傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)處理高氨氮廢水時(shí)存在著工藝復(fù)雜、耗能較大以及需要外加大量碳源等不足，部分亞硝化(partial nitrification，PN)-厭氧氨氧化(anammox)組合工藝為處理高氨氮廢水提供了新的選擇，該工藝?yán)冒毖趸?xì)菌(ammonium oxidizing bacteria，AOB)的亞硝化作用，將高氨氮污水中一半的氨氮氧化成為亞硝態(tài)氮，然后用氨氮和亞硝氮比例為1：1的混合污水為厭氧氨氧化反應(yīng)器提供進(jìn)水，最終達(dá)到脫氮目的。氧化亞氮(N2O)是一種重要的溫室氣體，污水生物脫氮是溫室氣體氧化亞氮的重要人為源，其釋放的氧化亞氮量最高可達(dá)全球氧化亞氮釋放總量的25%。

在PN過程中，亞硝酸鹽的積累和低溶解氧環(huán)境使得溫室氣體氧化亞氮大量生成。對(duì)PN過程的氧化亞氮產(chǎn)生、釋放研究對(duì)指導(dǎo)高氨氮污水的生物處理過程具有重要意義。本研究以續(xù)批式生物反應(yīng)器(Sequencing Batch Reactor，SBR)啟動(dòng)PN反應(yīng)，基于生物磁效應(yīng)原理假設(shè)外源磁場對(duì)于PN啟動(dòng)過程具有促進(jìn)作用，采用批次試驗(yàn)方案探究了磁場對(duì)PN過程的促進(jìn)效應(yīng)，運(yùn)用高通量測(cè)序分析方法在微生物水平及基因水平上解釋了磁場對(duì)PN過程的促進(jìn)原理。

在成功啟動(dòng)PN過程后，對(duì)PN反應(yīng)過程溫室氣體氧化亞氮釋放做了系統(tǒng)研究，系統(tǒng)檢測(cè)了氨氮、亞硝氮、硝態(tài)氮、溶解氧、pH及氧化亞氮等水質(zhì)指標(biāo)的周期變化規(guī)律，探究了影響氧化亞氮產(chǎn)生的影響因素，對(duì)氧化亞氮的減量化提供理論依據(jù)。

本文主要研究成果如下：

(1)采用批次試驗(yàn)的方法探究了磁場對(duì)PN的影響，明確了5 mT弱磁場強(qiáng)度對(duì)PN有顯著的增強(qiáng)效果。無外加磁場強(qiáng)度下PN在第35天實(shí)現(xiàn)出水亞硝氮高于氨氮，而5 mT磁場強(qiáng)度下PN在第25天啟動(dòng)完成，比無外加磁場時(shí)縮短28.6%。但如果磁場強(qiáng)度過高，則會(huì)抑制PN反應(yīng)的啟動(dòng)，在25 mT磁場強(qiáng)度下，氨氧化細(xì)菌活性減弱，出水亞硝氮與出水氨氮的比值在0.3到0.5之間，并且無法通過延長水力停留時(shí)間增加這一比例，PN無法實(shí)現(xiàn)。

(2)對(duì)PN反應(yīng)過程溫室氣體氧化亞氮釋放做了系統(tǒng)研究。所運(yùn)行PN反應(yīng)器可以在4小時(shí)以內(nèi)實(shí)現(xiàn)出水亞硝氮高于出水氨氮，此時(shí)氧化亞氮積累釋放量為15.05 mg，轉(zhuǎn)化率為1.915%。若繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間到6小時(shí)，氧化亞氮積累量會(huì)增加28.88%。磁場在促進(jìn)PN反應(yīng)速率的同時(shí)增加了氧化亞氮的產(chǎn)生量，在4小時(shí)周期反應(yīng)內(nèi)，氧化亞氮在5 mT磁場強(qiáng)度下轉(zhuǎn)化率為2.80%，比無外加磁場時(shí)提高40%。和外加磁場相似，一定范圍內(nèi)鹽度可以促進(jìn)PN反應(yīng)，但是鹽度對(duì)于PN過程氧化亞氮產(chǎn)生的促進(jìn)作用比磁場更強(qiáng)，8 mg/L氯化鈉添加后氧化亞氮四小時(shí)積累量高達(dá)84.49 mg，比對(duì)照組相比提高四倍。35℃至25℃溫度條件下，隨溫度的下降PN速率隨之下降，相應(yīng)的氧化亞氮釋放量也下降，25℃條件下PN過程氧化亞氮轉(zhuǎn)化率為1.31%，與35℃時(shí)相比下降31.41%。

(3)運(yùn)用高通量測(cè)序方法對(duì)PN相關(guān)微生物機(jī)理進(jìn)行了探究。磁場對(duì)PN的促進(jìn)不是增加氨氧化細(xì)菌的比例而是對(duì)氨氧化細(xì)菌的活性的增強(qiáng)。氨氧化細(xì)菌含量在5 mT磁場強(qiáng)度下甚至有所下降，在科這一分類水平上，亞硝化單胞菌科(Nitrosomonadaceae)在無外加磁場條件下占總細(xì)菌數(shù)量的13.9%，而在5 mT磁場強(qiáng)度下Nitrosomonadaceae的比例為12.9%。氨氧化細(xì)菌耗氧速率在5 mT磁場強(qiáng)度下為0.936 mg(O2)/g(MLSS).min，是無外加磁場時(shí)的2.39倍。在進(jìn)水pH一定的情況下磁場存在并不能改變PN的終點(diǎn)，只是縮短了PN終點(diǎn)的時(shí)間，這是由于磁場并不能改變?nèi)芤褐械陌睉B(tài)氮存在形式。PN污泥微生物中與膜轉(zhuǎn)運(yùn)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及細(xì)胞流動(dòng)相關(guān)的功能基因在5mT磁場強(qiáng)度下表達(dá)量比無外加磁場時(shí)分別提高12.3%，9.3%和11.1%，磁場對(duì)氨氧化細(xì)菌的促進(jìn)作用可能是增強(qiáng)了游離氨進(jìn)入氨氧化細(xì)菌內(nèi)部的速度。PN過程氧化亞氮的產(chǎn)生主要由Nitrosomonadaceae造成，理化因子的改變通過影響亞硝化單胞菌相關(guān)代謝酶活性造成氧化亞氮產(chǎn)生量增多或減少。