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同步硝化反硝化过程中N_2O释放特征及其机理研究

贾文林  
【摘要】:同步硝化反硝化(SND)过程由于能耗低、处理效果好等优点,得到越来越多的关注。然而,同步硝化反硝化脱氮处理过程中有大量氧化亚氮(N20)的释放,会加剧温室效应、破坏臭氧层以及促进酸雨的形成。因此,积极地研究同步硝化反硝化过程脱氮机理和N20释放特征对于实现N20的减量排放具有重要的现实意义。 本论文以溶解氧为控制参数,在缺氧-好氧SBR生物脱氮系统中实现了同步硝化反硝化,通过与传统顺序式硝化反硝化(SQND)过程对比,评价了SND过程污染物的去除效果,同时跟踪监测反应器中污染物迁移转化过程,系统研究了SND过程N20的释放规律和释放特征;明确了SND过程N20的主要释放途径,并对与N20释放相关的微生物种群结构进行分析,解析了SND过程N20释放的主要微生物种群;评价了进水中不同磷负荷和微量金属离子对SND过程脱氮除磷效果和N20释放特征的影响,并对其影响机制进行了分析。取得主要研究结论如下: (1)SND过程可大大地提高污水总氮去除能力,但同时也刺激了N20的产生。通过对SND和SQND过程污染物去除效果、迁移转化过程和N20释放特征进行分析,发现SND过程N20释放量约为SQND过程的4倍多,且主要发生在曝气阶段。N20的释放与微生物氧利用率(OUR)之间有着很大的相关性,OUR比溶解氧浓度更能反应出N20的释放趋势。低C/N比下,SND反应器中部分反硝化菌会利用胞内储存的有机物质作为碳源进行反硝化,引起反硝化酶之间对电子供体的竞争,造成N20的积累和大量释放。 (2)氨氧化菌(AOB)的反硝化反应是SND过程N20释放的主要途径,SND反应器N20的产生主要是源于N. europaea和Nitrosomonas-like种的氨氧化菌。通过采用化学抑制方法,对SND过程不同途径N20的产生能力进行评估,并利用分子生物学技术分析与N20释放相关的微生物群落结构,发现AOB的反硝化过程N20产量为异养反硝化的二倍多。与SQND过程相比,SND过程低溶解氧条件对氨氧化菌群落结构的影响比较显著。低氧条件下,一些能够进行反硝化反应的氨氧化菌(如N. europaea和Nitrosomonas-like种)在SND反应器中得到富集,因此AOB的反硝化过程比较显著。低溶解氧条件对反硝化菌群落结构影响不大。 (3)与中低负荷相比,高进水磷负荷下,TN和TP的去除率得到了显著提高,同时N20的释放量也逐渐降低。通过分析不同磷负荷下污染物迁移转化过程和N20释放过程,发现高进水磷负荷下,N20释放量比低负荷下减少了24.1%。N20释放量的降低主要是由于异养反硝化过程N20释放量的减少导致的。与低进水磷负荷条件下相比,高磷负荷条件能合成更多的聚-β-羟丁酸(PHB),从而有利于缓解反硝化酶之间对电子供体的竞争。高磷负荷下聚磷菌的富集也有利于降低N20的释放。 (4)通过向反应器中投加不同浓度的金属离子(Cu2+和Fe3+),发现低浓度范围内,投加Cu2+能有效的提高总氮的去除率,同时降低N20的释放量;Fe3+的投加极大的提高了总磷的去除,同时低浓度的Fe3+能一定程度的提高总氮的去除,并且对N20释放的影响较小。高浓度的Cu2+和Fe3+均会对微生物活性产生一定抑制,从而降低系统脱氮效果,并产生较多的N20。


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