电气石强化生物低温硝化效能的机制研究

Based on the research results of our laboratory in earlier stage, we plan to use tourmaline to improve the efficiency of nitrification because of the long period of low temperature in winter in northern area of China. This project will involve analysing the effect of characteristics of tourmaline to nitrifying bacteria and nitrification key enzyme of niteification by advanced materials structure analysis and molecular biology analysis. By comparing the effect of tourmaline to improved tourmaline on the effect of nitrification,mechanism of reflexive electrode made by tourmaline improving the efficiency of nitrification can be attained. Moreover, a compeletly new method of improving the efficiency of nitration of sewage in the cold area will be created, and the parameter of regulation will be available. Furthermore, the results will provide a technical support and a theoretical basis for the nitration in the northern area.

针对我国北方地区冬季低温期长导致的城市污水硝化效率低这一关键问题，根据实验室前期研究成果，通过电气石强化低温生物硝化效能进而达到提高低温期城市污水硝化效率。利用先进的材料学结构分析和分子生物学解析手段，确定电气石特性对硝化细菌以及硝化关键酶的影响；通过比较电气石和改性电气石对硝化过程的影响，得到电气石自反电极增强硝化过程的机理；进而构建一种新的提高低温条件下城市污水硝化效能的技术方法，并通过小试获得调控参数，为我国北方广大地区污水低温硝化反应提供理论依据和工艺指导。

十二五期间，国家污水处理目标不仅有COD、SS，还补充了氮、磷指标，对排放至水体的氨氮浓度有严格要求。但是传统的生物脱氮系统硝化效果无法满足国家日益严格的排放要求。通过电气石强化低温生物硝化效能，得到电气石自反电极增强硝化过程的机理；进而构建一种新的提高低温条件下城市污水硝化效能的技术方法。.本研究从电气石用量、搅拌条件、利用次数和放置时间等角度出发，探讨电气石对水的pH值、DO值和电导率值的作用和影响。经试验论证，电气石可有效调节水体pH值至弱碱性（8.0），提高水体电导率和溶解氧浓度，这主要是由于电气石的自发电极特性。除了对水性质的影响，实验还分别从微生物生理和生态角度出发，探讨电气石对微生物本身及酶活性的影响。结果表明，电气石可促进氨氧化细菌（亚硝化单胞菌）生长繁殖，缩短迟缓期，提高细菌菌量，提高细菌酶活性。同时，电气石长期作用还对活性污泥菌群的群落结构造成影响，对原本受温度及pH影响的硝化菌群有着促进作用。.本研究发现，电气石经热处理后，物理状态、内部结构（SEM）和红外吸收光谱均发生变化，自发电极特性增强；电气石自发电极特性的增强，直接影响电气石对水体（pH、DO和电导率）和氨氧化速率的作用，提高水体pH值、DO值和电导率的同时，有效促进氨氧化细菌的生长和氨氮的氧化；400℃-800℃煅烧条件下，电气石的自发电极特性明显，当煅烧温度达到1000℃时，由于内部结构遭到破坏，电气石的电极特性消失，对水体和氨氮氧化不再影响；通过氨氮氧化动力学模型发现，400℃煅烧电气石作用下氨氧化速率达到最大，为3.007 mg/(L•h)。.研究以水性聚氨酯（waterborne polyurethane）为介质，导入电气石，制备负载电气石的聚氨酯(tourmaline on polyurethane, TPU)载体。用扫描电镜（SEM）、持水倍率、孔隙结构、表观密度表征载体的物理性能，并且考察TPU载体对挂膜量及硝化能力的影响。首先在实验室低温条件下（5-12℃）小试从动态方面对比研究TPU接触氧化系统和活性污泥系统的生物活性及对城市生活污水的处理效果。通过曝气量、pH值确定最佳挂膜启动参数，通过温度、水力停留时间确定最佳运行参数。其次在污水处理厂低温条件下，稳定运行30d，TPU接触氧化系统对COD、NH4+-N、TN、TP的平均转化率效果比活性污泥系统高。