以亚硝酸盐为单一基质的生物脱氮探索实验研究

作     者：邓晓裕 

作者单位：江西理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张大超

授予年度：2021年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：生物脱氮 亚硝酸盐 脱氮性能 微生物群落 运行优化 

摘      要：在进行厌氧氨氧化脱氮实验研究过程中,出现以NO-N为单一基质的高效脱氮现象,但由于实验过程中始终未外部投加有机碳源,因此认为可能存在某种自养反硝化过程,对此进行深入探索研究很有必要和意义。本研究提出假设并验证了NO-N被高效去除现象的可重现性,研究了基质种类、反应器连接管材质对该脱氮过程的影响。选取了p H、HRT和温度三个环境因子,研究和分析其对以NO-N为单一基质的反应器脱氮性能、微生物群落结构和出水中溶解性有机物的影响,探究在没有外部投加有机碳源的情况下,反应器利用微生物群落相互作用实现高效脱氮的潜在机制。(1)在厌氧氨氧化实验研究过程中,发现NO-N(75 mg/L)在没有外部投加有机碳的情况下被完全去除,但NH-N的平均去除率仅为19.96%,出水NO-N生成量很低(3 mg/L),与厌氧氨氧化理论反应方程式不符。在此过程中将进水NH-N浓度逐步降低至零,并未影响NO-N的去除。11次重复性实验均出现以NO-N为单一基质的高效去除现象,实验具有可重现性。通过16S r DNA基因测序分析,隶属Betaproteobacteria纲的OTU13(37.04%)在属水平的占比最高。反硝化细菌的丰度明显增加,其中丛毛单胞菌属Comamonas由1.20%明显增加到14.95%。研究表明,在以NO-N为单一基质的反应器中,有某些功能微生物得到富集。(2)考察基质种类(NO-N、NO-N)在反应器中的去除效果,当NO-N和NO-N共存时,NO-N的还原速率高于NO-N的还原速率,NO-N在反应器中获得最佳去除性能。探究反应器连接管材质对该脱氮过程的影响,发现当反应器的连接管为硅胶管(硅橡胶材质)和玻璃管(二氧化硅材质)时,反应器的硝化作用得到明显增强。连接管为红色PVC管(聚氯乙烯材质)的脱氮性能优于无色PVC管(聚氯乙烯材质)。微生物群落结构分析表明红色PVC管(聚氯乙烯材质)似乎使某些反硝化细菌富集。对反应器产气进行测定和分析,N的含量占比最高(84%～86%),其次是CH(9%～11%)、CO(3.0%～3.5%)和H(1.6%～1.9%),NO和NO含量较低(0.1%)。研究表明,该反应器对NO-N具有选择性高效去除,该现象可能与连接管材质有关,NO-N通过反硝化作用去除,CH、CO和H可能通过微生物作用产生并参与了NO-N的还原过程。(3)研究运行条件对以NO-N为单一基质,连接管为红色PVC管(聚氯乙烯材质)的反应器脱氮效果影响,当NO-N浓度为75 mg/L时,最佳运行条件为:p H为8.0,水力停留时间(HRT)为18h,温度为30℃。通过三维激发发射荧光光谱(3D-EEM)分析,腐殖酸类有机物和可溶性微生物副产物在各反应器的出水DOM中占主导地位。随着p H、HRT和温度的变化,腐殖酸类有机物和可溶性微生物副产物的荧光强度先增强后逐渐弱化,这表明了在没有外部有机碳源的情况下,微生物代谢分泌或裂解过程产生的溶解性有机物可能作为缺氧反硝化的电子供体。研究表明,p H、HRT和温度是驱动微生物群落组成变化的重要环境因素。反应器可能通过利用微生物之间协同和互养作用,并形成反应器内部能量循环系统,使反应器脱氮性能最大化。