资料水区短程同步硝化反硝化N2O释放特性及其微生物群落特征研究

帝都北京 · 发表在 2021-4-21 14:55:30

在生物脱氮过程中，如果将硝化过程控制在亚硝酸盐阶段，并直接以亚硝酸盐作为电子最终受体进行反硝化，则可实现短程同步硝化反硝化(simultaneousnitrification and denitrification, SND)。与传统生物脱氮工艺相比，短程SND工艺具有节约25％左右的供氧量和40％左右的碳源等优点。然而，在污水生物脱氮过程中，亚硝酸盐的积累将会引起温室气体N2O大量释放。
N2O是一种重要的温室气体，其温室效应是CO2的310倍。此外，N2O还会破坏臭氧层，促进酸雨的形成。因此，积极地研究短程SND生物脱氮过程中N2O的产生过程并控制N2O的释放，具有重要的现实意义。

本研究采用序批式气升环流反应器建立短程SND体系，探索其N2O释放特征，并用PCR-DGGE技术研究与N2O有关的微生物群落演替，从生物角度，为调控N2O的逸出提供了理论依据。另外，对不同碳源条件下(碳源种类、碳氮比和碳源投加方式等)，短程SND生物脱氮过程的脱氮特性及其N2O释放特征进行了初步的研究。首先，在全程SND的基础上，通过将进水pH值由7.0~7.3提高到8.0~8.3，从而增加反应器中游离氨（FreeAmmonia，FA）对亚硝酸盐氧化菌的抑制作用，可以实现全程SND向短程SND转变。以全程SND过程为参照，分析了短程SND过程N2O释放特性及其群落演替。

结果表明，与全程SND相比，TN去除率及SND效率分别提高了13.2和11.5个百分点。而N2O的累积释放量约为全程SND过程的4倍。全程SND向短程SND转化过程中反应器内的群落结构发生了明显的演替，表现为一些亚硝化菌种的淘汰和一些丝状菌和硝化菌种的富集。在16S rDNA的DGGE图谱中逐渐得到富集的条带是Uncultured Simplicispira sp.、CandidatusMicrothrix parvicella、Pseudomonas fluorescens和Nitrosomonas europaea。在短程SND过程中amoA的DGGE图谱中的优势菌是Nitrosomonas属氨氧化菌，N2O释放的显著差异与AOB的好氧反硝化作用有关；而nosZ的DGGE图谱中群落多样性逐渐增加，系统中主要的反硝化菌在系统发育树上聚集为Paracoccusdenitrification，Rhizobium melitoli,Azospirillun，Achuromobacter和Bradyrhizobium。

其次，通过改变体系的碳源种类（葡萄糖、乙酸钠和淀粉）、碳氮比（3:1、5:1、7:1、9:1）和碳源投加方式（一次性投加、分段投加、连续投加），研究碳源对短程SND体系脱氮及N2O释放规律的影响。结果表明，碳源种类对短程SND体系的脱氮效果和N2O转化率有重要影响。在葡萄糖、乙酸钠和淀粉三种碳源中，以葡萄糖为碳源时反应器的脱氮效果最好，N2O转化率最低；以乙酸钠为碳源时，N2O累积释放量和转化率最大，N2O转化率则比葡萄糖和淀粉约高出25个百分点。以葡萄糖为碳源，当C/N比由3:1增加到7:1时，总氮去除率和SND效率分别提高了20和19个百分点；N2O转化率可由63.2%下降到29.8%。然而，当碳氮比上升到9:1时，氨氮去除率和总氮去除率出现波动并开始下降。

综合考虑反应器稳定运行及节约碳源的需要，碳氮比7:1是短程SND体系的最佳碳氮比。以葡萄糖为碳源、C/N为7:1的短程SND过程中，碳源分段投加条件下，可实现短程SND过程N2O的减量化控制。在分段投加过程中，TN去除率比一次性和连续性投加分别高出8和17个百分点，SND效率也分别高出了7和16个百分点；且N2O释放量为49.5mgï¿½周期-1，N2O转化率比一次性和连续性投加分别减少了11和33个百分点。上述研究表明，虽然短程SND工艺具有较高的脱氮效率，但该体系N2O释放量较高。通过碳源等关键工艺条件的优化控制，可使短程SND体系在满足高效脱氮的同时实现N2O减量化控制。

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