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水体硝酸盐的污染已经成为我国最突出的水污染问题之一。固相反硝化工艺能有效避免常规反硝化工艺中碳源投加量不易调控、系统稳定运行和维护困难等弊端,但作为技术核心的固体碳源也存在反硝化效率偏低、经济成本较高等因素,制约了它的应用。 本文在传统可生物降解聚合物PCL的基础上,开发了一种新型固体碳源,采用序批实验与固体碳源填充床反应器,重点探讨了该碳源的反硝化脱氮的可行性和影响因素,采用高通量测序、定量PCR等解析了碳源填充床中的生物群落结构,并通过建立的数学模型拟合了填充床反应器的出水水质。研究成果将为固相反硝化脱氮工艺的的应用提供一定的理论依据。序批实验表明,碳源A是适宜的固相反硝化的缓释碳源,13天能完成启动挂膜,实验测得的最大反硝化速率为23.51 mg-N/(L·h),在不同硝酸盐氮起始浓度下均符合零级反应。温度、pH值的变化能明显影响到其反硝化速率,温度对碳源A的影响可以用,Arrhenius方程来描述v=v20·100.0327(t-20);相比传统外加碳源,碳源A在起始pH值6～9范围波动时,出水pH值都趋向7.0,呈现很好的归一性。碳源A的生物填充床实验的结果表明,当HRT分别为2、1、0.5 h,对应进水硝酸盐氮浓度分别为50、25、15 mg/L时,硝酸盐氮的去除率均可达95％左右,且出水均无亚硝酸盐、氨氮积累。反硝化速率与进水硝酸盐浓度呈正相关性,反硝化速率范围为24.3～28.5 mg-N/(L·h)。温度对反硝化速率存在影响,在25℃时反硝化效果最好,当进水硝酸盐氮浓度为15 mg/L、HRT为0.5 h时,反应器出水硝酸盐氮浓度小于1 mg/L。不同pH值条件下,碳源A的反硝化速率为VpH=7.5＞VpH=9.0＞VpH=6.0,且在弱酸性环境下出水的氨氮稍有升高,而弱碱性条件下反硝化进行得更彻底。 本文对微生物利用前后的固体碳源进行了红外光谱分析、电子扫描显微镜的观测,结果表明碳源A容易被微生物利用的分子结构主要为C=0、CH2、CH和C-O-C,其表面适合微生物的附着,生物膜主要以杆菌和球菌为主。碳源生物填充床生物膜的高通量测序结果表明,其微生物主要分布于8个门,其中变形菌门(Proteobacteria)所占比例最高,为83.16％;样品中含量最高的属有Diaphorobacter,Acidovorax,Dechloromonas和Alicycliphilus,其总比例达到了32.12％。生物膜的定量PCR分析结果表明,带有nirK和nirS2种功能基因的反硝化菌的生物量占反应器总生物量的比例为3.13％。通过模型验证可以得到,碳源A生物填充床数学模型可以较好的拟合硝酸盐氮低浓度进水(15 mg/L)情况下的反应器出水的硝酸盐氮。