基于短程硝化-反硝化的间歇曝气技术强化人工湿地脱氮效能研究

Low nitrogen removing efficiency has been one of the problems that disturbs the application of constructed wetlands. Partial nitrification-denitrification (PND) seemed to be a new control strategies for improving nitrogen removal in constructed wetlands. Compared to conventional N-removal, PND presents significant advantages, as it theoretically saves approximately 25% of electron acceptor (oxygen) for nitrification, 40% of electron donor (organic carbon) for denitrification, and enhances the denitrification rate by 63%. However, it remains unclear how to accomplish PND in constructed wetlands. This proposed project made a hypothesis that it is possible to accomplish PND in constructed wetlands under alternating aerobic/anoxic conditions. The research work will include: ① how to accomplish PND in constructed wetlands; ② compare nitrogen removal efficiency between PND and conventional process of nitrification–denitrification; ③ analyze the nitrifying bacteria community in constructed wetlands. The knowledge obtained in this study will be useful for developing new process to enhance nitrogen removing efficiently in constructed wetlands.

脱氮效率不高是困扰人工湿地进一步推广应用的主要问题之一，短程硝化-反硝化可较好的解决这一问题。相较传统硝化-反硝化过程，短程硝化-反硝化可减少25%的需氧量，减少40%的有机碳源需求量，并使反硝化速率提高60%以上，从而大大提高脱氮效率。然而如何在人工湿地系统实现短程硝化-反硝化尚无深入研究。本课题假设通过控制好氧/缺氧环境的转化频率可实现人工湿地系统脱氮途径由传统硝化-反硝化向短程硝化-反硝化的转变，并大大提升脱氮效率。本项目主要研究内容包括：①研究实现短程硝化过程的调控措施；②比较短程硝化-反硝化型人工湿地与传统人工湿地在脱氮效率上的差异；③利用分子生物学分析方法考察不同调控措施下硝化菌群的动态变化，进而从微生物学角度对调控措施的有效性进行分析和评价。本研究结果对提升人工湿地脱氮效率具有重要的科学意义与应用价值。

与传统污水处理技术相比，人工湿地污水处理系统具有建设成本低、运转维护方便、运行费用低且兼具美学及生态学价值等优点。然而脱氮效率不高是困扰人工湿地进一步推广应用的主要问题之一。针对这一问题，在充分研究人工湿地脱氮机理的基础上，本研究建立了以短程硝化-反硝化为主要脱氮途径的新型人工湿地。主要结论如下：通过控制人工曝气频率及强度，可以在人工湿地系统内部实现有氧/缺氧状态的快速转化，这种有氧/缺氧状态的快速转化可有效抑制亚硝酸氧化细菌的活性并维持短程硝化过程的稳定性。当进水碳氮比较高时，通过低溶解氧（DO）浓度策略可以在人工湿地中实现短程硝化。当进水碳氮比较低时，仅使用低DO浓度策略难以保持稳定的短程硝化过程。低进水碳氮比条件下生物膜中的微弱氧梯度和Nitrospira的选择性富集都是导致维持稳定的短程硝化失败的原因。利用实时定量PCR技术等分子生物学技术，从微生物角度分别对间歇曝气和持续曝气人工湿地脱氮机理进行了分析。结果表明，在间歇曝气组人工湿地中，主要氮去除途径为短程硝化-厌氧氨氧化-反硝化耦合。但在持续低溶氧曝气人工湿地中，随着进水碳氮比的降低，其系统内主要脱氮途径会逐渐由短程硝化-反硝化为主转变为硝化-反硝化为主。短程硝化-厌氧氨氧化-反硝化过程确保了人工湿地在碳氮比为6:1-1:1情况下稳定的氨氮（84-92％）和总氮（80-91％）去除效率。然而，持续低溶氧曝气人工湿地脱氮效率随着进水碳氮比的降低快速下降。