低有机污染水的缓释碳源固相反硝化脱氮研究

在我国十一五重点完成点源控污之后的一类低有机污染水的排放，将导致以硝酸盐氮为主的总氮超标成为我国未来地表水环境污染的突出问题。固相反硝化是有效防治水环境硝酸盐氮污染的前沿技术。.本项目针对低污染水排放的水质特征开展缓释碳源固相反硝化脱氮技术的相关应用基础研究。研究内容包括：（1）适宜固体碳源的筛选及其生物降解性研究；（2）固相反硝化脱氮的反应条件优化；（3）固相反硝化脱氮过程中的微生物学研究及机理探讨；（4）固相反硝化脱氮反应器的设计与运行。.研究目标是开发一种全新的固相反硝化技术工艺应用于低有机污染水的进一步处理，为我国湖泊富营养化的氮素污染控制开辟新途径。项目选题研究具有重要的理论意义与实际应用价值。

本项目在研究PCL、PBS、PLA等可生物降解聚合物脱氮性能的基础上，研制了PCL/淀粉、PBS/淀粉、PLA/淀粉、PCL/PLA/淀粉、PHBV/PLA等多个系列共混物，通过序批实验与生物填充床反应器动态试验，研究了这些共混物作为反硝化微生物碳源和生物膜载体脱氮的可行性、影响因素及长期运行性能，并采用宏基因组方法、定量PCR等解析了生物膜的微生物群落结构。研究得到如下主要结论：.（1）常见的PCL、PBS、PLA等均可作为反硝化的固相缓释碳源，但存在经济成本比较高的问题。.（2）制备的4个系列共混物，可作为微生物碳源和载体实现水中硝酸盐氮的高效去除，淀粉的加入不仅降低了成本，而且加快了反应的启动、提高了反硝化速率。稳定运行后，共混物碳源中的PCL-S4和PBS-S3的综合脱氮性能最佳，反硝化速率分别达到0.0211和0.0209 mg/(g•h)，且成本降低了50%左右。.（3）淀粉基共混物可以持续稳定地为反硝化提供碳源，PCL-S4、PCL-S11的脱氮性能与PCL和PBS的基本相当。硝态氮负荷为0.602 kg/(m3•d)时，PCL-S4、PCL-S11、PCL和PBS的反硝化速率分别为24.69、25.44、24.60和24.83 mg/(L•h)。固体碳源反硝化速率受到温度的影响，而对pH值有较宽的适应范围。.（4）利用宏基因组方法解析了生物膜的微生物群落结构，明细与碳源种类相关。PCL、PCL-S4、PLA-S9、PBS、PBS-S3和乙醇为碳源系统中微生物均以变形菌门细菌为主，但在淀粉基共混物为碳源系统中发现淀粉降解菌门（厚壁菌门和放线菌门）细菌。在属水平填充床固体碳源样品的主要属组成比较接近，均归属于丛毛单胞菌科和红环菌科，与乙醇为碳源系统有明显差异；生物膜的定量PCR分析表明，带有nirK和nirS 两种功能基因的反硝化菌的生物量占反应器总生物量的比例为3.13 %。.（5）典型固相碳源生物填充床反应器的长效运行，在水温25℃、进水硝酸盐氮浓度为15 mg/L、HRT为0.5h时，出水硝酸盐氮浓度小于1 mg/L，且无亚硝酸盐、氨氮积累；基于固相碳源低C/N比水质特征的污染水处理工艺研究表明，能显著提高反硝化脱氮能力，TN的去除率均达85%以上。研究成果为污水处理厂一级A标准排水（TN≤15mg/L）的深度脱氮技术的工程应用提供了理论依据。