基于活性污泥絮体内部微环境的N2O产生机制与调控方法研究

Large amounts of serious greenhouse gas nitrous oxide (N2O) can be generated in wastewater treatment processes. Some investigation indicated aerobic treatment unit was the main generation link. This was different with the conventional opinion that N2O was primarily produced from anoxic denitrification process. In order to exploring the cause of this phenomenon, the regularities of microenvironment and N2O distribution inside activated sludge floc from aerobic treatment process will be studied by microelectrode technique. Meanwhile, the characteristics of functional flora population and distribution in same floc will be analyzed using molecular biology technique. And then the pathway of organic matter degradation and nitrogen conversion will be expounded. On this basis, the generation mechanism of N2O in aerobic wastewater treatment process will be revealed. In addition, the effect of operating environment, wastewater quality and shear stress on the structural property, microenvironment and N2O generation of activated sludge flocs will be illuminated, respectively. A control method for N2O reduction and high nitrogen removal efficiency will be established. In sum, the scientific basis of high efficiency nitrogen removal and greenhouse gas N2O reduction for municipal sewage plant will be provided due to this study.

污水处理过程能够大量产生强温室气体氧化亚氮（N2O），有调查研究显示，好氧处理单元为主要产生环节，这与传统上N2O主要产生于缺氧反硝化过程的论点并不一致。为了探明这一现象的原因，本研究拟采用微电极和分子生物学等技术手段，研究污水好氧处理单元活性污泥絮体内部微环境和N2O分布特征，解析絮体内部微生物菌群的结构特点与主要功能菌群的分布规律；明确有机物降解以及氮的转化途径，揭示污水好氧处理单元N2O的产生机制；在此基础上，阐明运行环境、污水水质和剪切应力分别对污泥絮体结构特性、微环境以及N2O产生的影响，提出在保证脱氮效率的同时能够减少N2O产生量的调控方法，为城市污水处理厂高效脱氮和温室气体N2O减排新技术研发提供科学依据。

污水处理过程能够大量产生强温室气体氧化亚氮（N2O），有调查研究显示，好氧处理单元为主要产生环节，这与传统上N2O主要产生于缺氧反硝化过程的论点并不一致。为探明这一现象的原因，本项目以活性污泥絮体为研究对象，采用微电极与分子生物学等技术手段，明确活性污泥絮体内部微环境特征与N2O产生规律之间的关系，阐明污泥絮体颗粒中N2O产生的主要功能微生物、产生途径和影响因素，揭示好氧污水处理过程中N2O的微观产生机制并提出有效控制方法。结果表明，N2O的产生量与NO2--N浓度变化密切相关，由此可确定好氧反应器中的N2O主要通过反硝化途径产生。在好氧生物反应器内，污泥絮体由于传质和微生物消耗，内部微环境和N2O产生特征受粒径大小影响显著，大粒径（直径>200 um）絮体内部存在缺氧微环境，这种DO分布特点导致了污泥絮体内部反硝化作用的发生，并有N2O产生和累积。污水中的有机物会使絮体外部的好氧微生物耗氧量增加，增大O2的传质阻力，加剧絮体内部缺氧区的形成，导致N2O产生量增大。我国的城镇污水处理厂数以千计，并且每年还有大量污水厂新建，温室气体释放已经成为污水处理行业面临的新挑战。本项目的研究成果将为污水处理过程温室气体减排措施的制定提供直接依据和方法，具有重要意义。项目资助发表SCI论文2篇，EI论文1篇，中文核心论文3篇，获得授权发明专利2件，授权实用新型专利4件；培养博士研究生1名，硕士研究生2名，均已毕业。项目共投入经费25万元，支出18.0228万元，各项支出均未超出项目预算，剩余经费6.9772万元将用于本项目后续研究。