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定向调控电子受体强化好氧颗粒污泥内源反硝化脱氮除磷

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中国环境科学 2024年

作者：李冬李雨朦蒋鹏飞王天朔张杰北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室

为强化内源反硝化作用，加强对有限碳源的高效利用，设置了一组厌氧/好氧/缺氧(A/O/A)和三组不同好氧时间分配的厌氧-两级短时好氧/缺氧(A/(O/A)2)序批式反应器，探究定向调控电子受体下污泥的颗粒化及反硝化聚糖菌(DGAOs)的富集情况.... 详细信息

为强化内源反硝化作用，加强对有限碳源的高效利用，设置了一组厌氧/好氧/缺氧(A/O/A)和三组不同好氧时间分配的厌氧-两级短时好氧/缺氧(A/(O/A)2)序批式反应器，探究定向调控电子受体下污泥的颗粒化及反硝化聚糖菌(DGAOs)的富集情况.结果表明，采用两级短时好氧/缺氧的反应器好氧颗粒污泥结构更加致密、沉淀性能更好，缺氧段及好氧段电子受体更充足，DGAOs储存内碳源的能力得以强化，系统中反硝化聚糖菌和DGAOs对碳源的竞争达到平衡状态，系统有更高的内源反硝化脱氮率，实现了深度脱氮除磷.其中，两级短时好氧时间分配时间为前段60min/后段30min的R2的脱氮除磷效果最好，DGAOs含量最高，且颗粒沉降性能最佳.第45天，R2的COD、TN、TP去除率分别达到90.52%、85.71%、92.73%，内源反硝化效率达到58.59%，具有良好的污染物去除效果.

关键词：好氧颗粒污泥电子受体脱氮除磷内碳源反硝化聚糖菌

电子受体添加对黄河口湿地土壤厌氧碳矿化温度敏感性的影响

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应用生态学报 2023年第11期34卷 2985-2992页

作者：张佳彭杨继松刘玥宁凯于君宝王志康王雪宏鲁东大学滨海生态高等研究院山东烟台264025 东营市农业科学研究院山东东营257091

土壤碳矿化的温度敏感性(Q_(10))是研究生态系统碳循环响应气候变化的重要指标。以黄河口湿地芦苇群落表层土壤(0~10 cm)为对象,采用室内密闭培养-气相色谱法,研究不同温度和浓度下3种电子受体[SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)和Fe(Ⅲ)]添加对... 详细信息

土壤碳矿化的温度敏感性(Q_(10))是研究生态系统碳循环响应气候变化的重要指标。以黄河口湿地芦苇群落表层土壤(0~10 cm)为对象,采用室内密闭培养-气相色谱法,研究不同温度和浓度下3种电子受体[SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)和Fe(Ⅲ)]添加对湿地土壤厌氧碳矿化Q_(10)的影响。结果表明:48 d的培养期内,电子受体添加对厌氧生成CO_(2)和CH_(4)具有不同程度的抑制作用;SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)和Fe(Ⅲ)添加使得CO_(2)和CH_(4)生成量分别下降17.3%~20.8%和29.2%~36.2%;总体上,CO_(2)生成因电子受体浓度而异,CH_(4)生成因电子受体类型而异。CO_(2)∶CH_(4)值在不同温度条件下差异明显,表明厌氧碳矿化途径具有明显的温度依赖性。不同处理中CO_(2)和CH_(4)的Q_(10)值分别在1.08~1.11和1.19~1.37,与对照相比有升高趋势;总体上,CO_(2)的温度敏感性因电子受体类型和浓度而异,CH_(4)的温度敏感性因电子受体类型而异。气候变化背景下,还原性盐离子的输入将在一定程度上减缓河口淡水湿地有机碳的矿化损失,但会增强碳矿化对升温的敏感性。

关键词：黄河口湿地有机碳厌氧矿化温度敏感性(Q_(10)) 电子受体

电子受体和光照对土壤CH_(4)排放相关微生物功能基因丰度的影响

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应用生态学报 2022年第2期33卷 517-526页

作者：陈娟胡琳玉卢鹏伟江玉梅张志斌曾庆桂简敏菲朱笃江西师范大学生命科学学院江西省亚热带植物资源保护与利用重点实验室南昌330022 江西科技师范大学生命科学学院江西省生物加工过程重点实验室南昌330013

为探究光照条件下添加不同电子受体对土壤甲烷排放的影响及微生物的响应,本研究在土壤中添加3种电子受体(Fe^(3+)、NO_(3)^(-)、SO_(4)^(2-))共设计8个处理,即黑暗+Fe^(3+)(DF)、黑暗+NO_(3)^(-)(DN)、黑暗+SO_(4)^(2-)(DS)、黑暗+蒸馏... 详细信息

为探究光照条件下添加不同电子受体对土壤甲烷排放的影响及微生物的响应,本研究在土壤中添加3种电子受体(Fe^(3+)、NO_(3)^(-)、SO_(4)^(2-))共设计8个处理,即黑暗+Fe^(3+)(DF)、黑暗+NO_(3)^(-)(DN)、黑暗+SO_(4)^(2-)(DS)、黑暗+蒸馏水(DCK)、光照+Fe^(3+)(LF)、光照+NO_(3)^(-)(LN)、光照+SO_(4)^(2-)(LS)、光照+蒸馏水(LCK),通过20 d的严格厌氧培养,分析甲烷浓度的变化以及细菌、古菌、真菌及6种土壤功能微生物基因丰度的变化。结果表明:除Fe^(3+)处理组外,NO_(3)^(-)、SO_(4)^(2-)和对照(CK)组在光照条件下的甲烷排放显著低于黑暗条件下。土壤细菌、古菌、真菌丰度分别在DN、DCK、LF处理组中显著上调。产甲烷菌mcrA、硫酸盐还原菌Dsr、固碳菌CbbL基因丰度均在LF组中显著上调,而甲烷氧化菌pmoA、铁还原菌Geo、反硝化细菌nosZ基因丰度分别在LN、DCK、LCK组中显著上调。Pearson相关性及冗余分析表明,CH_(4)排放与CO_(2)浓度、pH、铵态氮、总氮含量呈显著正相关,与N_(2)O浓度、氧化还原电位、硝态氮、总碳含量呈显著负相关。黑暗条件下甲烷排放浓度与古菌、pmoA基因丰度呈正相关,与其他功能基因均呈负相关。光照条件下甲烷排放浓度与微生物及功能基因丰度均呈负相关。总体上,光照条件下的甲烷排放显著低于黑暗条件下(除Fe^(3+)处理外),说明光照条件有助于甲烷减排,且甲烷排放的增减和环境中的电子受体种类及微生物的功能响应密切相关。

关键词：电子受体湿地土壤甲烷排放光照功能基因丰度

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电子受体对深层土壤中石油烃缺氧降解的影响

环境工程学报 2023年第10期17卷 3408-3415页

作者：张业文宋锦达宋泽贤张腾飞孙仲平王学礼杨苏才广西大学农学院南宁530004 兰州大学资源环境学院兰州730000 北京市科学技术研究院资源环境研究所北京100089

微生物降解是处理土壤中石油烃(PHC)污染的有效技术,目前对PHC微生物降解的研究多集中在好氧条件下,对PHC缺氧微生物降解的研究较少,PHC缺氧降解规律尚不清楚。以PHC污染的深层土壤为对象,探究不同质量分数(500、1500、5000 mg·kg^(-1)... 详细信息

微生物降解是处理土壤中石油烃(PHC)污染的有效技术,目前对PHC微生物降解的研究多集中在好氧条件下,对PHC缺氧微生物降解的研究较少,PHC缺氧降解规律尚不清楚。以PHC污染的深层土壤为对象,探究不同质量分数(500、1500、5000 mg·kg^(-1))的硫酸盐、硝酸盐或混合电子受体对土壤中土著微生物丰度、群落结构以及PHC缺氧降解的影响规律。结果表明,150 d缺氧培养后,添加相同种类电子受体的土壤处理中细菌丰度、潜在PHC降解菌(变形菌门和厚壁菌门)丰度随电子受体的质量分数增加而增加;添加相同质量分数的不同种类电子受体土壤处理中细菌丰度、潜在PHC降解菌丰度从高到低分别为硝酸盐、混合电子受体、硫酸盐。添加相同种类电子受体的土壤处理中ΣPHC(C_(10)~C_(30))和C1(C_(10)~C_(16))、C2(C_(17)~C_(23))、C3(C_(24)~C_(30))组分的降解率随着加入电子受体质量分数增加而增加;相同质量分数的不同种类电子受体土壤处理中ΣPHC和C1、C2、C3组分的降解率从高到低分别为硝酸盐、混合电子受体、硫酸盐。土壤中PHC缺氧降解率与细菌丰度、潜在PHC降解菌丰度均存在正相关关系。研究结果可为石油烃污染土壤的修复技术研发提供技术支持。

关键词：电子受体石油烃缺氧降解微生物

不同电子受体对河岸湿地土壤中甲烷氧化及其关键微生物群落的影响

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长江流域资源与环境 2022年第10期31卷 2230-2245页

作者：刘丹莫永亮彭超王保战汪家家唐贇路璐西华师范大学生命科学学院四川南充637002 西华师范大学环境科学与工程学院四川南充637009 南京农业大学生命科学学院江苏南京210095 复旦大学环境科学与工程系上海200433

河岸带是水陆环境交错带,环境条件和生态过程复杂。为了探究河岸湿地土壤中不同氧气,以及添加不同电子受体对甲烷氧化过程及其微生物的影响,以嘉陵江流域河岸湿地土壤为研究对象,采用微宇宙培养实验、高通量测序及化学分析等方法,分析... 详细信息

河岸带是水陆环境交错带,环境条件和生态过程复杂。为了探究河岸湿地土壤中不同氧气,以及添加不同电子受体对甲烷氧化过程及其微生物的影响,以嘉陵江流域河岸湿地土壤为研究对象,采用微宇宙培养实验、高通量测序及化学分析等方法,分析了在有氧条件下,以及缺氧条件下加入NO_(3)^(-)、SO_(4)^(2-)、水铁矿(Fe(Ⅲ))和针铁矿(Fe(Ⅲ))等不同电子受体处理中土壤的甲烷氧化潜力及关键微生物群落。结果表明湿地土壤在有氧条件下的甲烷氧化速率显著高于缺氧条件下的速率(P电子受体均显著促进甲烷氧化,促进程度排序为:NO_(3)^(-)≈水铁矿> SO_(4)^(2-),而针铁矿抑制了甲烷氧化。缺氧条件下甲烷氧化发生的同时,NO_(3)^(-)、SO_(4)^(2-)的浓度显著降低,与甲烷浓度变化呈显著正相关(P电子受体对缺氧环境的甲烷氧化潜力及其关键甲烷氧化微生物有显著影响,研究为揭示流域湿地环境中的甲烷氧化过程提供了新的借鉴数据。

关键词：河岸湿地土壤甲烷氧化缺氧条件电子受体甲烷氧化微生物

亚/硝酸盐电子受体及全局厌氧调节因子Fnr对地衣芽孢杆菌厌氧生长及代谢的影响

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应用与环境生物学报 2023年第5期29卷 1220-1225页

作者：宁雪伟何贺贺李由然石贵阳江南大学粮食发酵与食品生物制造国家工程研究中心无锡214122 江南大学生物工程学院无锡214122

地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)是一种重要的食品安全级菌株.目前地衣芽孢杆菌在工业生产中以好氧发酵为主,而对其厌氧生长及代谢特性认识不足,这限制了其应用的进一步拓展.在厌氧血清瓶培养条件下探究不同电子受体、不同KNO_(3... 详细信息

地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)是一种重要的食品安全级菌株.目前地衣芽孢杆菌在工业生产中以好氧发酵为主,而对其厌氧生长及代谢特性认识不足,这限制了其应用的进一步拓展.在厌氧血清瓶培养条件下探究不同电子受体、不同KNO_(3)浓度以及全局厌氧调节因子Fnr对菌株生长和代谢的影响,同时对氮同化支路上的核心酶——硝酸盐还原酶进行了转录水平分析,以期系统全面阐述地衣芽孢杆菌的厌氧生理代谢特性.结果显示,地衣芽孢杆菌可以利用硝酸盐或亚硝酸盐厌氧生长,最大细胞浓度均在0.2 g/L左右.利用硝酸盐稳定期到达的时间较亚硝酸盐提前了12 h,但利用亚硝酸盐时pH降幅更小,稳定期时的菌体量更高.随着初始KNO_(3)添加量的提高,稳定期到达的时间逐渐推迟,且添加1.0 g/L KNO_(3)条件下葡萄糖消耗速率最快,达到0.94 gL^(-1)h^(-1).在代谢产物方面,乳酸的积累量与KNO_(3)添加量成负相关,而乙酸为正相关.添加0.5 g/L KNO_(3)时,乳酸为主要代谢产物,其对葡萄糖的转化率为0.55 g/g.进一步构建了fnr基因过表达的工程菌,发现narG、narH、narJ以及narI基因的转录强度相对于对照菌株分别提升了1.18、0.19、0.32和0.65倍,表明其对硝酸盐代谢支路具有激活效应.本研究表明硝酸盐或亚硝酸盐电子受体是地衣芽孢杆菌进行厌氧生长代谢所必需的无机化合物,且在添加1.0 g/L KNO_(3)的条件下其厌氧生长速率最快.

关键词：地衣芽孢杆菌厌氧电子受体溢流代谢 Fnr

电子受体与供体对近海沉积物中多环芳烃厌氧降解的促进作用研究

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电子受体与供体对近海沉积物中多环芳烃厌氧降解的促进作用研究

作者：陈钰浙江海洋大学

学位级别：硕士

多环芳烃是一类致癌、诱变并致畸变的有机污染物,随着化石燃料的开采与利用而大量进入海洋环境,给生态环境和人类安全造成了严重的威胁。在多环芳烃污染的海洋沉积物环境中,厌氧微生物虽然具有降解多环芳烃的潜力,但是由于代谢活性较低... 详细信息

多环芳烃是一类致癌、诱变并致畸变的有机污染物,随着化石燃料的开采与利用而大量进入海洋环境,给生态环境和人类安全造成了严重的威胁。在多环芳烃污染的海洋沉积物环境中,厌氧微生物虽然具有降解多环芳烃的潜力,但是由于代谢活性较低,降解率受到限制。目前许多研究表明,限制沉积物中多环芳烃生物降解的主要因素是电子受体的浓度,提高电子受体的浓度能够有效增加多环芳烃的生物降解效率。而在存在电子受体条件下,添加电子供体的方法也已被证实可提高厌氧微生物代谢活性,从而促进多环芳烃的降解。因此本文选用了5种多环芳烃(菲、蒽、荧蒽、芘和苯并芘)作为代表性的多环芳烃污染物,测试了3种有促进沉积物代谢活性潜力的电子受体(碳酸氢盐、硝酸盐和硫酸盐)与2种电子供体(乙酸盐和乳酸盐)对海洋沉积物内微生物降解多环芳烃效率的影响,通过单次周期为126 d的两阶段实验,研究了不同类型电子受体和供体对沉积物中厌氧微生物降解5种典型多环芳烃的影响机理。碳酸氢盐、硝酸盐和硫酸盐3种电子受体对多环芳烃生物降解的影响的实验结果表明,碳酸氢盐组的多环芳烃的总降解率最高,达到84.98%,比无电子受体的对照组提高了6.32%;而硝酸盐组总降解率最低,为76.16%;硫酸盐组对多环芳烃苯并芘(Ba P)去除率最高,可达69.26%。同时,硝酸盐组的微生物指标值也明显区别于其余组。所有组内沉积物的电子传输链(ETS)活性在实验前42 d接近于0。而在42-126 d,除硝酸盐组外,所有组内沉积物ETS活性明显上升,并且碳酸氢盐和硫酸盐的ETS活性整体高出硝酸盐组至少6倍。Alpha多样性测试中,硝酸盐组的群落丰富度在实验周期内整体低于碳酸氢盐组、硫酸盐组和对照组,并且在实验末期时物种丰富度低于初始背景值。从中可以推测电子受体影响沉积物中微生物降解多环芳烃的机制包含了通过影响群落结构改变微生物活性进而影响多环芳烃的降解效率。微生物群落分析结果表明,初始沉积物样品中的微生物主要为Sulfurovum属,其相对丰度为78.1%;当各实验组的微生物活性上升到峰值时,相对丰度最高的两个微生物属为Marinobacter和Fusibacter,为沉积物内厌氧微生物中对多环芳烃适应能力最强的两个物种,而在实验末期,碳酸氢盐、硝酸盐和硫酸盐组中的最优势属分别为JTB215 unclassified、Thioalbus和Desulfuromonas。各组代谢产物的GC-MS检测中均发现4,5-二甲基菲、3-乙酰基菲、9-羟基蒽、7-羟基-8-羧基芘、蒽酮、6甲基-9-氧氨基菲、2-联苯酸和二苯并噻吩等7种代谢产物,借助这些代谢产物获得芘到菲的开环反应和蒽的两次羰基取代反应的历程,并根据其中不同官能团的性质推测出了5种多环芳烃各自的降解路径。此外,由于未能检测到多环芳烃初始反应的产物,本实验最后利用分子对接的原理模拟了各种多环芳烃的羧化反应,证实了多环芳烃第一步氧化还原反应为羧化反应的可能性。在碳酸氢盐和硫酸盐两种电子受体与乙酸盐和乳酸盐两种电子供体的组合降解多环芳烃实验中,5种多环芳烃总降解率最高的是碳酸氢盐加乙酸盐组,可达95.92%;其次是硫酸盐组加乳酸盐组,降解率为92.34%。在碳酸氢盐还原条件下,乳酸盐抑制沉积物中微生物对多环芳烃的降解,使降解率降低5.47%;而乙酸盐可促进微生物降解,降解率可提高5.55%。在硫酸盐还原条件下,乙酸盐和乳酸盐均促进多环芳烃的降解,分别将降解率提高了6.68%和8.07%。硫酸盐还原菌虽然对乙酸盐和乳酸盐这两种碳源都有较强的选择性利用,但乳酸盐比乙酸盐更多地促进了硫酸盐的消耗。电子供体对多环芳烃降解起到的作用于环境中电子受体的类型相关。电子受体的浓度受电子供体浓度影响很大,但是电子受体或供体的消耗量和多环芳烃的降解量之间并不是正相关。所有组中沉积物中的初始ETS活性较高,即达0.15 mg·h·dw mg(以INT计)以上时,由于766μg·dw g浓度的多环芳烃的毒性影响,实验末期所有组内沉积物中ETS活性均低于初始值。并且由于沉积物微生物初始活性较高,在此实验中沉积物对三环的菲与蒽没有明显的吸附现象,而对五环苯并芘的吸附作用强于四环的荧蒽和芘。GC-MS分析表明,所有实验组内均有三环与四环多环芳烃带有羟基、羰基和羧基的衍生物,还存在9,10-菲醌、9-羟基蒽、phenaleno-[1,9-bc]thiophene、9-羟基菲、2-联苯酸和1-羟基芘等代谢产物。基于这些代谢产物,本文提出了多环芳烃在电子受体和供体的共同作用下的可能降解途径,即多环芳烃先被羟基化后羰基化,进而引入邻位的官能团,破坏稳定结构,最终破环裂解。

关键词：多环芳烃沉积物电子受体厌氧降解

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厌氧发酵过程中电子受体促酸转化机理研究

厌氧发酵过程中电子受体促酸转化机理研究

作者：井洪晶东北农业大学

学位级别：硕士

由于沼液中仍含有一定量的挥发性有机酸,这对沼液回流使用或肥料化利用均是不利的,一般要设置后发酵罐体(池)以降低沼液中的酸含量。然而沼液中残留挥发酸以难转化的丙酸为主,其转化过程具有自由能高和进行缓慢等特点,使得后发酵周期较... 详细信息

由于沼液中仍含有一定量的挥发性有机酸,这对沼液回流使用或肥料化利用均是不利的,一般要设置后发酵罐体(池)以降低沼液中的酸含量。然而沼液中残留挥发酸以难转化的丙酸为主,其转化过程具有自由能高和进行缓慢等特点,使得后发酵周期较长,设备占地及投资较大。此外,厌氧后发酵系统中的电子受体物质主要以单一HCO为主,且脂肪酸氧化菌与碳酸盐还原菌(嗜氢产甲烷菌)一般是通过效率较低的间接电子传递方式来完的。因此,沼液中电子受体物质的缺乏可能也是导致丙酸转化困难的主要问题之一。本研究以丙酸钠作为唯一底物,模拟高含酸沼液的厌氧发酵过程,重点考察不同电子受体物质(NO、SO、Fe)添加下的丙酸转化特征。对丙酸盐去除率、产甲烷特性、出水离子浓度等指标进行测定,并利用16S r DNA测序手段对微生物群落结构演替规律进行分析,采用PICRUSt2软件对功能基因进行预测,探索利用廉价电子受体物质强化沼液中丙酸转化的新途径,为生产实践提供理论支撑。得到的主要结果与结论如下:(1)添加了电子受体NO、SO、Fe的实验组丙酸盐去除率最大值分别为94%、90%、91%,比对照组分别高出36.23%、30.43%、31.88%,最大产甲烷率分别为295.49 m L/g COD、279.79 m L/g COD、285.45 m L/g COD,比对照组分别高出29.9%、23.0%、25.5%;其中,含有NO和Fe电子受体的体系产气波动较小,具有更好的抗酸冲击能力。(2)添加了电子受体NO、SO、Fe的反应器活性污泥中微生物多样性高于未加入电子受体的对照组,其中,含有电子受体NO的反应器中物种多样性最大;反硝化细菌Thaue ra、Aquabacterium、硫酸盐还原菌Desulfomicrobium、铁还原菌Clostridium＿sensu＿stricto＿1作为优势菌属分别出现在以NO、SO、Fe作为独立电子受体的发酵体系中。表明加入不同电子受体可显著影响丙酸厌氧发酵系统的微生物菌群结构。(3)不同电子受体对微生物功能基因影响不同,K03711、K00384、K03406等与氧化还原反应相关的优势功能基因在加入Fe和NO的反应器中富集程度较高,表明电子受体Fe、NO能够积极参与到丙酸转化的电子传递过程中;此外,从产甲烷代谢途径中各关键基因的富集程度上,可以发现加入电子受体Fe的反应器中乙酸代谢产甲烷途径有所强化,加入电子受体NO的反应器中乙酸代谢产甲烷和二氧化碳产甲烷均得到一定强化,而加入电子受体SO的体系中相关功能基因的强化并不明显。

关键词：厌氧发酵丙酸转化电子受体微生物多样性功能基因

电子受体对厌氧/好氧反应器聚磷菌吸磷的影响

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哈尔滨工业大学学报 2005年第5期37卷 619-622页

作者：李捷熊必永张杰哈尔滨工业大学市政环境工程学院黑龙江哈尔滨150090 北京工业大学水质科学与水环境恢复工程实验室北京100022

为对聚磷菌有进一步的了解,以厌氧/好氧生化反应器中的聚磷菌为试验对象,研究了3种不同电子受体(O2、NO3-N、NO2-N)对聚磷菌吸磷效果的影响.结果表明:传统的厌氧/好氧生化反应器中存在有反硝化聚磷菌,且随着NO3-N质量浓度的不同,反硝化... 详细信息

为对聚磷菌有进一步的了解,以厌氧/好氧生化反应器中的聚磷菌为试验对象,研究了3种不同电子受体(O2、NO3-N、NO2-N)对聚磷菌吸磷效果的影响.结果表明:传统的厌氧/好氧生化反应器中存在有反硝化聚磷菌,且随着NO3-N质量浓度的不同,反硝化聚磷速率和总量也不同,而低水平的COD/TP将有利于反硝化聚磷菌的生长;此外,NO2-N也可参与聚磷菌缺氧吸磷反硝化的过程,但高质量浓度的NO2-N(本试验结果为≥95mg/L)将会对聚磷菌产生抑制作用.试验证实,以氧为电子受体的聚磷速率和聚磷总量明显高于NO3-N和NO2-N,但是,后二者的能耗、污泥产生量低于前者.

关键词：生活污水厌氧/好氧工艺生物除磷反硝化电子受体