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单级自养脱氮工艺是指在一个系统内由自养菌实现NH4+至N2全部转化过程的一类工艺,在处理低C/N比废水方面极具潜力。由于该工艺在控制运行和机理方面有很多难点没有得到很好解决,限制了其在实际工程中的应用。本论文系统地研究了构建单级自养脱氮系统的方法,探讨了运行控制条件对单级自养脱氮工艺的影响机制和单级自养脱氮系统运行的适宜组合工况,并通过对比系统内生物膜和悬浮污泥的单级自养脱氮特性,分析了单级自养脱氮系统内起主导脱氮作用的污泥形式,同时深入研究了单级自养脱氮系统的氮素平衡和NH4+的去除途径。采用4组SBBR(Sequence Batch Biofilm Reactor)反应器构建单级自养脱氮系统,并研究了构建单级自养脱氮系统的适合条件和方法,结果表明:构建单级自养脱氮系统的过程可分为亚硝化启动和单级自养脱氮实现两个阶段。亚硝化启动阶段中系统内的NO2-积累率较高,但系统的脱氮性能较差。单级自养脱氮实现阶段中,系统内的NH4+迅速被转化,NO2-和NO3-基本无积累,单级自养脱氮性能得到提高;间歇曝气和连续曝气两种曝气方式均可构建单级自养脱氮系统,但间歇曝气系统所需的DO(Dissolved Oxygen)浓度高于连续曝气系统;DO过高(连续曝气条件下DO超过1.5mg/L)易导致系统内发生全程硝化反应,不利于构建自养脱氮系统;过低的DO(连续曝气条件下DO低于0.8mg/L)则将延长构建单级自养脱氮系统的时间;单级自养脱氮系统的HRT(Hydraulic Retention Time)应根据一个运行周期内DO和NO3-浓度的突升点来确定,随系统的曝气方式和DO等运行条件进行调节;软性组合填料和弹性立体填料均较多面空心球填料有利于快速挂膜,且软性组合填料较弹性立体填料更有利于微生物的附着,以构建稳定运行的SBBR单级自养脱氮系统;通过T-A克隆的方法,在单级自养脱氮系统中发现2类不同的AOB序列,一类与氨氧化菌标准菌株Nitrosomonas有98%的较高相似性,另一类则与其它一种未得到纯培养的AOB接近,相似性为99%。存在的NOB比较单一,与Nitrospira相似性达到100%。AMAMMOX种类丰富,检测到11种不同ANAMMOX基因序列,与典型的厌氧氨氧化菌具有较高的相似性,相似性分别达到97~99%,主要归属于Candidatus Kuenenia stuttgartiensis及Candidatus Brocadia fulgida两个属。利用已建立的SBBR单级自养脱氮系统,调节其运行控制条件至不同水平,研究了曝气方式、DO、温度和pH值对单级自养脱氮工艺的影响机制及单级自养脱氮系统运行的最适组合工况,结果表明:间歇曝气条件下,单级自养脱氮系统的曝气时间与停曝气时间基本相当时较有利于提高系统的脱氮性能;单级自养脱氮系统的DO浓度应根据曝气方式进行调节。连续曝气和间歇曝气(曝停比为2h:2h)的单级自养脱氮系统的最适DO浓度分别为1.5mg/L和2.0mg/L;DO过低将降低亚硝化反应速率,并导致ANAMMOX(Anaerobic Ammonium Oxidation)反应因缺乏足够的反应物质而无法快速进行,从而降低单级自养脱氮系统的脱氮性能。过高的DO则会破坏生物膜内部的厌氧区,降低ANAMMOX的反应速率,在O2存在的条件下,剩余的NO2-则进一步被氧化为NO3-,不利于NH4+的有效去除;间歇曝气SBBR单级自养脱氮系统的最适温度为30℃。在一定温度范围内(不大于30℃),温度的升高有助于提高系统的NH4+转化速率和脱氮效能。但温度达到35℃时,ANAMMOX反应速率较低而不能把亚硝化反应生成的NO2-全部转化为N2,在系统内DO浓度(2.0mg/L)较高的条件下,部分NH4+将通过全程硝化反应被氧化为NO3-;间歇曝气SBBR单级自养脱氮系统的最适pH值为8。pH值为8左右时,系统内亚硝化和ANAMMOX的反应速率较快,且二者反应速率相当,有利于亚硝化反应和ANAMMOX反应的联合脱氮,单级自养脱氮系统的脱氮性能较好。以单级自养脱氮系统内的生物膜(包括填料上的生物膜和反应器内壁上的生物膜)和悬浮污泥为研究对象,研究了生物膜和悬浮污泥的亚硝化反应、好氧NO2-氧化反应、ANAMMOX反应和单级自养脱氮活性,对比了生物膜和悬浮污泥的自养脱氮特性,并深入分析了造成其自养脱氮性能差别的根本原因及起主导脱氮作用的污泥形式。结果表明:单级自养脱氮系统内填料上生物膜的最大亚硝化反应活性、好氧NO2-氧化活性、ANAMMOX反应活性和单级自养脱氮活性分别为0.153±0.0064 gN·gVSS-1·d-1、0.0087±0.0016 gN·gVSS-1·d-1、0.282±0.0086 gN·gVSS-1·d-1和0.207±0.0045 gN·gVSS-1·d-1;单级自养脱氮系统反应器内壁上生物膜的最大亚硝化反应活性、好氧NO2-氧化活性、ANAMMOX反应活性和单级自养脱氮活性分别为0.167±0.0087 gN·gVSS-1·d-1、0.0045±0.0016 gN·gVSS-1·d-1、0.313±0.014 gN·gVSS-1·d-1和0.298±0.0060 gN·gVSS-1·d-1;单级自养脱氮系统内悬浮污泥的最大亚硝化反应活性、好氧NO2-氧化活性、ANAMMOX反应活性和单级自养脱氮活性分别为0.137±0.0080 gN·gVSS-1·d-1、0.045±0.0038 gN·gVSS-1·d-1、0.095±0.0052 gN·gVSS-1·d-1和0.099±0.011gN·gVSS-1·d-1;填料上生物膜和反应器内壁上生物膜的亚硝化反应活性、ANAMMOX反应活性和单级自养脱氮活性均高于悬浮污泥,好氧NO2-氧化活性则低于悬浮污泥。生物膜比悬浮污泥更有利于形成好氧与厌氧共存的微环境使亚硝化和ANAMMOX反应顺利进行,在单级自养脱氮系统内起主导脱氮作用。利用现代物质分析测试手段,监测了密闭单级自养脱氮系统内,气相和液相中生成的氮化合物的种类及其含量,研究了系统的氮素平衡和NH4+去除的主要形式,结果表明,单级自养脱氮系统内62%的NH4+在微生物的作用下被转化为NO2-、NO3-、NH2OH、N2H4、NO、NO2、N2O和N2等多种氮化合物,其中N2占90.07%,是NH4+转化的主要产物形式。根据单级自养脱氮工艺的几种机理假说及脱氮反应,配制不同的模拟含氮废水,监测不同进水条件下,系统内氮化合物种类及其含量的变化,研究了单级自养脱氮系统内氨氮的去除途径。结果表明:单级自养脱氮系统内6.72%的氨氮是通过吹脱等物化作用去除的,不超过6.02%的氨氮是通过传统硝化反硝化途径去除的,87.26%左右的氨氮是由自养脱氮途径去除的,自养脱氮反应起主要脱氮作用;在足够NO2存在且缺氧的条件下,单级自养脱氮系统内的出水氨氮浓度与空白反应器相当,NH4+并没有被亚硝化单胞菌以NO2为电子受体氧化为NO2-和N2等化合物而得以去除,可能是因为系统内不存在该代谢功能的亚硝化功能菌;单级自养脱氮系统内存在两条ANAMMOX反应途径:其中一条途径即NH4+在好氧条件下被氧化为NH2OH后,生成的NH2OH与系统内的NO2-在缺氧条件下被转化为N2O,N2O则进一步被转化为N2而实现氮的去除;另外一条途径即NO2-首先被还原为NH2OH,生成的NH2OH则与系统内的NH4+反应生成N2H4,N2H4继续被转化为N2而实现氮的去除。