好氧顆粒污泥短程硝化過程一氧化二氮的生成機(jī)理

好氧顆粒污泥短程硝化和組成好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)的微生物都會導(dǎo)致N2O 溫室氣體的釋放。本項目針對好氧顆粒污泥短程硝化過程的N2O生成機(jī)理及釋放控制方面的研究構(gòu)建好氧顆粒污泥反應(yīng)器實現(xiàn)短程硝化，并采用新型微電極探針檢測技術(shù)完善N2O的氣液傳質(zhì)模型。通過結(jié)合微生物分子生物學(xué)和N2O生成和釋放動力學(xué)結(jié)果，考察好氧顆粒污泥脫氮過程的氮平衡變化，找出影響N2O生成的關(guān)鍵因素，并探討好氧顆粒污泥短程硝化N2O的生成機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，本研究分析了N2O釋放的關(guān)鍵時間和關(guān)鍵控制步驟，認(rèn)為好氧顆粒污泥特殊的硝化細(xì)菌分布結(jié)構(gòu)，可以減少N2O的生成，從而在此基礎(chǔ)上嘗試建立了好氧顆粒污泥短程硝化處理實際廢水過程中，N2O生成與釋放特性分析及可行的控制方法。本項目研究對進(jìn)一步加深顆粒污泥生物脫氮過程的認(rèn)識，更好地拓展好氧顆粒污泥的實際工程應(yīng)用，均有重要的理論意義和實踐意義。 2100433B

好氧顆粒污泥由于特殊的厭/好氧空間結(jié)構(gòu)和微生物分布，可以通過實現(xiàn)短程硝化來解決高氨氮廢水處理問題。但短程硝化和組成好氧顆粒污泥的多聚物結(jié)構(gòu)都會導(dǎo)致N2O——一種具有持久性強溫室效應(yīng)氣體的釋放。目前，在好氧顆粒污泥短程硝化過程的N2O生成機(jī)理及釋放控制方面的研究都比較欠缺，而且由于N2O易溶于液相，傳統(tǒng)的只針對氣相的分析方法，無法對N2O的生成過程進(jìn)行準(zhǔn)確定量。針對這些問題，本項目擬采用一種新型微電極檢測技術(shù)，構(gòu)建好氧顆粒污泥反應(yīng)器并實現(xiàn)短程硝化；通過完善N2O的氣液傳質(zhì)模型，結(jié)合微生物分子生物學(xué)和N2O生成釋放動力學(xué)結(jié)果，考察好氧顆粒污泥脫氮過程的氮平衡變化，找出影響N2O生成的關(guān)鍵微生物種群及結(jié)構(gòu)分布，從而探討好氧顆粒污泥短程硝化過程N2O的生成機(jī)理；在此研究基礎(chǔ)上，本項目將對N2O釋放的關(guān)鍵時間和關(guān)鍵控制步驟進(jìn)行分析，嘗試建立起好氧顆粒污泥短程硝化處理實際廢水過程中，N2O生成與釋放的可行控制方法。

保持污水短程硝化反硝化工藝穩(wěn)定運行的關(guān)鍵是選擇性抑制亞硝酸鹽氧化菌群（NOB）的生長而保持氨氧化菌群（AOB）的優(yōu)勢地位。本研究針對膜曝氣生物膜用于短程硝化反硝化啟動難、不穩(wěn)定的問題，根據(jù)AOB與NOB之間的種群競爭理論，利用熒光原位雜交、激光共聚焦顯微成像、Real-time qPCR以及16S rRNA克隆文庫構(gòu)建等分子生物學(xué)分析技術(shù)，從生物膜外部環(huán)境條件、接種污泥菌群構(gòu)成及生物膜厚度控制三個角度，來探索對膜曝氣生物膜內(nèi)NOB的有效抑制措施，闡明其抑制機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出膜曝氣生物膜短程硝化反硝化穩(wěn)定運行的調(diào)控策略。本研究可解決目前膜曝氣生物膜短程硝化反硝化運行穩(wěn)定性較差的問題，不僅能為今后用于短程脫氮的膜曝氣生物膜反應(yīng)器的設(shè)備化和產(chǎn)業(yè)化提供關(guān)鍵參數(shù)，而且為我國低碳氮比污水的可持續(xù)性處理提供技術(shù)支持和科學(xué)依據(jù)。

本項目以膜曝氣生物膜形成過程及菌群結(jié)構(gòu)變化為考察對象，通過控制進(jìn)水氨氮負(fù)荷和膜內(nèi)氣壓等措施，實現(xiàn)膜曝氣生物膜短程硝化與反硝化的穩(wěn)定運行。利用溶解氧微電極技術(shù)，系統(tǒng)考察了不同工況下膜曝氣生物膜內(nèi)溶解氧的擴(kuò)散規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在不同膜內(nèi)氣壓的條件下，膜曝氣生物膜內(nèi)溶解氧的穿透深度變化不大，都在120μm左右。采用熒光原位雜交與激光共聚焦聯(lián)用技術(shù)，對膜曝氣生物膜內(nèi)的主要功能菌群的空間分布特征進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)生物膜厚度小于100μm時，溶解氧可全部穿透生物膜，氨氧化菌群（AOB）和亞硝酸鹽氧化菌群（NOB）分布在整個生物膜厚度范圍內(nèi)；當(dāng)生物膜厚度大于500μm時，由于溶解氧穿透深度有限，AOB和NOB主要分布在接近曝氣膜的生物膜底部的100～150μm深度范圍內(nèi)。隨著生物膜厚度的增加，生物膜內(nèi)胞外多聚物（EPS）的含量相應(yīng)增加，反硝化異養(yǎng)菌可利用EPS作為碳源在硝化生物膜內(nèi)生存，并產(chǎn)生反硝化作用?？刂粕锬ず穸仁强刂颇て貧馍锬し€(wěn)定短程硝化反硝化的關(guān)鍵，實驗結(jié)果表明生物膜厚度控制在200～300μm左右，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定短程硝化反硝化。在生物膜啟動初期采用高氨氮負(fù)荷與較高溫度（30℃）的措施來抑制NOB的生長，實現(xiàn)了膜曝氣生物膜反應(yīng)器短程硝化的成功啟動運行，實時定量PCR分析結(jié)果證實了AOB在生物膜內(nèi)的優(yōu)勢地位。本研究對于深入理解膜曝氣生物膜結(jié)構(gòu)和功能特征，解決目前膜曝氣生物膜用于短程硝化反硝化啟動困難、運行穩(wěn)定性較差的問題，促進(jìn)膜曝氣生物膜反應(yīng)器技術(shù)的工程應(yīng)用與設(shè)備化，均具有重要的理論意義和實踐指導(dǎo)作用。 2100433B