磁场调控短程反硝化体系亚硝态氮积累特性研究

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聚焦短程反硝化技术亚硝态氮积累调控问题,基于微生物的磁效应,围绕磁场调控短程反硝化体系的亚硝态氮积累特性进行研究。在磁粉、磁铁、通电线圈的不同加磁场方式进行测量在反应器内部的磁场分布规律及分布特点,研究了在磁场作用下的氮素转化、亚硝态氮积累率(NTR)、脱氢酶活性及微生物表面形态特性,探究了磁场对短程反硝化体系亚硝态氮积累的影响规律;磁场调控短程反硝化体系经高通量测序揭示了微生物群落结构,解析了磁场调控短程反硝化体系的微生物机理,并对磁场调控短程反硝化体系的稳定运行特性进行了研究。研究结果表明,采用投加磁粉方式构建磁性反应器时,磁场强度在0-0.38 mT范围内较其他磁场调控相对较小,且在短期内磁场强度衰减严重;单磁铁、双磁铁形成的磁场随着距离的增加强度急剧下降,反应器内磁场强度分布不均。双磁铁形成的磁场强度在反应器内部的变化规律呈现对称分布,且中间磁场强度较弱,随距离的变化磁场衰减较快,其所提供的磁场分布不均匀;通电线圈内的磁场强度随着通电电流的增加不断增大,在1A、2A、3A时,线圈内壁磁场最高可达21mT、40 mT、55 mT,中心磁场较弱;分别在通电线圈内加1、2、3、7、13根铁芯,随着根数的增加反应器内部的磁场强度逐渐分布均匀,其中通电线圈内有1根、7根、13根时,反应器内部的磁场最高能达80 mT,反应器外加通电线圈内加铁芯投加磁场投加方式,其磁场相对较高,分布均匀性更优,且磁场强度调节便利性较高。磁场可以增强短程反硝化反应中亚硝态氮的积累率和脱氢酶的活性,并成功富集短程反硝化菌。当磁场强度为50 mT时,亚硝态氮的积累率最大为95%左右,磁场强度为35 mT时,脱氢酶活性最高为79.86 mgTF/(L·h);通过微生物表面形态分析R1、R2、R3污泥表面聚集着大量的短杆菌,其可能是短程反硝化过程功能菌,在4组反应器均维持了较好的厌氧状态。通过高通量测序分析,培养的污泥中主要菌群为Thauera,R3中该菌属含量最高,该磁场强度下有利于短程反硝化反应中亚硝态氮的积累,微生物群落的功能分析得到R3更有利于甘氨酸生物的合成与代谢及能力的代谢,R2更有利于膜的运输。磁场调控短程反硝化体系可以在不同容积负荷下,使短程反硝化体系稳定运行,通过逐步优化C/N和pH,可以保证高效稳定的亚硝态氮积累率。在50 mT磁场强度下稳定运行,初始硝态氮浓度为30 mg/L、50 mg/L和70 mg/L下,反应器的容积负荷在为1.4 Kg/(m3·d)、1.6 Kg/(m3·d)、1.65 Kg/(m3·d)左右时,亚硝态氮积累率最高为100%,更有利于亚硝酸盐的积累;当C/N在1.5-3范围内时,随着C/N比的增加,亚硝态氮的积累率呈现先增加后下降趋势,C/N为2.5时,亚硝态氮的积累率最高为90%左右,更利于亚硝酸盐的积累;p H为8时,亚硝态氮的积累率为100%,有利于亚硝酸盐积累。pH=7、9时,亚硝态氮的积累率在90%左右,即中性弱碱性条件有利于短程反硝化亚硝酸盐的积累。
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