【摘 要】
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生物法去除废水中硝酸盐是应用最为广泛的污水处理方式。然而目前生物法主要以有机物为碳源和电子供体促进功能微生物生长并驱动NO3-还原,增加污水处理运营成本的同时可能造成水体二次污染。污水处理厂的污泥厌氧消化过程产生的温室气体甲烷,是一种清洁低廉的电子供体,若作为碳源使用,其低溶解度不会对水体造成二次污染,同时可减轻温室效应,并对污水处理过程中碳源和能源回收起到积极作用。基于此,本研究以甲烷为电子供体
【基金项目】
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国家自然科学基金青年项目（项目号:31800115）
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生物法去除废水中硝酸盐是应用最为广泛的污水处理方式。然而目前生物法主要以有机物为碳源和电子供体促进功能微生物生长并驱动NO3-还原,增加污水处理运营成本的同时可能造成水体二次污染。污水处理厂的污泥厌氧消化过程产生的温室气体甲烷,是一种清洁低廉的电子供体,若作为碳源使用,其低溶解度不会对水体造成二次污染,同时可减轻温室效应,并对污水处理过程中碳源和能源回收起到积极作用。基于此,本研究以甲烷为电子供体驱动硝酸盐还原,采用无泡中空纤维膜供气方式,构建膜生物膜反应器,提高甲烷气液传质效率;以含硝酸盐污水为研究对象,考察本反应器去除硝酸盐氮的效能及甲烷利用率。在此基础上,通过原位批次实验、微生物群落结构及功能基因解析,分析影响本反应器硝酸盐去除效能的关键因素,为实现高效低碳的硝酸盐去除工艺提供理论基础和实践支撑。首先构建甲烷基质膜生物膜反应器（CH4-MBf R）,分析水速及甲烷分压对甲烷传质的影响,选择适宜的传质条件富集功能微生物。甲烷分压为0.05 MPa时,0.6m/h至3.4 m/h的水速下甲烷气液传质系数均在0.229 h-1左右。水速为2.6 m/h时,随着甲烷分压由0.05 Mpa增加到0.14 MPa,甲烷气液传质系数由0.22 h-1增大到0.51 h-1。综合考虑甲烷传质效率和微生物挂膜,在循环水速2.6 m/h,甲烷分压0.11Mpa条件下富集微生物,62 d后,反应器硝酸盐氮去除效率可达200 mg NO3--N/L·d,此外,富集期间反应器内检测到大量挥发酸,最高挥发酸量为938.6 mg/L,主要为乙酸和丙酸,其浓度分别达到835.6mg/L,丙酸103.0 mg/L。为考察本反应器对硝酸盐废水的处理效能,在进水含200 mg NO3--N/L条件下,将水力停留时间（HRT）由2 d逐步缩短至0.5 d,相应硝酸盐氮去除速率为99.8 mg/L·d、199.8 mg/L·d和320.0 mg/L·d。在兼具高去除速率和高去除率的最适HRT 1 d条件下,将进水硝酸盐氮浓度依次增加到400 mg/L、600 mg/L,发现本反应器最高硝酸盐还原速率可达398.2 mg NO3--N/L·d。在反应器运行各阶段也检测到少量挥发酸,低于90 mg/L。通过COD碳平衡计算发现,CH4-MBf R对甲烷的生物转化率高达84.8%,表明中空纤维膜曝气可减少甲烷以气泡形式逸出导致的浪费;同时被微生物利用的甲烷中高达91.6%的甲烷能被用于硝酸盐还原。为进一步探明影响CH4-MBf R硝酸盐去除效能的关键因素,开展了四组原位批次实验并解析了本反应器内的微生物群落结构及功能基因。批次生物化学反应机理、功能微生物（异养反硝化菌、产乙酸菌、甲烷营养菌）及功能基因（nar G、nap A、nir K、nir S、pmo A）的存在共同揭示了本反应器去除硝酸盐氮的路径,即本研究中甲烷为电子供体驱动的硝酸盐生物还原过程由挥发酸作为中间产物介导异养反硝化完成,这意味着CH4-MBfR内挥发酸的生成量可作为调控硝酸盐去除效能的关键因子。
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