硝酸盐型-SOAD反应器中硝酸盐异化还原成铵机制研究

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硝酸盐异化还原为铵(Dissimilatory nitrate reduction to ammonia,DNRA)的发现表明反硝化已不再是硝酸盐还原的唯一途径,它在生态和实际工程的各个方面不同程度的影响着人类,因此我们有必要研究DNRA过程来更好的理解氮循环,并为我们的污水处理工艺提供新思路。本研究分别在SBBR和SBR反应器中启动了硝酸盐型-SOAD工艺,实现了氮硫的同步去除。在反应器成功启动后,在五种S/N下,尝试实现呼吸型DNRA过程的驯化,现主要结论如下:(1)SBBR-SOAD反应器中,S/N=1.3:1时,实现了氮硫的同步去除。在S/N=1.5:1时,反应器中生成的NH4+-N最高可达11.62±0.63 mg/L,DNRA过程可占反应器中反应的35.3±2.3%,实现了呼吸型DNRA过程的驯化。继续增加硫化物浓度,反应器中的NH4+-N的浓度并没有增加,可能是因为硫化物的浓度过高,系统的p H也较高,导致微生物活性受到影响。(2)硫化物浓度的增加,会抑制反硝化作用,驱动部分电子从S2-到NH4+,从而通过DNRA过程产生铵。在条件D、C、E中,NO2--N瞬时积累的现象表明亚硝酸盐还原成铵这一步骤很可能是DNRA过程的关键环节,是SOAD与DNRA过程的分支点。(3)p H的变化表明硫化物的氧化可能分为两步:首先,硫化物先被氧化成元素硫或者硫的其他形态;然后,再被氧化成硫酸盐。ORP可以间接指示系统内反应的类型和进程。当系统中只有SOAD过程时,ORP有两个膝点,并且分别指示着硝酸盐和亚硝酸盐完全反应的时间。当系统同时存在SOAD和DNRA这两个反应过程,硝酸盐膝点和亚硝酸盐膝点合并。系统存在DNRA过程时,系统的ORP基本都保持在-350m V以下。(4)微生物群落分析表明,在SBBR-SOAD反应器中,最主要的优势菌属就是硫杆菌属(Thiobacillus)。不同条件中,具有DNRA功能的菌属有所不相同,Ignavibacterium在条件A(1.28%)、B(0.64%)、C(0.02%)中的相对丰度逐渐下降,嗜氢菌属(Hydrogenophaga)仅存在于条件B(0.49%)、C(0.96%)中,Haliangium(0.27%)和Leptolinea(0.31%)仅存在于条件A中。地杆菌属(Geobacter)仅存在于条件D(0.68%)、E(0.67%)中。条件A和B中硫化物浓度相对较低导致DNRA现象不明显,而条件C、D、E中,高浓度的硫化物使得反应器中DNRA过程的占比增加。(5)SBR-SOAD反应器中,增加S/N,反应器有NH4+-N生成,但是反应器的污泥浓度一直在下降。反应器不同条件下的优势菌属都是硫杆菌属(Thiobacillus)等具有硫自养反硝化功能的菌属。微生物监测却没有发现具有DNRA功能或者具有nrf A基因的菌属,说明生成的NH4+-N很有可能是微生物死亡所产生的,而不是由DNRA过程产生。SBBR-SOAD反应器中生物膜填料为微生物提供附着的场所,可以于污水充分接触,能够应对硫化物浓度提高带来的冲击。而SBR-SOAD反应器应对硫化物冲击的能力相对较弱,导致微生物大量死亡从而产生氨氮。
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