本课题利用中国工程物理研究院绵阳中物热分析仪器有限公司开发的RD496-2000微量量热仪,研究了稳定运行的SBBR单级自养脱氮反应器内的自养脱氮过程。在控制条件下,取自SBBR反应器具有单级自养脱氮功能的活性污泥在微量热仪的反应容器内会发生一系列生物化学反应,因这些生物化学反应引起的热能变化由微量热仪记录,得到反应的热能历时曲线——热谱图。利用热谱图,从热效应的角度研究单级自养脱氮过程,构建热动力学模型,从过程热效应角度阐释氨氮的去除机理。微量热仪供气系统气体流量控制在6ml/min,气流压力控制在0.06Mpa,在此条件下,活性污泥与营养液混合状况良好。量热仪测试系统的灵敏度S值随着测试环境条件的不同而发生一定的变化,在本研究控制条件下,S值取63μV/mW。实验中采用注射法向微量热仪反应池活性污泥内添加营养物。在95%置信度区间内,本实验误差在10%以内。在实验控制条件下,微量热仪反应池内自养脱氮污泥中的氨氮并没有完全参与自养脱氮途径的物质反应,有部分氨氮以氮素的其他形式存在于整个污泥系统中。按照SHARON-ANMMOX组合工艺计算的氨氮转化理论热值与实验测定的实际放热值相差较小,同时,从热效应的角度计算的脱氮效率与实际测定的值也很接近(83%)。由热谱图看出,当加入一定的亚氮或羟氨氮时,自养脱氮系统依然可以运行。通过向微量热仪反应池内的自养脱氮污泥中加入不同浓度的氨氮、亚氮、羟氨氮营养液来研究各生物反应过程的热谱图,从微量热法的角度揭示出:在自养脱氮系统中存在氨氮、亚氮、羟氨氮的三角循环过程,即氨氮与亚氮通过羟氨氮完成自养脱氮的转化。对注射氨氮时得到的放热图谱分别采用限制性微生物代谢指数模型和广义Logistic生长热动力学模型进行解析。将限制性微生物代谢指数模型放热图谱分成热增与热减两个阶段进行描述,分别构建了热增动力学模型与热减动力学模型。模型中的k参数反映了体系总热的变化速率,k的绝对值越大,体系的热变化越快。热增动力学模型中的k>0,表示体系总热处于积累增加的过程;热减动力学模型中的k(-0.0017)<0,表示体系总热处于耗散减少的过程。K值的绝对值大小与热谱图曲线的斜率大小趋势一致。氨氮代谢热增阶段热动力学模型计算出的k的绝对值(0.0095)大于热减阶段的k的绝对值(0.0017),反映本SBBR系统中热积累速率比热耗散速率快。广义Logistic生长热动力学模型中,包含了限制性动力学中的两个阶段, k值反应了整个热反应过程中细菌代谢速率常数,k值越大则反应单位时间内,微生物代谢越旺盛,体系中总热量的累积速率越大。在本实验中,广义Logistic模型k=0.0032>0反映了在单位时间内,体系中总热量的累积处于上升的趋势。v值反映了自养脱氮细菌,在有限的底物浓度下,对氨氮的降解程度。v=-0.8375>-1,即氨氮转化率为83.75%,与本实验中氨氮90%的转化率相符。从微量热力学角度对自养脱氮途径进行研究,容易确定最优的控制条件,从而避免常规繁琐的物质检测,为生产实践中自养脱氮过程监控提供新的手段。由于自养脱氮过程是多种微生物共存的耦合热反应,如何通过总反应热谱图的解析揭示其内在的反应机理还有待于进一步研究。