摘要
厌氧氨氧化脱氮工艺（ANAMMOX）作为近二十年来最有应用前景的自养脱氮工艺，具有低能耗、低产泥量、高脱氮速率的优点，因此一直被认为是下一代的明星工艺，但是其缓慢的生长速率一直是应用的难点。针对厌氧氨氧化菌的强化手段一直是厌氧氨氧化工艺研究的重点，近年来越来越多关于生物炭（Biochar）强化活性污泥法的研究面世，前人的脚步证实生物炭对于厌氧氨氧化菌的活性的确存在改善作用，能有效提高厌氧氨氧化菌的脱氮性能，提高厌氧氨氧化菌在微生物种群里的丰度，而随着近些年对生物炭材料研究的深入，氧化剂改性、还原剂改性、金属改性等强化手段被不断地研制出来，生物炭的物理化学性能也得到改善，生物炭的应用场景得到空前的拓宽。但是，目前大部分关于改性生物炭的利用主要还是针对其对于特定污染物的吸附能力，改性生物炭本身对于微生物活性的促进作用被忽视。 结合过往对于改性生物炭的性能研究决定选用磁性金属氧化物改性以及还原剂改性两种改性手段进行实验，制取磁性氧化铁锰改性生物炭和碱改性生物炭。为了探索两种改性生物炭对于厌氧氨氧化体系的脱氮性能和微生物种群结构的长期影响，本实验以投加磁性氧化铁锰改性生物炭的反应器为 S1，投加碱改性生物炭的反应器为S2，设置空白对照组为S3进行为期三个阶段共三个月的实验观察，两种改性生物炭产生了截然不同的实验结果，在此基础上，基于实验结果进行了两种改性生物炭在材料结构特性上的研究与分析，从而对影响机理作出解释，实验结论如下： （1） 对三个反应器进行长期的脱氮性能、胞外聚合物组分结构以及脱氢酶活性的检测，探明了两种改性生物炭对于厌氧氨氧化体系的活性的影响趋势：在三个阶段的实验中，S1的脱氮性能一直处于很明显的优势，在实验末段，平均氨氮去除速率比空白对照组高73.15%，平均亚硝酸氮去除速率高48.76%；而S2在第一阶段的活性受到抑制，随后逐渐恢复，在实验末段，平均氨氮去除速率比空白对照组高24.48%，平均亚硝酸氮去除速率高6.21%。在投加改性生物炭之后， EPS含量得到了提升，主要归因于TB层的PN的提高PN中的色氨酸类蛋白和芳香类蛋白含量随着改性生物炭投加浓度的提高而提高，EPS中的电化学阻抗性也受到了改性生物炭的影响。同时，磁性氧化铁锰改性生物炭的投加促进提高了厌氧氨氧化菌脱氢酶的活性，而碱改性生物炭的投加则造成了抑制。 （2）基于两种改性生物炭的组分构成及物理化学性能检测，解释了S1与S2脱氮性能上的巨大差异：从成分上看，两种改性生物炭都是以 SiO2为主，但是在碱改性生物炭中检测出了含Cn和As元素的物质，这或许导致其对反应器脱氮性的抑制作用；从电子传导能力来看，磁性氧化铁锰改性生物炭的电荷转移电阻比碱改性生物炭低31.06%，投放之后的电解液溶液电阻低11.02%，磁性氧化铁锰改性生物炭表现出更强的电子传导能力，有利于与厌氧氨氧化菌结合后协助细菌与外界进行电子交换；从生物炭的ZETA电位来看，在反应器的环境ph下，碱改性生物炭的 ZETA 电位比磁性氧化铁锰改性生物炭低 85.83%，近乎一倍，表现出了更强的电负性，这解释了为何S2中填料的填充度发生劣化，而S1的填料填充度对比SCK得到优化；从生物炭产生的持久性自由基来看，两种改性生物炭产生的持久性自由基种类存在差别，从浓度上看，碱改性生物炭产生的持久性自由基比磁性氧化铁锰改性生物炭要高 23.51%；从对氮素吸附性能来看，二者对于NH4+，NO2?，NO3?都没有表现出明显的吸附能力。 （3）基于高通量测序技术分析揭示了两种改性生物炭对于厌氧氨氧化体系的微生物群落结构的影响：三个反应器中的厌氧氨氧化菌物种都是 Candidatus-Kuenenia，磁性氧化铁锰改性生物炭的投加可以提高厌氧氨氧化菌及相关脱氮菌的丰度，同时提高整个反应器中的微生物物种丰富度，而碱改性生物炭在第一阶段降低了厌氧氨氧化菌的丰度也降低了反应器中的物种丰富度，但在随后的实验阶段中逐渐恢复至空白对照组的丰度水平。
NETL