亚硝酸盐胁迫下同步短程硝化反硝化除磷系统的性能和作用机制研究

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同步短程硝化反硝化除磷(SPNDPR)因其能够实现“一碳两用”,从而达到降低能耗且在碳源不足的情况下具有脱氮除磷效率高等优点而受到国内外学者的广泛关注。但由于亚硝酸盐氧化菌(NOB)的存在使得系统中氮的去除依靠全程硝化反硝化来实现,而非短程硝化反硝化,其中后者可以节省25%的能源和40%的碳源,且普通异养菌(OHOs)及聚糖菌(GAOs)对碳源的竞争使得系统中聚磷菌(PAOs)对碳源的争夺有限。近年来,其研究重心主要集中在NOB活性的抑制、PAOs的富集培养以及SPNDPR系统的长期稳定运行方面。因此,开展SPNDPR工艺的相关研究并探索系统菌群结构调整的方法具有重要意义。本研究通过探寻适宜的SPNDPR系统构建方法和维持其长期稳定运行的策略,以同时实现低能耗、可实用性及出水效果达标的要求。前期通过投加铜离子、羟胺及亚硝酸盐进行探究试验,通过分析投加前后系统各指标变化及效果稳定性,确定了亚硝酸盐为最优策略;随后对亚硝酸盐的浓度梯度(10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L)试验及投加方式(侧流静置和侧流调节p H并搅拌)进行了探讨;最终以侧流30 mg/L亚硝酸盐静置的方式观察亚硝酸盐策略对系统的长期影响,并对亚硝酸盐强化前后的微生物群落进行分析。主要结论如下:(1)投加0.5 mg/L的铜离子对系统反硝化菌有一定的刺激作用,会促进反硝化酶的合成,从而能够增强其活性提高反硝化速率。投加铜离子后SPNDPR系统中硝酸盐有了显著降低,同步短程硝化反硝化速率(SPND率)由32.31%提升至59.54%,但对TP的去除没有较大影响。(2)间歇投加10 mg-N/L的羟胺强化SPNDPR系统后,取得了良好的脱氮除磷效果,但不能实现长期稳定运行。在两次强化期间,观察到在第2天已实现对NOB的成功抑制,强化后的短程硝化反硝化效果持续时间分别为3天和5天,TN平均去除率达到93.97±1.21%,SPND率提升至61.46±11.4%,效果消失后平均去除率降低至88.28±0.81%;PO43--P持续时间为3天,平均去除率为91.5±1.23%,效果消失后平均去除率迅速降低至62.84±9.37%。(3)将系统运行方式由An/Mo/A改为An/A,在厌氧末投加10 mg/L亚硝酸盐。结果表明,亚硝酸盐的投加对系统同步短程硝化反硝化建立的效果较为明显,SPND率达到72.34±9.38%,且出水中未检测到氮磷的存在,达标现象维持了11天,可能是因为亚硝酸盐的加入导致系统中的功能微生物菌群结构发生了改变。(4)对不同浓度梯度(10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L)及不同投加方式(侧流静置、侧流搅拌并调节p H)的亚硝酸盐进行试验发现30 mg/L亚硝酸盐侧流静置的投加方式能够形成更高浓度的游离亚硝酸盐(FNA)环境,且观察到了高浓度NO和N2O的积累,两者共同作用导致NOB活性受到抑制且DPAOs过量释磷,表现为回流后SPNDPR现象明显,SPND率高达96.29%。侧流静置相比另一种方式不需要对系统p H进行调控,更方便操作,因此确定侧流静置为最适方案。通过对高浓度亚硝酸盐下系统的响应进行分析发现NO的积累主要是高FNA通过抑制反硝化菌实现的。(5)对系统间歇实施侧流静置亚硝酸盐策略能够使SPNDPR系统性能得到改善,实现氮磷的良好去除,表明亚硝酸盐策略的可实施性和稳定性,微生物群落分析表明Denitratisoma spp.(DGAO),Pseudomonas spp.(DPAO),Acinetobacter spp.(PAO),Dechloromonas spp.(DPAO),Thauera spp.和Nitrosomonas spp.(AOB)是主要的功能菌群,实现了系统的碳氮磷去除。微生物群落的变化表明了NOB和OHOs等不利菌群成功被高浓度的NO和FNA抑制。
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