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缺氧—好氧生物脱氮系统中N_2O的释放机理与减量化控制研究

胡振  
【摘要】:随着全球变暖加速,温室气体的减排已经引起了国际社会的普遍关注。N20是一种重要的温室气体,其温室效应是C02的310倍。此外,N20还会破坏臭氧层,促进酸雨的形成。因其在大气中的浓度不断增加,N20已被列为影响自然生态系统、威胁人类生存基础的重大问题。已有研究证实,污水生物脱氮过程是N20的一个重要的人为释放源。因此,积极地研究污水生物脱氮过程中N20的产生过程并控制N20的释放,具有重要的现实意义。 本论文以缺氧-好氧SBR生物脱氮系统为研究对象,对不同工艺条件下(缺氧/好氧时间比、温度、曝气量、碳源、碳氮比等)氮的迁移转化过程进行了系统研究,并采用化学抑制法对不同工艺条件下N20的释放来源进行了分析;采用分子生物学技术,研究了不同工艺条件下系统内与N20释放相关的微生物群落结构的变化,并将其与系统功能变化进行对比分析,解析了不同种类微生物对N20释放的贡献;最后,从工艺运行工况的优化和系统中微生物种群结构的调控两个方面,提出了切实可行的N20减量化控制策略,并对其减排效果进行了评价。主要研究内容及结果如下: (1)对不同工艺条件下氮的迁移转化过程进行了研究,发现缺氧/好氧时间比(PF)、温度、曝气量、碳源、碳氮比等均对缺氧-好氧SBR生物脱氮系统中N20的释放情况有影响。综合考虑污染物的去除和N20的释放,系统的最佳运行工艺条件为:PF=0.5(即缺氧2h,好氧4h);温度为25℃;曝气量为2.7Lair/(Lreactor·h);尽可能的采用混合碳源和提高碳氮比。 (2)缺氧-好氧SBR生物脱氮系统的释放主要集中在好氧段,缺氧段的释放情况不明显。采用化学抑制法对缺氧-好氧SBR生物脱氮系统N20的释放来源进行了分析,结果表明:在前述最佳工艺条件下,缺氧段N20的释放来自硝酸盐氨化作用,反硝化作用在缺氧段中起到了消耗N20的作用;好氧段N20的释放主要源于硝化细菌的反硝化作用,同步反硝化作用起到“负吸收”的作用。工艺条件对N20的释放来源有影响:曝气量影响好氧段N20的释放途径;碳源影响缺氧段N20的释放途径;温度对缺氧-好氧生物脱氮系统的N20释放途径没有明显影响。 (3)采用PCR-DGGE、克隆测序等分子生物学技术,针对功能基因amoA和nosZ,对不同工艺条件下系统中与N2O释放相关的微生物的群落结构变化进行了分析。结果表明:曝气量和碳氮比对缺氧-好氧生物脱氮系统内氨氧化细菌的群落结构有重要影响,中等曝气条件下或碳氮比高于6.8时,均出现Nitrosomonas属细菌的富集;碳源对反硝化细菌的群落结构影响较大,当以乙酸钠为碳源时,反硝化细菌的群落多样性和丰富度降低。将系统微生物群落结构的变化与N2O释放情况的变化进行对比分析,发现好氧段N2O释放主要源于Nitrosomonas属细菌的反硝化作用。 (4)从控制工况条件和调控微生物种群结构两个方面,提出了N2O减量化控制策略。结果表明:在好氧段初期添加反硝化污泥、外加碳源、分段进水三种减量化策略均可显著降低缺氧-好氧SBR生物脱氮系统N2O的转化率,其降低幅度分别为39.8%、16.2%和46.2%。同时,上述措施还可提高系统总氮的去除效果。


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