低有机污染水的缓释碳源固相反硝化脱氮研究

本项目在研究PCL、PBS、PLA等可生物降解聚合物脱氮性能的基础上，研制了PCL/淀粉、PBS/淀粉、PLA/淀粉、PCL/PLA/淀粉、PHBV/PLA等多个系列共混物，通过序批实验与生物填充床反应器动态试验，研究了这些共混物作为反硝化微生物碳源和生物膜载体脱氮的可行性、影响因素及长期运行性能，并采用宏基因组方法、定量PCR等解析了生物膜的微生物群落结构。研究得到如下主要结论： （1）常见的PCL、PBS、PLA等均可作为反硝化的固相缓释碳源，但存在经济成本比较高的问题。 （2）制备的4个系列共混物，可作为微生物碳源和载体实现水中硝酸盐氮的高效去除，淀粉的加入不仅降低了成本，而且加快了反应的启动、提高了反硝化速率。稳定运行后，共混物碳源中的PCL-S4和PBS-S3的综合脱氮性能最佳，反硝化速率分别达到0.0211和0.0209 mg/(g•h)，且成本降低了50%左右。 （3）淀粉基共混物可以持续稳定地为反硝化提供碳源，PCL-S4、PCL-S11的脱氮性能与PCL和PBS的基本相当。硝态氮负荷为0.602 kg/(m3•d)时，PCL-S4、PCL-S11、PCL和PBS的反硝化速率分别为24.69、25.44、24.60和24.83 mg/(L•h)。固体碳源反硝化速率受到温度的影响，而对pH值有较宽的适应范围。 （4）利用宏基因组方法解析了生物膜的微生物群落结构，明细与碳源种类相关。PCL、PCL-S4、PLA-S9、PBS、PBS-S3和乙醇为碳源系统中微生物均以变形菌门细菌为主，但在淀粉基共混物为碳源系统中发现淀粉降解菌门（厚壁菌门和放线菌门）细菌。在属水平填充床固体碳源样品的主要属组成比较接近，均归属于丛毛单胞菌科和红环菌科，与乙醇为碳源系统有明显差异；生物膜的定量PCR分析表明，带有nirK和nirS 两种功能基因的反硝化菌的生物量占反应器总生物量的比例为3.13 %。 （5）典型固相碳源生物填充床反应器的长效运行，在水温25℃、进水硝酸盐氮浓度为15 mg/L、HRT为0.5h时，出水硝酸盐氮浓度小于1 mg/L，且无亚硝酸盐、氨氮积累；基于固相碳源低C/N比水质特征的污染水处理工艺研究表明，能显著提高反硝化脱氮能力，TN的去除率均达85%以上。研究成果为污水处理厂一级A标准排水（TN≤15mg/L）的深度脱氮技术的工程应用提供了理论依据。

在我国十一五重点完成点源控污之后的一类低有机污染水的排放，将导致以硝酸盐氮为主的总氮超标成为我国未来地表水环境污染的突出问题。固相反硝化是有效防治水环境硝酸盐氮污染的前沿技术。.本项目针对低污染水排放的水质特征开展缓释碳源固相反硝化脱氮技术的相关应用基础研究。研究内容包括：（1）适宜固体碳源的筛选及其生物降解性研究；（2）固相反硝化脱氮的反应条件优化；（3）固相反硝化脱氮过程中的微生物学研究及机理探讨；（4）固相反硝化脱氮反应器的设计与运行。.研究目标是开发一种全新的固相反硝化技术工艺应用于低有机污染水的进一步处理，为我国湖泊富营养化的氮素污染控制开辟新途径。项目选题研究具有重要的理论意义与实际应用价值。

补充碳源的人工湿地反硝化脱氮机理研究的滞后性，严重限制了以脱氮为目的的人工湿地在低碳氮比污水中广泛应用。本课题在前期研究基础上，拟以泥炭为新型补充碳源的人工湿地为处理工艺，以二级出水（典型的低C/N污水）中的硝态氮为去除对象，以硝态氮同位素示踪、PCR-DGGE现代技术结合二级出水进出水、泥炭和植物相关监测指标为手段，从植物－碳源的耦合效应角度，对包括人工湿地硝态氮去除驱动机制、微生物学多样性及种类、酶活性、泥炭分解速率及植物生长状况等影响因素及变化规律进行系统研究，从而揭示泥炭为碳源的人工湿地反硝化脱氮机理。为补充碳源人工湿地机理研究提供新的思路和理论依据。工程上也有一定的应用价值。

近年来，随着污水处理率增加，二级出水中硝态氮的去除已越来越受到重视，而碳源是限制二级出水反硝化除氮重要限制因素。与此同时，泥炭在我国分布广泛，且正在分解产生大量的温室气体。本课题针对泥炭为人工湿地碳源去除二级出水中氮的可行性进行了研究。主要研究内容为：（1）泥炭和其他有机物为外加碳源去除二级出水中氮研究；（2）泥炭主要成分为外加碳源去除二级出水中氮研究；（3）泥炭及主要成分和植物耦合为外加碳源去除二级出水中氮研究。得出的主要结论如下： （1）在以松果、板栗带刺外壳、柱状泥炭和泥炭为外加碳源时，二级出水中总氮和硝态氮的去除效果依次为：松果>板栗带刺外壳>柱状泥炭>泥炭。 （2）在泥炭分离出的四种主要成分外加碳源时,以富里酸为外加碳,水体硝酸盐和氨氮去除效果最好。 （3）泥炭及四种主成分和植物耦合为外加碳源时，水体中对硝酸盐去除效果都很好，最后的值在0-0.5mg/L附近。此外，富里酸耦合植物为外加碳源时，水中氨氮也得到较好的去除（浓度为0.36mg/L）。 本课题研究成果为泥炭作为人工湿地反硝化碳源可行性及资源化提供科学依据，具有一定理论和实际价值。 2100433B

反硝化细菌大量存在于污水中，反应在缺氧条件下进行，水中溶解氧应小于0.5mg/L。要求污水中存在一定数量的有机物质（可补充投加二次沉淀污泥、甲醇、醋酸等），反硝化反应池设计为带有搅拌设备的池子或鼓风曝气池。反硝化过程也是硝化-反硝化两阶段脱氮处理方法的第二阶段。2100433B