论文部分内容阅读
同步硝化反硝化（SND）脱氮系统具有节约能耗、占地和外加碳源等显著优势，但稳定运行系统构建的不确定性及脱氮机制的不明确性制约了其进一步发展和工程应用。考虑到序批式生物膜反应器（SBBR）微生物系统多样性好、生物量多、运行稳定等优点，课题以SBBR为基础，研究通过控制反应条件和添加亚硝酸盐，在间歇曝气的SBBR中成功构建了处理效果稳定的强化SND脱氮系统。通过调整进水氮源组成并跟踪全周期污染物的变化情况，明确了该系统的脱氮性能；确定了生物膜原位异位状态、进水C/N值以及进水氮组成对该系统脱氮性能的影响情况。通过硝化抑制剂的使用研究了该系统中主要的脱氮途径；借助16S rRNA基因多样性分析和实时荧光定量PCR方法解析了该SND系统中主要的微生物菌群多样性、丰度、脱氮相关功能基因数量以及其与普通SND系统中的差别。
开展的主要研究工作和取得的主要结论包括：
①SBBR亚硝酸盐强化SND系统的构建
进水中NO2?-N的长期添加对反应器COD去除影响不大，但对脱氮性能影响较大，能明显加速形成脱氮效果稳定高效的SND脱氮系统。稳定后系统氨氮去除率在99%以上，去除速率相对更快；出水NO2?-N和NO3?-N一直稳定维持在较低的水平，分别是0.36mg/L和0.13mg/L。SND率约为98%左右，SND效果良好。COD去除速率快，3h去除率达85%以上。
②亚硝酸盐强化SND系统脱氮性能研究
1）系统硝化反硝化能力均较好。对于200mg/L以内的进水氨氮瞬时暴露硝化效果较好，若进行长期适应性培养，硝化能力可能还将提升。COD浓度固定为400mg/L，NO3?-N为进水唯一氮源时，反硝化最大去除量约为186.17mg/L（以NO3?-N计）。NO2?-N为进水唯一氮源时，反硝化速度较快，性能较好，反硝化最大去除量至少在50mg/L以上（以NO2?-N计）。对NO2?-N的去除主要以直接反硝化为主。此外，异化硝酸盐还原为铵的途径在SND系统中作用较小。
2）生物膜结构即生物膜内氧浓度梯度的存在与否对SND系统的脱氮效果有一定的影响，但对COD去除影响较小。原位生物膜即氧浓度梯度存在有利于系统氨氮和TN的去除，NO3?-N在处理过程也不会累积。NO2?-N在生物膜原位和异位状态下都能实现较好的去除。
3）进水中NO2?-N的有无对反应器整体处理效果影响很小，两种情况下去除效果都较好。表明NO2?-N的瞬时暴露不是反应器处理效果较好的关键，而是其长期存在对反应器优势菌群的影响和改变。
4）进水C/N对SND系统中氨氮的去除影响较小，对NO2?-N、NO3?-N和TN的去除影响较大。C/N低时NO2?-N、NO3?-N和TN出水浓度均较高，三者去除率随进水C/N的增大逐渐增大，但当C/N超过5时，影响显著降低。同步去除氨氮和NO2?-N的SND系统和同步去除氨氮和NO3?-N的SND系统，在C/N为5时都已能达到较好的脱氮效果。
③亚硝酸盐强化SND系统脱氮途径研究
1）添加抑制剂及改变进水水质的研究发现，系统中氨氮的去除主要途径包括依赖AMO进行的自养硝化反应和异养硝化反应；以及不依赖AMO进行的其他途径，如微生物同化去除以及可能存在的类似COD去除的生物膜初期吸附等。依赖AMO进行的硝化反应对氨氮总去除量的贡献率约为91.73%。系统中NO2?-N和NO3?-N的去除由好氧反硝化和缺氧反硝化共同作用，且两者能力相当。在反硝化菌的硝酸盐转运蛋白（NarK）被阻断从而影响硝酸盐还原酶（Nar）活性时，反硝化仍能利用周质硝酸盐还原酶（Nap）顺利进行，但去除效率受到了一定影响，造成出水中0.064mg/L的NO3?-N残余。
2）对系统中微生物群落结构及功能基因的研究发现，进水中长期投加NO2?-N构建的SND系统（B1）及不投加NO2?-N构建的SND系统（B2）在门水平上均以Proteobacteria为优势门，同时Chloroflexi，Bacteroidetes和Acidobacteria门的丰度也较高。B1中与硝化过程相关的Nitrospirae门丰度大于种泥且显著大于B2。在属水平上，B1中与脱氮相关的硝化菌属、缺氧反硝化菌属以及好氧反硝化菌属等功能细菌的相对丰度高于B2。目的基因定量PCR结果表明，B1中各脱氮相关功能基因的拷贝数均较B2有不同程度的提升。这些都与B1中观察到的更好的脱氮性能现象吻合。
SBBR污水处理的同步硝化反硝化脱氮途径与性能的研究结果，将丰富同步硝化反硝化工艺的理论，为其在实际工程应用中的效能提升提供技术支撑。
开展的主要研究工作和取得的主要结论包括：
①SBBR亚硝酸盐强化SND系统的构建
进水中NO2?-N的长期添加对反应器COD去除影响不大，但对脱氮性能影响较大，能明显加速形成脱氮效果稳定高效的SND脱氮系统。稳定后系统氨氮去除率在99%以上，去除速率相对更快；出水NO2?-N和NO3?-N一直稳定维持在较低的水平，分别是0.36mg/L和0.13mg/L。SND率约为98%左右，SND效果良好。COD去除速率快，3h去除率达85%以上。
②亚硝酸盐强化SND系统脱氮性能研究
1）系统硝化反硝化能力均较好。对于200mg/L以内的进水氨氮瞬时暴露硝化效果较好，若进行长期适应性培养，硝化能力可能还将提升。COD浓度固定为400mg/L，NO3?-N为进水唯一氮源时，反硝化最大去除量约为186.17mg/L（以NO3?-N计）。NO2?-N为进水唯一氮源时，反硝化速度较快，性能较好，反硝化最大去除量至少在50mg/L以上（以NO2?-N计）。对NO2?-N的去除主要以直接反硝化为主。此外，异化硝酸盐还原为铵的途径在SND系统中作用较小。
2）生物膜结构即生物膜内氧浓度梯度的存在与否对SND系统的脱氮效果有一定的影响，但对COD去除影响较小。原位生物膜即氧浓度梯度存在有利于系统氨氮和TN的去除，NO3?-N在处理过程也不会累积。NO2?-N在生物膜原位和异位状态下都能实现较好的去除。
3）进水中NO2?-N的有无对反应器整体处理效果影响很小，两种情况下去除效果都较好。表明NO2?-N的瞬时暴露不是反应器处理效果较好的关键，而是其长期存在对反应器优势菌群的影响和改变。
4）进水C/N对SND系统中氨氮的去除影响较小，对NO2?-N、NO3?-N和TN的去除影响较大。C/N低时NO2?-N、NO3?-N和TN出水浓度均较高，三者去除率随进水C/N的增大逐渐增大，但当C/N超过5时，影响显著降低。同步去除氨氮和NO2?-N的SND系统和同步去除氨氮和NO3?-N的SND系统，在C/N为5时都已能达到较好的脱氮效果。
③亚硝酸盐强化SND系统脱氮途径研究
1）添加抑制剂及改变进水水质的研究发现，系统中氨氮的去除主要途径包括依赖AMO进行的自养硝化反应和异养硝化反应；以及不依赖AMO进行的其他途径，如微生物同化去除以及可能存在的类似COD去除的生物膜初期吸附等。依赖AMO进行的硝化反应对氨氮总去除量的贡献率约为91.73%。系统中NO2?-N和NO3?-N的去除由好氧反硝化和缺氧反硝化共同作用，且两者能力相当。在反硝化菌的硝酸盐转运蛋白（NarK）被阻断从而影响硝酸盐还原酶（Nar）活性时，反硝化仍能利用周质硝酸盐还原酶（Nap）顺利进行，但去除效率受到了一定影响，造成出水中0.064mg/L的NO3?-N残余。
2）对系统中微生物群落结构及功能基因的研究发现，进水中长期投加NO2?-N构建的SND系统（B1）及不投加NO2?-N构建的SND系统（B2）在门水平上均以Proteobacteria为优势门，同时Chloroflexi，Bacteroidetes和Acidobacteria门的丰度也较高。B1中与硝化过程相关的Nitrospirae门丰度大于种泥且显著大于B2。在属水平上，B1中与脱氮相关的硝化菌属、缺氧反硝化菌属以及好氧反硝化菌属等功能细菌的相对丰度高于B2。目的基因定量PCR结果表明，B1中各脱氮相关功能基因的拷贝数均较B2有不同程度的提升。这些都与B1中观察到的更好的脱氮性能现象吻合。
SBBR污水处理的同步硝化反硝化脱氮途径与性能的研究结果，将丰富同步硝化反硝化工艺的理论，为其在实际工程应用中的效能提升提供技术支撑。