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与厌氧氨氧化相匹配的亚硝化过程N_2O释放研究

孔强  
【摘要】:氧化亚氮(N20)是继二氧化碳(C02)和甲烷(CH4)之后的第三大温室气体。已有研究表明,超过三分之二的N20释放是微生物代谢过程中产生的,其中,生物脱氮过程中N2O的释放占据重要地位。在生物脱氮过程中,微生物可以通过不同的生化反应将无机氮转化为氮气排入空气。在硝化和反硝化过程中,N2O可能作为一种中间代谢产物或者终产物产生。近年来,控制生物脱氮过程中的N20释放已经成为了一个重要的研究课题。 本论文以与厌氧氨氧化相匹配的亚硝化过程为研究对象,采用长期监测典型周期试验的方法,研究了部分亚硝化过程中N2O的释放量、释放规律和释放特征;运用分子生物学技术对部分亚硝化启动和运行过程中微生物种群特征变化进行了解析;研究了温度、曝气速率、氨氮浓度和盐度等对部分亚硝化中N2O释放的影响;提出了控制部分亚硝化过程中N20释放的有效措施。主要结论如下: (1)完成了部分亚硝化反应(partial nitrification, PN)在序批式反应器(Sequence Batch Reactor, SBR)和序批式生物膜反应器(Sequence Batch Biofilm Reactor, SBBR)两个反应器内的启动。以高氨氮(500mgL-1)人工模拟废水为进水,在SBR和SBBR中分别用了57天和31天完成了部分亚硝化反应,两种反应器都可以稳定地为厌氧氨氧化提供合适的进水。相比较而言,SBBR以启动部分亚硝化周期短、间歇曝气方式可大大节省能耗而优势更加突出。 (2)测定了部分亚硝化过程中SBR和SBBR内N2O的释放量,阐明了典型周期运行过程中N2O的释放特征和释放动力学曲线。PN-SBBR反应器中N2O的释放率(1.50±0.22)%高于PN-SBR反应器中N20的释放率(0.80±0.19)%。部分亚硝化过程PN-SBR周期运行中N2O释放量随时间的变化可以用曲线(y=5.21ln(x)-11.31,R2=0.98)进行描述。PN-SBBR周期运行中N2O释放量随时间变化可以用直线(y=0.0375x+0.48,R2=0.99)进行描述。 (3)研究了部分亚硝化过程中N2O产生的微生物机制,发现了PN-SBR和PN-SBBR中引起N20释放的主要微生物类群分别为Nitrosomonas sp.和Nitrosospira sp.。亚硝化系统的活性污泥中EPS和SMP总量随着部分亚硝化的进行呈现减少的趋势,蛋白质和腐殖酸是随着部分亚硝化的运行显著减小,糖类物质在经过部分亚硝化的驯化后有增加的趋势。 (4)明确了影响部分亚硝化过程中N20释放的主要因素,提出了减小部分亚硝化过程中N2O释放的有效措施。温度对部分亚硝化过程有显著影响,在15-35℃范围内随着温度升高,亚硝化效果增强,N2O释放呈现增加的趋势;适当的曝气量可减少部分亚硝化过程中N20的释放;氨氮浓度和盐度的增加会导致N2O释放的增加。提出了构建部分亚硝化反应器时应考虑通过控制合适的水力停留时间达到有效的氧气供应,进而减少缺氧阶段;通过减小进水速率、采用适中的曝气量等,为亚硝化反应提供稳定的运行环境,从而使得整个周期运行过程中N20释放量减少的策略。


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