温度对人工湿地中全程自养脱氮作用稳定性的影响及其调控措施探究

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随着人工湿地(CW)技术越来越广泛地应用于低碳氮比(C/N)废水的处理,实现CW中基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)作用的发生与强化成为提高该工艺脱氮性能的较佳途径之一。然而,作为一种污染水体生态修复技术,当CANON型CW工艺实际应用时,其脱氮效果及其稳定性必然会受到环境温度季节性变化的影响。皖中地区属亚热带季风性湿润气候,日均气温在较长时间内低于25℃。当CANON系统在(5~25)℃运行时,不同的温度水平、温度变化形式及运行时长等均会对其中的脱氮微生物群落结构造成影响,系统的脱氮性能及氮素转化途径亦会呈现不同的变化特征。因此,将CANON型CW工艺应用于该地区的污水处理时,季节性温度变化对系统脱氮性能及氮素转化途径的影响值得深入研究,而当系统的脱氮性能在特定的温度范围内出现恶化时,相应的弥补手段和强化措施亦需探索。本文从系统宏观工艺运行性能和微观生物学特征两个方面出发,开展了温度对人工湿地中CANON作用稳定性的影响及其调控措施探究,以期通过此研究,可促进CANON型CW工艺的工程化应用进程,并为新型CW的研发和设计提供理论依据和数据支撑。主要的研究内容及结论如下:(1)探究了温度的季节性变化对CANON型潮汐流人工湿地(TFCW)脱氮性能及其微生物特性的影响。CANON型TFCW中的脱氮微生物群落在温度的季节性变化下会发生不同程度的改变,其脱氮途径及性能随之会出现周期性的波动。填料层温度在20.0℃以上时对TFCW脱氮性能及其中的优势脱氮菌群无显著影响,CANON作用是系统脱氮的主要途径。当填料层温度低于20.0℃时,An AOB丰度与活性显著降低,在(9.3~20.0)℃时,亚硝酸盐氧化菌(NOB)的增殖及其活性的提高使TFCW中脱氮的主要途径由CANON作用演替为硝化/反硝化作用,系统对总氮(TN)的去除率仅为(34.8±13.0)%;在(2.2~9.0)℃时,TFCW中的An AOB在受到抑制的同时仍保持着对NOB和反硝化菌群的相对竞争优势,系统脱氮重新依赖于CANON作用,其对TN的去除率为(54.8±4.8)%。(2)基于(1)中试验结果,面对特定温度范围内脱氮性能呈现恶化的CANON型CW系统,探寻便捷高效的补救措施以便使该TFCW系统的脱氮性能尽快地得以恢复。通过改变系统的排水速率(vd)进而调控其填料层中DO浓度,开展不同vd值对TFCW中CANON作用活性恢复的影响研究。试验结果表明,vd的调控可优化TFCW填料层中的限氧环境,进而可影响CANON型TFCW系统的恢复进程及其脱氮性能。vd的适当降低可提高系统中短程硝化作用的稳定性,进而可使TFCW中An AOB的丰度与活性得以恢复和提高。当vd为0.20 L/min时,(15±4)℃条件下运行性能已呈现恶化的CANON型TFCW可实现较大程度的恢复,好氧氨氧化微生物和An AOB复又成为系统中的两种优势脱氮菌群,且系统在稳定运行阶段对TN和NH4+-N的去除率分别可达(67.34±1.19)%和(76.47±6.66)%。(3)基于(2)中试验结果,以(15±4)℃条件下运行的CANON型TFCW系统为研究对象,开展生物电化学措施对该CANON型CW脱氮性能的强化研究。试验结果表明,将接种了An AOB和自养反硝化微生物的石墨毡作为电极置入上述TFCW的填料层中,当外加电压为1.5 V时,电极反应可在一定程度上强化系统中An AOB的活性,且可促使自养反硝化微生物富集进而去除CANON反应生成的NO3--N,该TFCW系统对TN的去除速率可达(110.45±2.42)mg N·L-1·d-1,同时未检测到NO3--N。AOB、An AOB和自养反硝化微生物可以在该系统中协同共生,且An AOB始终是生物电化学强化措施下CANON型TFCW系统中主要的脱氮功能微生物。
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