基于电极生物膜的厌氧氨氧化同步脱硝酸盐机理与工艺研究

With low economy and high-efficiency, anaerobic ammonia oxidation (Anammox) process attracted much attention by researchers. However, 10% of influent total nitrogen could be produced in the form of nitrate by anammox reaction and the nitrate removal should integrate heterotrophic denitrification biomass with COD addition. Thus, combining anammox with autotrophic denitrification biomass was important for theoretical research. This project will integrate the technology of biofilm electrode reactor, anammox and hydrogenotrophic denitrification to investigate the study of combining anammox with hydrogenotrophic denitrification process for nitrogen removal by electrochemical technology. First, the effects of different electrochemical conditions on the anammox and hydrogenotrophic denitrification process would be investigated to explore whether anammox and hydrogenotrophic denitrification biomass could grow together under the same electrochemical condition or not. Subsequently, the electrode biofilm performance, community succession and distribution of function microorganisms under the different electrochemical conditions would be explored. The aims of this project are to deepen our understanding of autotrophic nitrogen removal by coupling multi-species, reveal the regulations of combined electrochemical technologies and anammox process and expand the application range of anammox and the integrating anammox process.

厌氧氨氧化工艺以其经济性和高效性引起了研究者的广泛关注。然而，厌氧氨氧化过程会导致10%左右的总氮变成副产物硝氮，通过结合异养反硝化细菌实现单级完全脱氮会面临需要严格控制有机物添加量的问题。因此，将厌氧氨氧化技术与自养反硝化技术相结合去除硝酸盐氮具有重要的理论研究价值。本项目拟将电极生物膜、厌氧氨氧化和氢自养反硝化技术相结合，利用电化学方法辅助厌氧氨氧化和氢自养反硝化细菌进行协同自养脱氮，探索电化学影响下的厌氧氨氧化和氢自养反硝化细菌协同脱氮规律。首先，试图揭示电化学参数分别对两种功能性微生物的活性影响规律，并探索两种微生物在同一电化学条件下的协同脱氮性能；随后，对电化学影响下的两种功能性微生物的电极生物膜响应和群落多样性演替、分布规律进行考察。本项目的研究有助于深化人们对多菌群联合自养脱氮的认识，进一步揭示电化学技术与厌氧氨氧化工艺相结合的规律，拓展厌氧氨氧化及其耦合工艺应用范围。

厌氧氨氧化工艺作为一种新型的生物脱氮工艺，具有经济、节能、高效和环境友好的特点。然而，厌氧氨氧化反应会产生约10%的硝酸盐氮，该部分硝酸盐氮无法通过单一的厌氧氨氧化工艺去除。因此，本项目通过电极生物膜技术耦合厌氧氨氧化工艺和氢自养反硝化工艺，协同完成总氮的完全去除。首先，采用电极生物膜技术耦合了厌氧氨氧化和自养反硝化工艺，考察了耦合工艺的脱氮性能。实验发现，当电压为1.5 V时，耦合工艺既能够保证出水中硝酸盐的完全去除又不会对厌氧氨氧化细菌活性产生抑制，具有最佳的脱氮效果。当进水亚硝氮和氨氮比例比例调整为1.5时，耦合工艺的氮去除效率最高达到了99.1%，其中厌氧氨氧化细菌和反硝化细菌分别承担的总氮去除比例分别为79.4%和19.7%。其次，在常温下，实验通过电化学技术耦合了厌氧氨氧化工艺和自养反硝化工艺，成功的去除了厌氧氨氧化反应器内的硝氮。实验发现，同样当电压为1.5 V时，耦合工艺既能够保证出水中硝酸盐的完全去除又不会对厌氧氨氧化细菌活性产生抑制，具有最佳的脱氮效果。当进水亚硝氮和氨氮比例比例调整为1.5时，耦合工艺的氮去除效率最高达到了98.9%，其中厌氧氨氧化细菌和反硝化细菌分别承担的总氮去除比例分别为80.4%和18.4%。最后，针对电极生物膜厌氧氨氧化工艺挂膜效率低的缺点，考察了磁性颗粒的加入对于电极生物膜厌氧氨氧化反应器的影响。主要通过不同形式磁性Fe3O4颗粒的加入考察厌氧氨氧化细菌的挂膜效率和脱氮效率的变化。实验结果表明，磁性Fe3O4 粉末的加入，加快了厌氧氨氧化细菌的挂膜效率，使得电化学作用效率更高，厌氧氨氧化细菌活性和细胞增长速率更快。本项目的研究揭示了电化学技术、厌氧氨氧化工艺、氢自养反硝化工艺相结合的规律，有助于深化人们对厌氧氨氧化微生物自养脱氮的认识，对于厌氧氨氧化及其耦合工艺的拓展应用具有重要的意义。.