污水反硝化除磷脱氮过程强温室气体N2O的生成特性及微生物学机理

污水生物脱氮过程N2O强温室气体的减排是基于全球气候变暖背景下亟待解决的问题。反硝化除磷脱氮技术是一种低碳污水处理模式，但其在节省碳源和曝气能源的同时，也可能存在释放强温室气体N2O之嫌。本项目以反硝化除磷工艺为脱氮的典型研究对象，辅以静态试验，重点考察进水碳源类型、胞内PHA类型、NO2-/NO3-浓度冲击、游离亚硝酸（FNA）、pH以及运行条件动态变化等，对内碳源反硝化除磷过程N2O生成的影响作用规律，阐明工艺在稳态或非稳态运行过程N2O的生成特性；并从细胞内聚合物、酶活性及以荧光原位杂交FISH技术为主的分子生物学手段来揭示功能微生物的原位生理学特性与代谢途径，确定N2O生成及转化的微观机理，提出有效减少N2O生成的控制方法。项目研究成果对于完善现有的生物脱氮过程N2O生成的科学机理，克服反硝化除磷技术的缺陷并将其更好的付诸应用，防止环境污染问题由水环境转移到大气环境具有重要意义。

污水生物脱氮过程N2O强温室气体的减排是基于全球气候变暖背景下亟待解决的问题。反硝化除磷脱氮技术是一种低碳污水处理模式，但其在节省碳源和曝气能源的同时，也可能存在释放强温室气体N2O之嫌。本项目以反硝化除磷工艺为脱氮典型研究对象，辅以静态试验，重点考察进水碳源类型、胞内PHAs类型、NO2-/NO3-浓度冲击、游离亚硝酸（FNA）以及运行条件动态变化等，对内碳源反硝化除磷过程N2O生成的影响作用规律，阐明工艺在稳态或非稳态运行过程N2O的生成特性。实验结果表明，内碳源类型及其含量对N2O释放产生重要影响作用。反硝化除磷过程当胞内PHAs水平低和PHV比例高时，易导致N2O释放量增高；从PHB、PHV降解动力学和转化途径角度看，PHV转化为乙酰辅酶A的途径较PHB复杂、降解速率更慢，因而当PHV比例较高时，可诱发更多N2O释放。考察碳源冲击影响发现，当进水碳源从乙酸转变为丙酸或混合酸时，微生物合成的PHV/PHAs比例升高，N2O产率提高；反硝化酶活性和微生物活性（脱氢酶）亦有所降低。厌氧反应时间对反硝化除磷有重要影响。长期过长厌氧反应时间(e.g., 150min)运行条件下，PHAs在厌氧段后期因内源代谢而无效损失，微生物活性及PHA水平降低，缺氧阶段N2O释放量增高；缺氧阶段PHA不足易导致FNA的积累，刺激EPS产生，促进除磷颗粒污泥的形成。通过磷形态的研究发现，颗粒污泥系统的除磷是反硝化聚磷菌（DPAOs）生物吸磷和EPS化学吸磷的共同作用，因此即使颗粒系统GAO比例较高，其除磷率维持较好。颗粒污泥较絮体反硝化除磷活性略低，但对高亚硝酸盐/FNA呈现更好的抗冲击负荷能力，N2O产率降低。颗粒污泥的切片FISH分析显示，GAO主要分布在颗粒外层，而PAO在内、外层均有分布。采用亚硝酸盐分批投加方式，获得了长期稳定运行的亚硝酸盐型反硝化除磷功效，PAOII为优势PAO，从而可避免高浓度NO2- /FNA的冲击作用，降低N2O产生风险，维持稳定的NO2-型反硝化除磷功效。在亚硝酸盐型反硝化除磷系统中存在一定比例GAOs可将硝酸盐反硝化为亚硝酸盐，为PAOII提供电子受体，在硝酸盐存在时，可保证除磷功能的稳定性。项目研究成果对于完善现有的生物脱氮过程N2O生成的科学机理，克服反硝化除磷技术的缺陷并将其更好的付诸应用，防止环境污染问题由水环境转移到大气环境具有重要意义