不同碳氮比下污水反硝化过程中亚硝氮积累的特性研究

以乙酸钠为碳源,在不同的碳氮比(COD/NO_3~--N)条件下,通过控制反应器中反硝化时间,将NO_3~--N仅还原至NO_2~--N,实现NO_2~--N的稳定积累.结果表明,反硝化时间从60 min缩短至20 min,NO_3~--N还原速率和NO_2~--N积累速率分别增大至0.417 g·g~(-1)·h~(-1)(以VSS计,下同)和0.402g·g~(-1)·h~(-1).经过108 d的培养,NO_2~--N的积累率为95%.反硝化活性随碳氮比的增大而增大,而较低碳氮比更有利于NO_2~--N的稳定积累.在反硝化亚硝氮积累过程中,当碳源充足时,由于电子受体NO_3~--N和NO_2~--N相互竞争碳源,NO_3~--N的存在会抑制NO_2~--N的还原,从而导致NO_2~--N积累;而当碳源不足时,基质限制使NO_3~--N优先还原,导致NO_2~--N的积累.微生物宏基因组测序结果表明,培养污泥中的优势菌群为Thauera(71.85%),该菌仅能将NO_3~--N还原为NO_2~--N,从而导致NO_2~--N的积累.     

短程反硝化的启动及多参数优化下NO2--N积累特性

采用本实验室长期培养的厌氧（S-A）、好氧（S-O）和交替厌氧/好氧（S-A/O）活性污泥为种泥,分别启动短程反硝化SBR反应器R1、R2和R3,控制进水C/N比为3,缺氧搅拌时间为1h时,在第15d、7d和4d亚硝酸盐积累率（NAR）分别达到75.34%、84.51%和86.23%.选取C/N比、初始pH值、缺氧搅拌时间和初始NO₃^--N浓度对NAR进行四因素三水平响应面实验,方差分析结果表明,以上因素对NAR均有显著影响（P<0.05）,模型R²为0.983.通过模型预测得最佳运行条件：C/N比为3.16,初始pH值为8.51,缺氧搅拌时间为1.27h,初始NO₃^--N浓度为60mg/L的条件下,NAR高达91.32%.     

进水C/N对A~2/O-BCO工艺反硝化除磷特性的影响

采用厌氧/缺氧/好氧与生物接触氧化工艺组成的双污泥系统(A~2/O-BCO)处理实际生活污水.通过投加乙酸钠调节进水碳氮比(C/N=2.44~8.85),考察了系统的反硝化除磷特性.试验结果表明:进水有机物主要是通过改变硝化性能(即缺氧段反硝化负荷)以及聚-β-羟基链烷酸脂(PHA)的贮存和利用,进而影响系统的脱氮除磷效果.当进水C/N为4~5时,COD、TN和PO_4~(3-)-P去除率分别达到88%,80%和96%,实现了有机物、氮和磷的同步高效去除.碳平衡分析表明,A~2/O反应器去除的COD占去除总量的71.86%~77.28%,BCO反应器去除的COD仅占2%~12%,碳源的高效利用是A~2/O-BCO工艺在低C/N条件下实现深度脱氮除磷的重要原因.此外,通过进水C/N与曝气量、硝化液回流比、厌/缺氧反应时间等相关性的分析,提出了系统的优化运行策略.     

分段进水对改良A2/O-BAF双污泥系统反硝化除磷脱氮的影响

采用改良A²/O-BAF双污泥系统处理低C/N比生活污水,为提高碳源利用率,研究了两段进水（预缺氧段和缺氧段）对反硝化除磷脱氮的影响,同时根据COD的物料衡算公式,分析评价了不同进水比下,碳源的利用情况.结果表明当分段进水比为7：3时,平均进水COD、NH₄⁺-N、TN、TP浓度分别为174.99、58.19、59.10、5.15 mg·L^-1,出水COD、NH₄⁺-N、TN、TP浓度分别为29.48、4.07、14.10、0.44 mg·L^-1,去除率分别为82.12%、92.76%、75.45%、91.20%;系统中反硝化聚磷菌占聚磷菌的比例（DPAOs/PAOs）为98.81%,此时系统反硝化除磷脱氮最佳,同时碳源的有效利用率达85.77%,平衡百分比为92.33%.通过优化分段进水,碳源被有效利用,提高了同步脱氮除磷效率,为改良A²/O-BAF双污泥系统处理低C/N比污水提供理论依据.     

短程硝化反硝化工艺处理低C/N垃圾渗滤液

针对本试验垃圾渗滤液的水质特点和传统生物脱氮工艺存在的问题,结合目前国内外在该方向的研究现状,提出短程硝化反硝化处理垃圾渗滤液的新工艺。通过控制曝气池内溶解氧浓度平均在2.0 mg/L,温度(30±2)℃,实现了稳定的亚硝氮积累和较高的氨氮去除率,亚硝化率和氨氮去除率分别维持在83%和85%左右。试验结果表明,该工艺与传统生物脱氮工艺相比,污泥负荷明显增加,耗氧量和反硝化所需碳源减少,反硝化效率和速率明显提高,从而总氮去除率也显著提高。     

不同电子受体反硝化过程中C/N对N2O产量的影响

试验采用SBR反应器,分别考察了不同C/N条件下,以硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体的反硝化过程中N₂O产生情况.投加乙醇作为反硝化碳源,以硝酸盐为电子受体时调节C/N分别为0、 1.2、 2.4、 3.5、 5.0和20,以亚硝酸盐为电子受体时调节C/N分别为0、 1.8、 2.4、 3.0、 4.3、 5.2、 6.6和20.6.结果发现,以亚硝酸盐为电子受体时,最佳C/N为3.0,此时N₂O产生量为0.044 mg·L^－１;以硝酸盐为电子受体时,最佳C/N为5.0,此时N₂O产生量为0.135 mg·L^－１,是以亚硝酸盐为电子受体时的3倍.电子受体类型不同时,N₂O产生量的变化趋势类似：在碳源严重不足时,反硝化率和N₂O产生量均很低;碳源相对不足时N₂O产生量增加;C/N过大时,虽然反硝化速率很快,但N₂O产量也急剧增大.可见,与全程硝化反硝化工艺相比,短程硝化反硝化工艺可节省40%碳源,且控制C/N=3,其反硝化过程产生的N₂O远少于全程反硝化.     

不同盐度反硝化过程N2O积累及还原特性

利用体积为3 L的SBR反应器,以NO~-_3为电子受体,乙醇为电子供体,控制初始COD/N=5.0,考察不同盐度条件下反硝化过程NO~-_2和N_2O积累及还原过程,并对N_2O还原过程进行Monod方程拟合。结果表明:盐度增加导致系统还原速率降低。NaCl盐度由0增至20 g/L时,NO~-_3、NO~-_2和N_2O的还原速率分别由17.67,14.15,139.33 mg/(g·h)降至6.57,7.41,33.17 mg/(g·h)。N_2O还原半饱和常数随盐度的增加而增加,低盐度下氧化亚氮还原酶与底物的结合能力较强,表现出高的还原速率。反硝化初始阶段,N_2OR(N_2O还原酶)的合成速率小于NaR(NO~-_3还原酶)和NiR(NO~-_2还原酶)合成速率,导致N_2O积累。高盐度对N_2O还原的抑制远大于其对NO~-_3和NO~-_2还原活性的抑制,是导致高盐度下反硝化过程N_2O积累的主要原因。     

生物活性炭对不同C/N比废水同步硝化反硝化脱氮效果的影响

以连续运行的生物活性炭(biological actived carbon,BAC)填料反应器为研究对象,与序批式活性污泥反应器(sequencing batch reactor,SBR)对比,考察了BAC的加入对不同C/N比废水同步硝化反硝化(simultaneous nitrification and denitrification,SND)脱氮效果的影响.在室温(15~27℃),初始溶解氧(dissolved oxygen,DO)质量浓度2~3 mg·L-1条件下,以甲醇做外加碳源,分别设置进水C/N比为3、5、8和10运行120个周期,比较两反应器的脱氮效果及稳定性.结果表明,C/N比由3依次升至5和8时BAC填料反应器脱氮效果优于SBR,TN平均去除率分别达44.88%、58.07%和66.64%.继续增大进水C/N至10,SBR发生污泥膨胀,而BAC反应器仍能保持63.65%的TN去除率.实验证明BAC在单一反应器内创造了多样的溶解氧环境,为SND创造了适宜的条件.BAC的加入减小了过量有机碳对硝化系统带来的影响,扩大了反应器的C/N比适用范围,增加了运行的稳定性,提高了有机物的脱氮容量,为高效脱氮提供了可能.     

低温SBR反硝化过程亚硝态氮积累试验研究

采用SBR法处理经缺氧/厌氧UASB预处理的渗滤液,在SBR反硝化过程观察到明显的亚硝态氮积累现象.在此基础上,为深入了解反硝化过程亚硝态氮积累的机制,考察低温条件下5种类型碳源(甲醇、乙醇、乙酸钠、丙酸钠和葡萄糖)对SBR反硝化过程亚硝态氮积累的影响.结果表明,在温度为13.9℃情况下,甲醇、乙醇、乙酸钠、丙酸钠为反硝化碳源时,系统内均发生明显的亚硝态氮积累.此外,4种不同初始NO_3~--N浓度(64.9、 54.8、 49.3、 29.5 mg/L)还原过程中, NO_2~--N最大积累浓度分别为37.8、 21.5、 25.2、 18.8 mg/L,积累速率(N/VSS·t)分别为 0.117、 0.136、 0.235、 0.068 g/(g·d),并且ORP曲线先后出现"nitrate knee"和"nitrite knee"2个拐点,可分别指示NO_3~--N、NO_2~--N还原反应结束.     

回灌渗滤液C/N对填埋垃圾生物反应器反硝化特性的影响

利用模拟填埋垃圾生物反应器（landfill bioreactor）研究了回灌渗滤液C/N对填埋垃圾堆体反硝化性能的影响,并采用PCR扩增、克隆测序等分子生物学技术,以功能基因nirS为分子标记考察了4次回灌过程中反应器内反硝化微生物群落结构变化.结果表明,回灌渗滤液的COD/NO 3--N比例对反应器的反硝化活性具有显著性影响.当COD/NO 3--N从3.11提高到13.08时,反应器内硝酸盐还原速率可从1.14 mg.（kg.h）-1提高到11.40 mg.（kg.h）-1.当回灌渗滤液生物可利用性COD与NO 3--N比值达到6.37时,可以实现填埋垃圾生物反应器反硝化作用的快速、稳定运行.4次回灌,反应器内的反硝化微生物大部分与β-变形菌纲（β-proteobacteria）细菌相似,少数属于非培养微生物（uncultured bacteria）,其中Thiobacillus denitrificans和Azoarcus tolulyticus是反硝化过程的主要功能微生物,在回灌渗滤液反硝化过程中可能发挥着重要作用.     

pH值和碳氮比对亚硝酸型反硝化影响的研究

利用序批式反应器中长期驯化好的以亚硝酸盐为主要基质的纯种污泥，做锥形瓶实验，分别研究pH和碳氮比对亚硝酸型反硝化的影响。结果表明，亚硝酸型反硝化适宜的pH范围在7．7～8．6，最佳pH值在8．2左右；碳氮比（C／N）大于1．94，可实现连续稳定的脱氮效果，起始亚硝氮比基质降解速率随C／N的增加而增加，大于3．11速率几乎不再增加，通过动力学分析，得出该实验条件下C／N的饱和常数Ks为9．36。     

COD/N与pH值对短程硝化反硝化过程中N2O产生的影响

利用SBR反应器,通过投加乙醇控制COD/N为0、1.5、3、4.5,调节pH值分别在6、7、8,反硝化初始投加NO2--N为30mg/L,考察了缺氧条件下COD/N与pH值对短程硝化反硝化过程中N2O产量的影响.结果表明:低COD/N可以造成N2O持续较高的逸出,N2O最大产生量为2.35mg/L;低pH值条件下增加了N2O的积累,pH值在6时的N2O积累量是pH在7、8时的800倍;高COD/N和高pH值下的N2O产生速率最小,而当pH=6,COD/N=0时,N2O产生速率最大,为2.35×10-3mgN/(mgMLSS?L?h).其原因是:N2O还原酶争夺电子的能力较弱,充足的电子供体有利于N2O的还原;低pH值可影响微生物的代谢,且在H+存在时产生的游离亚硝酸(HNO2)对N2O还原酶具有抑制作用.充足的碳源和碱性条件,是降低短程硝化反硝化过程中N2O产量的关键因素.     

以喹啉或吲哚为单一碳源时反硝化过程中亚硝酸盐的积累

分别以喹啉或吲哚为单一碳源和电子供体,硝酸盐为电子受体,对反硝化过程中亚硝酸盐(NO2--N)的积累进行了试验研究.结果表明,以喹啉为碳源时,在不同碳氮比(C/N)条件下反硝化过程中均出现明显的NO2--N积累;而且其最高积累率随着C/N比增大而降低,当C/N比为2.5时,NO2--N最高积累率达93.97%,当C/N比为12.8时NO2--N最高积累率为42.31%.而以吲哚为碳源时,在不同C/N比条件下反硝化过程中NO2--N积累程度都很低,最高积累率只有4.71%.以喹啉为单一碳源时,亚硝酸盐的还原速率小于硝酸盐的还原速率;而以吲哚为单一碳源时,亚硝酸盐的还原速率大于硝酸盐的还原速率;上述硝酸盐与亚硝酸盐还原速率的不同导致了以喹啉或吲哚分别为碳源时反硝化过程中亚硝酸盐积累率的不同.基于碳源完全降解和完全反硝化的考虑,以喹啉或吲哚为单一碳源时的最佳碳氮比均为6.8.     

C/N比对反硝化过程中亚硝酸盐积累的影响分析

在SBR反应器中利用乙酸钠为底物,研究C/N(COD/NO3--N)比对反硝化过程中亚硝酸盐积累的影响.在SBR连续运行过程中(HRT为6 h),C/N比为3时,亚硝酸盐积累率可达45%.批式处理研究表明,C/N比为2.5和3.0时亚硝酸盐的积累率较高,分别为47.50%±1.005%和45.28%±5.469%.C/N比为2.5时获得的亚硝酸盐比积累速率为(30.17±1.70)mg.(g.h)-1,C/N比为3时获得的亚硝酸盐比积累速率为(29.92±1.90)mg.(g.h)-1.C/N比在2.5～4范围内时,C/N比对硝酸盐的还原速率基本无影响,但对亚硝酸盐的积累速率影响显著,C/N比为2.5和3.0时有利于亚硝酸盐的积累,C/N比≥3.5时,亚硝酸盐积累率下降显著.     

重稀土元素钇对短程反硝化工艺的影响

研究重稀土元素钇(Y(Ⅲ))对短程反硝化工艺的短期和长期影响.结果表明,1～50mg/L的Y(Ⅲ)对亚硝酸盐的积累量无明显影响,60～100mg/L的Y(Ⅲ)会影响硝酸盐的还原和亚硝酸盐的积累.1～10mg/L的Y(Ⅲ)对细菌活性呈现促进作用,20～100mg/L的Y(Ⅲ)对细菌活性呈现抑制作用.胞外吸附的Y(Ⅲ)是抑...     

C/N对SBR生物脱氮硝化过程微生物结构的动态影响

为揭示碳氮比（C/N）对硝化过程影响的机理本质,试验以人工模拟废水为研究对象,采用4组平行的SBR（R₀、R₅、R₁₀、R₁₅）反应器,基于16S rRNA基因-Illumina MiSeq高通量测序技术,考察了4种C/N（0、5、10、15）对硝化过程功能微生物组成和结构特征的影响.结果表明：4种C/N条件下,系统均获得了较好的去除氨氮（去除率>95%）和COD（去除率>90%）效果,TN也有不同程度的降低.此外,C/N会显著影响系统内微生物的多样性、种群结构和功能.R₀系统Chao1指数（922）、ACE指数（1232.4）、Shannon指数（6.76）和Simpson指数（0.96）均最大,故微生物多样性最丰富,而R₅的物种丰富度最低.在微生物门水平上,变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、蓝细菌门（Cyanobacteria）等9个相对丰度较高的门是重要的微生物门,其中变形菌门（Proteobacteria）约全部微生物的40.7%~65.2%,是4个系统中最优势的菌门.硝化过程的关键菌群亚硝化单胞菌科（Nitrosomonadaceae）及硝化螺旋菌属（Nitrospira）的相对丰度表现出随着C/N升高而急剧降低的趋势.基于LEfSe分析共获得了34组具有显著差异的微生物,从而得到了每种C/N条件下在微生物学分类水平上的菌群关键生物标记物.     

部分反硝化耦合厌氧氨氧化IFAS系统脱氮性能

采用部分反硝化活性污泥耦合厌氧氨氧化生物膜处理低碳氮比废水(C/TN=1.63),考察生物膜-活性污泥复合系统(IFAS)进行部分反硝化耦合厌氧氨氧化(PD/A)处理低碳氮比废水的可行性及其耦合后两相中功能菌活性与菌群分布变化规律.结果显示,系统耦合运行期间,出水TN为(5.07±0.2)mg/L,去除率为(90.7±0.1)%,厌氧氨氧化途径对TN去除的贡献率高达(86.61±3.4)%;固着相对厌氧氨氧化活性的贡献率为100%,悬浮相上,μ(NO3--N)占比为99.32%,μ(NO2--N)占比为99.22%;与耦合前相比,悬浮相中硝酸盐还原酶(Nar)活性由(0.43±0.05)μmol/(mgprotein·min)增加至(0.49±0.09)μmol/(mgprotein·min),亚硝酸盐转化率明显升高[(70±2.2)%～(90.01±2.3)%];IlluminaMiSeq结果显示,固着相上的优势菌属为Candidatus＿Brocadia,且耦合前后丰度无明显变化(33.61%～33.43%),悬浮相上反硝化菌属Prosthecobacter,Ferruginiba...