垂直潜流人工湿地中全程自养生物脱氮作用的发生与调控机制

Completely autotrophic nitrogen removal over nitrite (Canon) process is a novel nitrogen removal technology, the bottlenecks of constructed wetland treating wastewater with low C/N ratio will be solved if this process is introduced into constructed wetland. However, the establishment method of Canon in constructed wetland is still explored, the related regulatory mechanisms and microbiological characteristics are not clear yet. In the previous study, Canon process for improving nitrogen removal in constructed wetland was detected, and the microbial community structure in the system was also analyzed. In this project, a modified single subsurface vertical flow constructed wetland (VSSF) will be conducted to study the regulatory mechanisms of Canon in the system. From the two points of macroscopical process performances and microscopical biological characteristics, improvement of Canon in VSSF will be carried out at ambient temperature and low NH4+-N concentration, and the microbial characteristics in the system will be also analyzed. Optimal control of the modified single VSSF via Canon process will be conducted sequentially. Thereafter, according to the characteristics of wastewater, influences of organics on the performances of the modified single VSSF via Canon process will be investigated, and metabolic characteristics of Anammox cultivated in the system will be focused at organics conditions. In conclusion, the project aimed to provide theoretic basis and data support for the low C/N ratio wastewater treatment and the engineering application of new type of constructed wetlands.

基于亚硝化的全程自养脱氮（Canon）工艺是一种新型的污水脱氮技术，如果应用于人工湿地，可解决其在低碳氮比废水处理中的“瓶颈”。然而，该湿地工艺的构建方式尚待改进，其调控机制及微生物特性亦不明晰。在前期研究中，申请者观察到了垂直潜流人工湿地（VSSF）中的Canon作用，并对系统中的微生物群落结构进行了初步分析。本课题拟对单级VSSF中Canon作用的调控机制开展研究，从系统宏观工艺运行性能和微观生物学特征两个方面出发，强化常温和低NH4+-N浓度下VSSF中的Canon作用，并分析其微生物特性，完成对单级Canon型VSSF反应装置的优化控制，而后基于实际废水水质特点，考察不同种类与浓度的有机物对单级Canon型VSSF系统运行效能的影响，着重分析其对厌氧氨氧化菌代谢特性的影响及作用机制。本课题可为低碳氮比废水的高效、低成本处理与新型人工湿地的工程化应用提供理论依据和数据支持。

强化人工湿地（CW）中基于亚硝化的全程自养脱氮（CANON）作用，构建CANON型CW系统是当前CW强化脱氮的研究热点之一。本研究开展了CW中CANON作用的发生、优化与调控机制研究，分别以潮汐流人工湿地（TFCW）和垂直潜流人工湿地（VFCW）为试验装置，通过优化其构型及运行方式，探寻了强化不同类型CW中CANON作用的途径。从系统宏观工艺运行性能和微观生物学特征2个方面出发，得出了不同类型单级CANON型CW启动与稳定运行的最优工况参数。通过综合对比分析可知，对TFCW采取分流措施，并对其分流比进行调控是实现系统中CANON作用强化的较佳途径，而适宜填料（如海蛎壳、废砖块等）的填充则可进一步缩短和提高CANON型TFCW的启动时间与脱氮性能。而后，基于CW的工艺特点，分别考察了温度、进水中有机物种类与浓度对单级CANON型TFCW运行效能及其中功能微生物代谢特性的影响和作用机制，着重解析了不同条件下系统中氮素迁移转化的变化规律，并尝试了若干应对措施以期确保CANON型TFCW在运行过程中的高效与稳定。研究发现，当温度＞15℃时，CANON作用始终是该TFCW中脱氮的主要途径；而当温度＜15℃后，Anammox菌的丰度与活性在10和5℃下分别出现不同程度的降低，进而改变了系统中的氮素转化途径，使其脱氮性能出现不同程度的恶化。在10℃时，定期反冲洗与厌氧运行措施可有效抑制NOB的过量增殖，有助于维持CANON作用在TFCW中的稳定性，并可确保其高效的脱氮性能。另一方面，CANON型TFCW的进水碳氮比（C/N）宜≤6.0，此时系统中会形成同步亚硝化、厌氧氨氧化与反硝化（SNAD）耦合反应体系，使其脱氮效果进一步强化；而当进水C/N＞6.0时，AOB活性受到抑制，数量逐渐减少，TFCW中的厌氧氨氧化作用与反硝化作用受阻，系统脱氮性能随之恶化。本课题可为低C/N废水的高效、低成本处理与新型人工湿地的工程化应用提供理论依据和数据支持。