基于UVA辐照的城市污水短程硝化工艺效能及作用机制研究

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短程硝化工艺是一种典型的低能耗、低消耗的新型脱氮技术,与传统硝化反硝化脱氮工艺相比,其能够降低25%的曝气能耗与40%的碳源消耗,更加符合现今倡导的“节能环保与可持续发展”发展理念。短程硝化实现的关键在于抑制和淘汰体系内的NOB,控制硝化进程在第一步中进行,避免亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐。然而,当前的研究显示短程硝化工艺在稳定运行过程中还存在诸多问题,例如短程硝化体系的抗过度曝气冲击能力较弱、体系内NOB对抑制手段产生适应性问题等,严重制约了该项技术的进一步推广与应用,尤其是在城市污水处理领域,迄今为止仍未有长期稳定运行的应用示例报道。本文以具备良好硝化能力的活性污泥为试验对象,分析探讨短期低剂量长波紫外(UVA)辐照胁迫作下活性污泥硝化活性及氧化应激响应。在此基础上,以序批式活性污泥反应器(SBR)为研究对象,考察利用长期UVA辐照抑制策略实现的城市污水短程硝化反应器在启动与稳定阶段下的运行效能及作用机制,并在成功建立短程硝化体系后,重点考察过度曝气对体系的冲击影响及NOB对UVA辐照抑制策略的适应性情况,旨在为短程硝化工艺的进一步推广与应用提供技术指导与理论支撑。短期UVA辐照会使AOB与NOB活性出现差异,该差异与UVA辐照诱导产生的氧化应激效应有关。UVA辐照会引起微生物胞内活性氧水平(ROS)的激增,对细胞膜产生氧化性损伤,破坏细胞膜结构的完整性,加速其走向衰亡。而AOB与NOB在抗氧化应激能力上的差异直接导致两者在UVA辐照下衰亡速率的不同,该差异性将有利于抑制并淘汰污泥体系内的NOB,实现城市污水短程硝化。在UVA的辐照辅助下,历时46天成功启动短程硝化反应器。在随后的40天内持续获得高效稳定的短程硝化效果,亚硝酸盐积累率稳定维持在87%以上;曝气强度提升后反应器出水中的平均亚硝酸盐积累依然高达85.45%,表明通过UVA辐照抑制策略建立的城市污水短程硝化体系具备良好的抗过度曝气冲击能力,长期过度曝气冲击作用并不会对体系产生严重影响;中断UVA辐照会使短程硝化效果出现恶化,但恶化现象会在UVA重新开启后得到快速恢复,证明NOB并不会对UVA的抑制作用产生适应性,但如果想要持续获取稳定高效的短程硝化效果就必须依赖UVA的持续开启。变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidota)和绿弯菌门(Chloroflexi)是构成体系的核心菌门;硝化螺菌(Nitrospia)、氢噬胞菌属(Hydrogenophaga)和红环菌属(Rhodocyclaceae)在体系内的丰度水平与UVA的开启密切相关。其中,作为典型NOB代表的硝化螺菌(Nitrospia)在多个UVA开启工况下均呈现出的较低丰度水平,证明持续的UVA辐照能够持续抑制NOB;氢噬胞菌属(Hydrogenophaga)和红环菌属(Rhodocyclaceae)在两次开启UVA的工况下均能够获得富集,证明UVA的开启能够辅助其在体系内逐步发展成为优势菌属。采用光学显微镜与扫描电镜(SEM)对不同工况稳定运行下反应器内污泥形态结构观察时发现,长期的UVA辐照会促使污泥趋于紧密生长,从絮体结构逐步发展为颗粒污泥,促进富有轮虫和钟虫的好氧颗粒污泥的形成。进一步对UVA诱导的氧化应激效应作深入分析时发现,长期UVA辐照下污泥微生物会在应对外界UVA刺激时展现出更高的抗氧化应激能力,该现象主要与微生物体内SOD酶活力的提升有关。
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