摘要
作为一种经济高效的生物脱氮技术，厌氧氨氧化工艺（Anammox）因具备节省曝气能耗、无需碳源添加和减少污泥产量等优势而被广泛研究。然而，该工艺存在对反应条件要求严苛、低温环境脱氮效能受限和伴随副产物产生等技术难点，制约了该工艺的工程化应用。针对以上瓶颈问题，本论文构建了新型铁基Anammox工艺，采用不同的弱电介导方式进一步强化，利用电热协同效应提高低温下的脱氮效能，并对耦合体系的脱氮机理和弱电介导强化机制进行了深入解析，为突破传统技术瓶颈、提高低温下生物脱氮能力以及推动未来规模化应用提供新的研究思路和技术指导。 为改善伴随产生硝酸盐副产物的机理缺陷，基于铁腐蚀化学还原硝态氮（NO3--N）的基本原理，构建了新型铁基Anammox自养型耦合生物脱氮体系，并揭示了铁基Anammox体系的功能菌群分布和氮去除路径。研究发现体系内铁碳床填料能够在3h内将19.3%的NO3--N和10.8%的亚硝态氮（NO2--N）物理吸附至填料表面，并通过微电解作用将76.5%的NO3--N化学还原为氨氮（NH4+-N），继续作为Anammox的底物被利用。耦合体系能够将总氮（TN）去除率由单独Anammox体系的64.6%提高至90.2%。铁腐蚀所产生的Fe2+与内源氢[H]可被自养反硝化菌利用去除NO3--N，而该过程产生的Fe2+和Fe3+可促进铁氨氧化反应（Feammox）和硝酸盐还原的铁氧化反应（NDFO）同步发生，丰富了耦合体系内的脱氮路径。此外，该耦合技术能够将传统Anammox工艺对pH值的适应范围由6.5~8.0扩展至5.5~8.5，并提高了抗pH冲击的能力。 采用弱电介导的方式以铁基Anammox-MFC为构型，改善了铁碳床可持续性差的问题，回收利用废弃轮胎制备成导电性更强的铁碳微电极，并对电强化机理进行深入剖析。结果表明，改进后的MFC体系可将Anammox的TN去除率从62.16%提高至85.00%，并将有效作用时间延长至50d。弱电介导机理推测阳极发酵产生的电子可在阴阳两极电势差的驱动下传递至阴极，补充铁腐蚀和反硝化过程消耗的电子，延长铁作用时间，而质子则在浓度差的作用下也传递至阴极，中和部分阴极生化反应产生的碱，起到维持pH值稳定的作用。微生物群落分析表明，CandidatusBrocadia和CandidatusKuenenia是主要的厌氧氨氧化菌（AnAOB），而经弱电介导后，Feammox菌（如Pseudomonas和Shewanella）、NDFO菌（如Thiobacillus和Aquabacterium）和反硝化菌（如Thauera和Limnobacter）分别占比为0.01%、0.22%和2.39%，均高于原单独铁基Anammox体系，体现出弱电介导能够提高耦合体系脱氮功能菌群的丰度。 构建了可调控性更强的铁基Anammox-MEC体系，解决了铁基Anammox-MFC存在的可调控性差、电子传递效率不高和低温下产电能力差等问题，考察了不同强度电介导对脱氮效能的影响，根据提出原理假设，揭示了交流电MEC介导脱氮强化机理。实验结果表明，在相同功率的条件下，交流电比直流电强化效率更高，并确定了正弦波交流电在电流密度为0.25mA/cm2、频率为5Hz的条件下介导效果最佳。实验结果表明，连续流铁基Anammox-MEC体系的NH4+-N和NO2--N的去除速率可由0.28g/L/d和0.37g/L/d分别提高至0.35g/L/d和0.47g/L/d，而副产物NO3--N的产生速率则由0.09g/L/d降低至0.01g/L/d。对交流电介导强化机理进行深入解析，在电流密度为0.25mA/cm2的条件下交流电介导可将联氨合酶（HZS）、肼脱氢酶（HDH）、硝酸盐还原酶（NarG）、亚硝酸盐还原酶（NirS）、一氧化氮还原酶（NorB）和氧化亚氮还原酶（NosZ）的表达量分别提高1.81倍、2.50倍、1.64倍、0.23倍、1.15倍和1.27倍，其中HZS和HDH的酶表达量最高，而NosZ能够承受电刺激的强度更高。揭示了交流电促进产生电容抗与填料电阻并联的现象，通过降低体系内阻提高了局部微生物接收到的实际电流强度，并在电极电动势的驱动下强化电子进行定向迁移，达到了深化铁腐蚀的效果，进而提高了对单质铁利用率。 利用交流电介导过程中发现的热效应，考察了不同条件下对填料升温和脱氮效能的影响，阐明了电热协同强化脱氮作用机理。实验结果表明，针对不同的低温环境，该技术存在强化阈值，需借助响应面（RSM）分析方法，制定相应的温度控制方案。在13℃的低温环境下，当电流密度为0.45mA/cm2时，填料表面温度可升高至22.7℃，TN去除率可由29.76%提升至73.59%，其中NH4+-N和NO2--N的去除速率分别提升了1.33倍和1.50倍。阐明了弱电介导电热协同机理是电子传递经过铁原子时发生衍射，并在相互碰撞过程中将电能转化为热能，从而升高填料表面温度。此外，提出高温冲击再回落策略，利用高温下微生物分泌出较多功能酶，温度回落后短期内仍能发挥作用，有效提高了低温下铁基Anammox的脱氮效能，为解决低温下Anammox脱氮效率低的问题，提供新的温度调控技术与机理解析。
NETL