盐度动态变化下的O/A-SBR脱氮系统N2O产生机理及动力学研究

The sewage of high saline (mainly NaCl) wastewater restricts biological nitrogen removal efficiency seriously and increases nitrous oxide (N2O) emission sharply in municipal wastewater treatment plants (WWTPs). N2O is a strong greenhouse gas, and the emission of N2O must be strictly restricted. Non-saline acclimation and saline acclimation nitrogen removal systems with process of aerobic-oxic/SBR (A-O/SBR) are established. Nitrogen removal efficiencies, N2O emissions and microbial population are determined during periodic tests of the two salinity acclimation systems. Stepwise inhibition tests and 15N isotope tracing tests are developed to explore the nitrogenous contaminants and N2O conversion pathways during nitrification when enduring salinity shock in practical WWTPs. The synthetic effects of salinity and two key factors (COD/N ratio and terminal electron acceptor) that influence N2O production during denitrification are revealed by using orthogonal tests. Then the importance degree of the three impact factors on N2O production during denitrification is sorted through the analysis of range. The activities of series nitrification and denitrification enzymes when under salt stress are measured to analyze the mechanism of N2O productions. The kinetic model of N2O production when enduring salinity shock are built by introducing special switching functions into existing N2O production models. This project provides mechanism analysis and control strategy for N2O reduction for practical WWTPs when enduring salinity shock.

高浓度盐分（主要为NaCl）污水的排放严重制约市政污水处理厂的生物脱氮效能并引起一氧化二氮（N2O）释放量的剧增。N2O是一种强温室气体，其排放得到严格控制。本项目基于污水厂进水盐度突然上升，开展一系列小试实验。采用分步抑制法和15N同位素示踪法揭示盐度影响下硝化过程的含氮污染物及N2O转化途径；设计正交实验揭示盐度与反硝化两个关键影响因素（COD/N比、最终电子受体种类）协同影响下的N2O产生量，并采用极差分析法对三个影响因素重要性进行排序。测定盐分胁迫下的硝化系列酶活性，分析盐分影响下脱氮效率及N2O释放机理。基于已有生物脱氮过程N2O释放动力学模型，引入盐度影响的开关函数，构建盐影响影响下的N2O产生动力学模型。本项目的实施既可为盐度动态变化对生物脱氮系统N2O产生影响的机理提供理论研究意义和为实际污水处理厂N2O减量化提供实际调控策略。

本项目以不同盐度模拟污水为处理对象，短期盐度冲击批次试验，系统研究了盐（NaCl）对硝化、反硝化效率及N2O产生量的动态影响，并从微生物酶活性及分子生物学角度分析了盐度对脱氮效果及功能微生物种群的影响，同时结合分步抑制法和15N同位素标记技术揭示了盐度长期驯化及短期冲击影响下的硝化过程中氮素转化规律及N2O转化途径，为盐度引起的N2O产生及机理分析提供依据，从而为N2O减排提供了理论支持和调控策略。.（1）从酶及分子生物学角度分析了不同盐度长期驯化对微生物酶活性的影响。与不含盐驯化系统相比，盐度长期驯化抑制了微生物种群的整体活性，且耗氧微生物比非耗氧微生物受到盐度抑制的程度更高。荧光原位杂交（FISH）技术显示部分亚硝酸盐氧化菌（NOB）被淘汰出高盐度驯化系统。.（2）为了揭示盐度冲击及盐度长期驯化对硝化阶段N2O产生途径的影响，对比了单一含氮基质和混合含氮基质条件下的N2O转化途径。单一含氮基质（NH4+）采用分步抑制方法；而以混合含氮基质（NH4+和NO3-）采用15N同位素标记方法。盐度冲击（7.5和10 g NaCl/L）引起的N2O较高产生量主要是通过硝化菌反硝化（ND）途径产生。通过含盐污水对活性污泥进行长期适盐驯化可以降低N2O产生量，同时也改变了N2O产生途径：在适盐驯化系统中，ND和偶联硝化反硝化（NCD）途径产生的N2O占总N2O量的比例有所增加。.（3）考察了盐度冲击在不同COD/N（0、2和4）及最终电子受体（NO3-和NO2-）条件下对反硝化效率及N2O产生量的协同影响。实验结果显示：本实验中影响反硝化过程N2O产生的最重要影响因子是NaCl浓度。胞外乳酸脱氢酶（LDH）及胞内活性氧簇（ROS）分析显示盐胁迫对微生物的抑制主要是通过渗透压作用。.（4）基于已验证的N2O产生模型，将NaCl盐度影响因素引入硝化及反硝化动态方程中。采用本实验数据进行模型应用并结合加速遗传算法程序拟合，计算NaCl对硝化及反硝化N2O产生相关步骤的抑制系数，为含盐废水产生N2O提供模型分析。.