颗粒污泥自营养脱氮的NOx强化机理与微生物种群动力学

运行颗粒污泥自养脱氮（CANON）SBR反应器，研究NOx强化自营养脱氮机理与微生物种群动力学。进行微量NO2强化自养脱氮以及区分氨氧化菌反硝化和厌氧氨氧化的间歇试验；运用微电极实测中间产物NO及其在颗粒污泥中的分布；基于各种涉氮生物化学反应和总氮平衡，探讨微量NO2强化生物脱氮机理；结合CANON颗粒污泥中好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的分子生物学分析与检测，定性鉴别和定量测定颗粒污泥中的微生物种群及其分布；基于个体生物模型(IBM)与活性污泥模型(ASM)，发展颗粒污泥微生物种群动力学模型；构建CANON颗粒污泥SBR反应器动力学模型；以提高反应器脱氮速率和效率以及降低中间气体(NO和N2O)产物排放量为目标，优化CANON颗粒污泥SBR反应器运行参数。研究成果将进一步揭示微量NO2强化自养脱氮机理，为调控和微量NO2强化颗粒污泥SBR反应器自养脱氮性能提供理论依据和技术方法。

实验研究了CANON过程影响因素(DO、NH4+-N、pH)，确立了CANON系统的优化运行条件，建立了CANON 的SBR反应器动力学模型。研究了NO2强化好氧氨氧化和厌氧氨氧化的机理， NO2强化好氧氨氧化和厌氧氨氧化的动力学特性，建立NO2强化全自养脱氮动力学模型。探索了微量N2H4对恢复和强化CANON系统的作用，实现了自营养脱氮系统在微量N2H4强化下的长期稳定运行。探索了N2H4强化CANON系统的机理，N2H4能够增加AnAOB的比增长速率及其活性；N2H4抑制AOB和亚硝酸盐氧化菌的活性，N2H4对于好氧氨氧化的抑制类型为竞争性抑制，对亚硝酸盐氧化的抑制类型为非竞争性抑制，后者强于前者；建立了N2H4抑制好氧氨氧化和亚硝酸盐氧化的动力学模型。微生物种群定性和定量结果显示，CANON系统中AOB主要为亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas)和亚硝化球菌属（Nitrosococcus）；NOB主要为硝化细菌属中Nitrobacter winogradskyi、Nitrobacter vulgaris和Nitrobacterhamburgensis三类；AnAOB确定为CandidatusScalindua属；建立了CANON 颗粒污泥微生物种群一维和二维动力学模型。添加N2H4后AOB及NOB种群数量均有所减少，而AnAOB种群数量明显增加。添加N2H4明显减少了CANON系统N2O的产生，CANON系统中N2O主要产生于AOB的羟胺生物氧化及AOB的自营养反硝化途径。项目的研究成果为认识NO2和N2H4强化CANON系统的机理和规律，了解厌氧氨氧化代谢途径以及探索CANON系统稳定运行新途径，提供了重要的科学依据和基础资料；通过进一步优化运行参数和条件，可以推动CANON系统应用于工程实际，为解决自营养脱氮系统难以长期稳定运行提供了一种有效的方法。