生物反应器填埋场厌氧氨氧化协同增效反硝化的微生物机理和优化策略

The research on nitrogen transfer and removal in the bioreactor landfills is the highlight in the field of municipal refuse landfill. Recently, the nitrogen removal by anaerobic ammonium oxidation (Anammox) was proved to be an alternative pathway in the bioreactor landfill. However, there was little research on the impact of complex condition in bioreactor landfill on Anammox as well as the coupling mechanism of Anammox and denitrification for efficient removal on nitrogen and carbon, which prevented the promotion and development of the bioreactor landfills. In this project, a bioreactor landfill of Anammox and denitrification will be constructed and run under different process to explore the optimized conditions on nitrogen and carbon removal efficiency of bioreactor. By combining the nitrogen stable isotopic tracing and molecular technology, the function of Anammox and denitrification and the characteristics of functional microbial communities at different operation conditions and spatial sites will be studied, in order to understand the mechanism of coexistence and synergism of Anammox and denitrification as well as its strategies on improvement of nitrogen and carbon removal in bioreactor landfill based on the microbial ecology, which would provide fundamental understanding on how to efficiently develop and operate high-rate bioreactor.

生物反应器填埋场系统中氮污染物的转化及去除，一直是城市垃圾填埋处理领域研究的热点。最近，生物反应器填埋场中厌氧氨氧化作用的证实，为其中氮素的转化增加了新的途径。但是，该生物反应器中复杂的环境条件对厌氧氨氧化菌群的影响，以及反应器脱氮去碳过程中厌氧氨氧化与反硝化作用关系和耦合机制，尚缺乏深入系统的研究，也限制了反应器系统污染去除效率的提升和技术完善。本课题针对上述问题，开展以下研究：构建并启动厌氧氨氧化和反硝化协同作用的生物反应器填埋场，探讨工艺调控对反应器厌氧氨氧化协同反硝化脱氮去碳的影响；结合氮稳定同位素示踪，分析反应器不同运行工况下的厌氧氨氧化和反硝化脱氮功能；以及采用分子生物学技术研究功能微生物群落的时空变化规律和特点。以期从微生物生态角度解析反应器厌氧氨氧化和反硝化共存协同作用机制，并提出优化作用策略，为生物反应器填埋场高效运行提供理论依据。

生活垃圾在填埋处理过程中会产生高污染的渗滤液，特别是填埋后期的老龄渗滤液由于其高氨氮浓度和低碳氮比的特点，传统反硝化工艺脱氮效果有限，而厌氧氨氧化脱氮无需碳源，可以与反硝化形成互补，有利于填埋场反应器中高效低耗脱氮。但是，两者协同作用的机理及工艺优化尚缺乏研究。本课题通过构建填埋场生物反应器处理老龄渗滤液，研究进水渗滤液有机负荷，BOD5/TN以及NO2-N/NH4-N等水质条件对反应器中反硝化和厌氧氨氧化联合脱氮的定量影响，同时结合定量PCR，高通量测序和15N稳定同位素示踪技术解析两者协同作用的机理，在此基础上研究了水质优化和接种厌氧污泥提高反应器快速启动的策略。研究的主要结果如下：. 1）在本研究老龄渗滤液进水有机负荷0.02 - 0.07 kg·m-3·d-1, BOD5/TN 0.05- 0.2, NO2-N/NH4-N 0.5-1.5范围内，填埋场生物反应器在优化的水质条件下（0.04 kg·m-3·d-1，BOD5/TN 0.2和NO2-N/NH4-N 1.0）总氮去除率可达到90 %以上。15N稳定同位素示踪结果表明，该条件下厌氧氨氧化对脱氮的贡献率为21%左右；2）微生物分子检测表明反应器中的优势属为Pseudomonas 1.4～2.5 %, Dechloromonly 1.3～2.2 %, Comamonas 0.05～2.0 %, Nitrosomonas 0.4～1.6 %和Candidatus Kuenenia 0.05～1.8 % 等。氨氧化菌以硝化古菌(AOA)基因amoA为主，反硝化以nirK功能基因为优势。厌氧氨氧化hzsA基因在脱氮效率较高的反应器中丰度较高，并与进水BOD5/TN成正比。同时NO2-N/NH4-N的比值与反硝化功能微生物的丰度正相关。结果表明在低有机负荷下，渗滤液中有机物的存在有助于反硝化和厌氧氨氧化的协同脱氮，合适的进水NO2-N/NH4-N的比值有利于厌氧氨氧化脱氮的进行，因此，通过调控进水水质可以提高反应器的脱氮效率；3）接种厌氧污泥可加快反应器反硝化的脱氮效率，同时可以缩短反应器达到高效稳定运行所用的时间。 . 综上，本研究揭示了填埋场反应器中反硝化和厌氧氨氧化协同作用机理并优化了水质条件，可为实际运行中老龄渗滤液类废水的高效低耗脱氮处理提供理论依据。