加碳源藥劑費(fèi)。