双氯芬酸和重金属复合污染对禽畜养殖废水生物脱氮工艺性能影响的机制

The livestock wastewater usually contains diclofenac and heavy metals, and the effects of diclofenac and heavy metals on the performance of a biological wastewater treatment system have been one of the research frontiers and hotspots. However, the present researches focus on the effect of single diclofenac or heavy metals, and no information has been conducted to investigate the combined effects of diclofenac and heavy metals on the performance of a biological treatment system treating livestock wastewater. To solve this problem, the major objectives of this study were to investigate the combined effects of diclofenac and heavy metals on the performance, microbial community and extracellular polymeric substances of a biological treatment system treating livestock wastewater, to evaluate the joint toxicity of diclofenac and heavy metals on the enzyme activities and functional genes from ammonia oxidizing bacteria, nitrite oxidizing bacteria and denitrifying bacteria, and to analyze the roles of ammonia oxidizing bacteria, nitrite oxidizing bacteria and denitrifying bacteria in the processes of the diclofenac and heavy metals removals. This study will provide theoretical guidances and technical supports for the development of economic and efficient biological treatment technology of livestock wastewater.

双氯芬酸和重金属在禽畜养殖废水中普遍存在，并且双氯芬酸和重金属对废水生物处理工艺性能影响机制的研究是国内外关注的热点之一，但已有工作多局限于单一类污染物的影响，而忽视了双氯芬酸与重金属复合污染对工艺性能影响机制的研究。本项目针对上述问题，通过分析双氯芬酸和重金属复合污染下，禽畜养殖废水生物处理工艺中氨氧化菌群、亚硝酸盐氧化菌群和反硝化菌群的酶活性和功能基因、微生物群落、胞外聚合物以及双氯芬酸、重金属和氮等污染物去除效率的变化，解析双氯芬酸和重金属对微生物的联合毒性及其对工艺脱氮行为干预的机制，阐明氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌和反硝化菌在双氯芬酸和重金属复合污染去除中的作用，为开发经济、高效的禽畜养殖废水净化技术提供理论指导与技术支持。

本项目系统考察了兽药与重金属联合效应对污水生物处理工艺性能的影响机制。通过分析微生物酶活性的变化规律，活性污泥与双氯芬酸、重金属、双氯芬酸+重金属之间的界面作用以及活性氧和乳酸脱氢酶的变化，揭示双氯芬酸和重金属联合毒性对微生物活性短期影响，结果显示重金属种类的变化会改变双氯芬酸和重金属对微生物的联合毒性；在活性污泥长期暴露于兽药+重金属条件下，考察兽药和重金属组成的变化（包括兽药的种类（双氯芬酸和四环素）、重金属的种类（铜和锌）、兽药/重金属浓度比（双氯芬酸/铜以及四环素/铜或锌）、兽药和重金属总浓度（双氯芬酸+重金属和四环素+重金属）的变化）对污水生物处理工艺有机物、氮的去除效率、微生物酶的活性、微生物脱氮功能基因的丰度、抗生素抗性基因的丰度和宿主、胞外聚合物特性、活性氧和乳酸脱氢酶水平以及微生物群落结构等影响规律，解析兽药和重金属长期的加入对禽畜养殖废水生物脱氮性能影响的作用机制，结果显示改变兽药种类可以引起兽药与重金属微生物毒性的联合效应变化，而改变重金属种类、兽药/重金属浓度比以及兽药和重金属总浓度未引起联合效应变化；采用UV/Fenton-SBR组合工艺处理含双氯芬酸和锌复合污染的废水，评价双氯芬酸和锌联合效应对组合工艺污染物去除效率、胞外聚合物特性、活性氧和乳酸脱氢酶水平等影响规律，分析双氯芬酸中间代谢产物变化，解析双氯芬酸和重金属联合效应对UV/Fenton-SBR组合工艺性能影响的作用机制，结果显示自由基对双氯芬酸攻击和双氯芬酸脱羧是双氯芬酸去除的主要途径，这导致双氯芬酸和锌对未经UV/Fenton前处理的SBR污染物效率联合抑制表现为协同而对组合工艺污染物效率表现为拮抗。