污泥水热碳化(HTC)是一种能将高湿污泥转化为固体生物炭和液体废液的热化学技术。其产生的废液(HTC-L)含有极高浓度的有机物(COD可达30000-50000mg/L)、氨氮(500-2000mg/L)和色度,且可生化性差。以往的研究多关注其作为碳源回用或厌氧产沼,但产沼效率不高。考虑到HTC-L中氨氮浓度高而生物可利用的有机碳源相对不足(对于异养反硝化而言),且其COD中有毒抑制物多,处理HTC-L的脱氮,理论上厌氧氨氧化这一自养工艺更具优势。然而,HTC-L中复杂的有机抑制物(如酚类、呋喃、吡嗪等)对厌氧氨氧化菌(AnAOB)有剧毒,是其应用的致命障碍。因此,识别关键毒性物并建立有效的驯化策略,是本研究的核心。
本研究首先通过GC-MS和LC-MS对HTC-L进行了全组分分析,并分离不同组分进行AnAOB毒性测试,确定了对AnAOB抑制作用最强的三类物质是酚类(苯酚、甲酚)、呋喃类(糠醛、5-羟甲基糠醛)和含氮杂环化合物(吡啶、吡嗪)。在驯化实验中,直接加入HTC-L(即使稀释100倍)也导致AnAOB立即失活。因此,采用先经生物炭预处理吸附去除大部分抑制物,然后采用基于序批式反应器的分级驯化策略:以合成废水(含氨氮和亚硝酸盐)为基础,先按0.1%的比例添加HTC-L,待氮去除率恢复并稳定后,逐步增加HTC-L比例。经过约200天的驯化,反应器内的AnAOB颗粒污泥成功适应了5%的HTC-L添加比例,总氮去除速率恢复到未添加前的80%以上。
微生物群落分析揭示了驯化过程中AnAOB的优势菌属从Candidatus Brocadia转变为更耐毒的Candidatus Kuenenia。该研究首次系统识别了HTC-L中对AnAOB的主要毒性物质,并提供了一套可行的分步驯化方案,为将Anammox这一高效节能的脱氮技术,拓展应用于处理高毒性工业热转化废水开辟了道路。
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