含氮杂环化合物(Nitrogen Heterocyclic Compounds,NHCs)具有较强的毒性,若含有此类物质的工业废水未得到有效处理而排入环境后,必然会造成严重污染。通常采用硝化反硝化工艺来处理含氮杂环化合物废水,但是当废水中NH4+-N含量较低时,硝化回流液中NOx--N也较低,使得反硝化段的进水COD/NOx--N偏高,导致有机物去除率降低。因此,为寻求高COD/NOx--N条件下硝化反硝化工艺降解NHCs的有效途径,考虑将传统的缺氧反硝化段改造为厌氧同时(短程)反硝化产甲烷,通过厌氧产甲烷将短程反硝化无法利用的NHCs消耗掉,从而减少进入后续好氧硝化段的有机物量,减轻硝化有机负荷、降低动力能耗,同时获得由厌氧产甲烷降解有机物产生的生物能源。本文主要针对好氧硝化段前端的缺氧、厌氧过程进行研究,选择喹啉、吡啶、吲哚三种典型NHCs作为研究对象,分别在短程反硝化体系、厌氧产甲烷体系及厌氧同时(短程)反硝化产甲烷体系中考察这三种物质的降解特征。主要研究结论如下所述:1、短程反硝化、厌氧产甲烷体系对于NHCs的降解过程均分为吸附、适应和降解阶段。NHCs会对微生物活性产生抑制影响,导致适应阶段随初始NHCs浓度的增加而延长。与短程反硝化相比,厌氧产甲烷的适应时长约为其20~30倍。2、NHCs对微生物毒性抑制的强弱直观体现于适应阶段长短,还间接体现于生物酶活性的受抑制程度。在吸附阶段末期酶活抑制率为最大,且最大抑制率会随初始NHCs浓度的增加而增大。经过适应阶段后,短程反硝化体系内常规生物酶活性均恢复至初始水平,而厌氧产甲烷体系内仍会有一种或多种酶活未得到恢复,厌氧产甲烷菌受NHCs毒性影响要强于短程反硝化细菌。3、在短程反硝化和厌氧产甲烷体系中,根据适应阶段时长、常规生物酶活性最大抑制率、降解阶段的特征生物酶活性(亚硝酸还原酶、辅酶F420),可以判断出三种NHCs按毒性强弱排序为喹啉>吲哚>吡啶,它们按反应速率大小排序为吡啶>吲哚>喹啉。4、短程反硝化的最适COD/NO2--N随有机碳源不同而有所差别,对于喹啉、吡啶和吲哚而言,其最适COD/NO2--N分别为4、8、6。在最适COD/NO2--N下,各底物去除率接近100%,反硝化反应较为完全;若高于最适COD/NO2--N,会有碳源剩余,反之则会有氮源剩余。厌氧产甲烷在降解NHCs时,只要有足够的反应时间,有机底物去除率接近100%,按产甲烷速率大小排序为吡啶>吲哚>喹啉,它们的甲烷产率系数分别约0.234、0.250、0.163m L/mg COD。5、对于高COD/NO2--N的短程反硝化体系,以喹啉为碳源的细菌多样性较为丰富,而以吡啶为碳源的细菌种群丰度较大,系统内优势菌属包括Bellilinea sp.和Alicycliphilus sp.。对于高浓度NHCs的厌氧产甲烷体系,以吲哚为碳源的细菌多样性较为丰富,而以吡啶为碳源的细菌种群丰度较大,系统内优势细菌属包括Exilispira sp.、Longilinea sp.和Desulfomicrobium sp.;以吡啶为碳源的古菌多样性较为丰富且种群丰度较大,系统内优势古菌属均属于广古菌门的产甲烷菌。利用Q-PCR技术分别对短程反硝化和厌氧产甲烷体系的功能基因进行定量分析,结果显示以吡啶为碳源的反硝化功能基因(nir K、nir S、nos Z)和甲基辅酶M还原酶基因(mcr A)拷贝数相对较多。6、单独的短程反硝化和厌氧产甲烷体系均能对NHCs进行有效降解,但这两种方法都存在不足之处。对于短程反硝化体系,进水COD/NO2--N过高时,反硝化反应不完全,造成大量碳源剩余,导致有机物去除率偏低;对于厌氧产甲烷体系,进水NHCs浓度过高时,微生物菌群受毒性抑制作用较强,造成降解效率偏低,反应历时时间过长。7、建立了具有厌氧同时(短程)反硝化产甲烷功能的厌氧复合反应器(UBF),将其应用于处理喹啉废水,高COD/NO2--N下处理效果十分稳定,喹啉和NO2--N总去除率分别为88.83%、99%,降解效率明显高于单独的短程反硝化或厌氧产甲烷体系。该反应器最佳运行工况:污泥床的污泥龄(SRT)为30d、水力停留时间(HRT)为4h、进水p H(p H0)为7.5。8、根据UBF反应器内微生物的特征生物酶和功能基因定量分析结果,反硝化细菌主要集中于反应器的下部区域,厌氧产甲烷菌主要集中于反应器的中、上部区域,而在中、下部区域两类微生物同时存在。利用高通量测序分析两类微生物共存状态下的群落结构,细菌优势菌属包括Longilinea sp.、Comamonas sp.、Thauera sp.、Bellilinea sp.、Solitalea sp.,具有反硝化和厌氧水解、酸化功能;古菌优势菌属包括Methanosaeta sp.、Methanoregula sp.、Methanobacterium sp.,均属于广古菌门的产甲烷菌。9、UBF反应器内存在挥发性脂肪酸(VFAs)累积现象,总挥发性脂肪酸(TVFA)浓度沿反应器高度先上升后下降,出水中TVFA/COD=25.60%,厌氧产甲烷反应进行得较为彻底。10、p H沿反应器高度先上升后下降再上升,p H在6.57~7.65之间变化,基本均在对应微生物类群(包括反硝化细菌、发酵和产酸细菌、甲烷菌)的适宜p H范围内;碳酸氢盐碱度(BAlk)沿反应器高度先下降后上升,BAlk在2076~2500mg Ca CO3/L之间变化,具备良好的p H缓冲能力;氧化还原电位(ORP)沿反应器高度逐渐下降,ORP从-120降至-413.3m V,由适宜反硝化细菌的缺氧环境过渡为适宜发酵、产酸细菌的厌氧环境,再过渡为适宜甲烷菌的厌氧环境。11、UBF反应器的生物气体成分包括CH4、CO2、H2和含氮气体,平均含量比例为54.41%、44.09%、0.58%、0.92%,CH4和含氮气体的平均日产量分别为4.34L/d、0.96L/d。12、UBF反应器的细胞合成产率(YC)和甲烷转化率(M)分别为0.49、37.24%,YC高于以喹啉为碳源的厌氧产甲烷体系,而M低于以喹啉为碳源的厌氧产甲烷体系。13、随着进水喹啉浓度的增大,反硝化细菌受有机负荷(OLR)的冲击影响不大,但厌氧产甲烷菌受OLR的冲击影响较大,在较高OLR下(大于4.89g COD/L/d)UBF反应器的喹啉去除率降低。