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同步硝化反硝化(simultaneous nitrification and denitrification,SND)是在同一个反应器中实现硝化和反硝化过程的生物脱氮技术。与传统生物脱氮工艺相比,具有工艺流程简单、碳源和碱度投加量少,且耗氧量低等优点,是一项极具发展潜力的新型生物脱氮技术。然而,生物脱氮的代谢过程中不可避免地会释放出一种温室气体N2O,N2O的温室气体是CO2的310倍,且会对大气层中的臭氧产生破坏作用。因此,研究同步硝化反硝化过程中N2O的产生过程和控制N2O的释放具有积极的现实意义。本研究着重研究在不同运行模式下同步硝化反硝化过程的脱氮特性和N2O释放特征,通过调节连续好氧和缺氧-好氧两种运行方式使SND体系实现高效脱氮和N2O的减量化,并采用高通量测序分析与N2O释放相关的微生物种类,为调控SND中N2O的排放提供理论依据。此外,文章还研究了这两种运行模式下SND在不同进水有机负荷下的脱氮效果和N2O释放情况。在连续好氧模式和缺氧-好氧模式下,经过两个月的培养分别成功驯化了好氧颗粒污泥,获得了稳定的脱氮效果。其中,连续好氧SND的总氮去除率和SND效率分别达到64.8%和82.3%,缺氧-好氧SND的总氮去除率和SND效率分别达到82.6%和93.2%。连续好氧SND中N2O-N的平均释放量是7.34mg/Cycle,占总氮去除量的21.9±7.1%,缺氧-好氧SND中N2O-N的平均释放量是2.31mg/Cycle,占总氮去除量的7.0±1.5%。相比连续好氧SND,缺氧-好氧SND的总氮去除率和SND效率分别提高了17.8%和10.1%,但是N2O的释放量减量了66.7%。硝化抑制性实验结果表明,两种模式下N2O的主要来源是硝化细菌的反硝化作用,连续好氧SND中硝化细菌的反硝化过程释放的N2O占总N2O释放量的55.4%,缺氧-好氧SND则占64.2%。前置缺氧段有助于降低异养菌释放N2O的机率。高通量测序分析结果表明,两个SND体系的微生物种群结构存在较大的差异,连续好氧SND中amo A功能基因的丰度是缺氧-好氧SND中的三倍,这表明在连续好氧的运行模式下,硝化细菌的多样性高于同等条件下的缺氧-好氧运行模式。连续好氧SND的好氧颗粒污泥中富集大量的Nitrosomonas-like细菌是其N2O释放量高的主要原因。此外,连续好氧SND中还含有较多的与释放N2O相关的特征细菌如Mesorhizobium sp.,进而引起较多的N2O释放量。在连续好氧模式下,过高或者过低的有机负荷均会对脱氮和SND效率产生不利的影响,低有机负荷情况影响更甚:连续好氧SND在高有机负荷条件下总氮去除率为47.5%,在低有机负荷时低至30.7%,与正常负荷相比分别下降了26.7%和52.6%。而在缺氧-好氧运行模式下,高有机负荷环境中时硝化速率不受影响,总氮去除率提高至88.2%,与正常负荷相比增加了6.8%;低有机负荷会造成总氮去除率下降至40.7%,与正常负荷相比下降了50.7%。这是因为在连续好氧SND体系中,高有机负荷环境会对硝化反应抑制作用,而缺氧-好氧SND具有较高的耐高有机负荷能力,能减弱高有机物浓度对硝化细菌的不良影响,从而提高脱氮效率。高有机负荷有助于N2O的减量化,连续好氧SND和缺氧-好氧SND平均每周期释放1.30mg和1.41mg N2O,与正常有机负荷相比分别减量了76.9%和56.1%。但是两个体系中潜在的N2O释放机理不同:连续好氧SND中N2O的减量化是由于硝化过程被抑制,转化的氮量小,积累的NO2-少;而缺氧-好氧SND中N2O的减量化是由于碳源充足能及时地将硝化反应生成的NO3-和 NO2-还原为N2。低有机负荷环境下,缺氧-好氧SND的TN去除率比连续好氧SND的TN去除率高10个百分点,但是释放的N2O量是连续好氧SND中的3.5倍,碳源供应不足造成AOB的反硝化作用和异养菌的反硝化作用受阻是大量释放N2O的主要原因。