硫自养反硝化工艺具有脱氮效果好、硫磺成本较低、无需加入外部碳源、出水无二次污染、污泥产量较低等优点,但是硫自养反硝化会消耗水中的碱度,造成出水pH值的降低,同时硫自养反硝化受温度和碱度的影响较大。硫/石灰石自养反硝化系统能够解决硫自养反硝化过程中pH值降低的问题,是工程上常用的硫自养反硝化工艺,但会导致出水硬度增加。使用菱铁矿作为填料,既可以起到缓冲pH值的作用,又能作为电子供体驱动反硝化。本研究首先在序批式反应器(sequencing batch reactor,SBR)中启动了硫自养反硝化,通过小试实验研究了温度和碱度对污泥脱氮性能的影响。通过固定床反应器进一步对比了硫/菱铁矿系统和硫/石灰石系统的脱氮性能,研究了温度和碱度对硫自养反硝化固定床工艺脱氮性能的长期影响,通过高通量测序技术解析了不同运行阶段硫自养反硝化污泥的微生物群落结构变化。具体研究成果如下: 在SBR反应器中启动硫自养反硝化工艺,稳定运行时期,总无机氮(TIN)平均去除率为99.1%,TIN平均去除负荷为0.158kgN/(m3·d),反应器具有良好的硫自养反硝化脱氮性能。通过小试实验研究了温度和碱度对硫自养反硝化污泥脱氮活性的影响,结果表明,随着温度的降低,污泥的硫自养反硝化活性逐渐降低,当温度分别为30、20和15℃时,污泥的NO3--N降解速率分别为0.513、0.406和0.285kg N/(kg VSS·d),NO2--N降解速率分别为0.490、0.391和0.244kg N/(kg VSS·d);随碱度的增加,污泥的反硝化活性升高,当碱度分别为0、600和1200mg/L时,污泥的NO3--N降解速率分别为0.269、0.494和0.538kg N/(kg VSS·d),NO2--N降解速率分别为0.209、0.443和0.475kg N/(kg VSS·d),当碳酸氢钠浓度从600mg/L升高到1200mg/L时,出现“碱度饱和”现象,当碳酸氢钠浓度为0mg/L时,污泥的硫自养反硝化活性受到抑制。 分别以硫/石灰石和硫/菱铁矿为填料启动了硫自养反硝化固定床连续流反应器,随水力停留时间的降低,污泥脱氮活性先升高后降低,硫/菱铁矿固定床反应器具有更好的脱氮性能,稳定阶段选择HRT为5h运行,且固定床反应器中的硝酸盐降解曲线符合一级反应模型。当温度降低至15℃时,硫/菱铁矿和硫/石灰石的NO3--N去除负荷分别降低至0.196和0.065kgN/(m3·d),反硝化活性明显降低。当温度恢复至30℃时,反硝化活性逐渐恢复,但低温的影响仍具有长期性。设置温度为30℃,在进水中添加600mg/L碳酸氢钠时,硫/菱铁矿反应器的出水硝态氮浓度由13.95mg/L下降至1.0mg/L,TIN去除率提高至95%,硫/石灰石固定床反应器反应器的出水硝态氮浓度也下降至26~28mg/L,TIN去除率上升至50%左右,说明外加碳酸氢钠可改善反应器内无机碳源不足的问题。 高通量测序结果表明,SBR反应器中培养成熟的硫自养反硝化污泥在属水平上主要有Thiobacillus属、Sulfurimonas属和Thermomonas属,其相对丰度分别为14.5%、7.6%和6.0%。当温度为30℃时,硫/菱铁矿固定床反应器中的主要硫自养反硝化菌属是Sulfurovum和Sulfurimonas,相对丰度分别为7.07%和1.19%。硫/石灰石固定床反应器中的主要硫自养反硝化菌属是Ignavibacterium、Thiobacillus和Sulfurimonas,相对丰度分别为5.01%、2.30%和1.36%。硫/石灰石和硫/菱铁矿固定床反应器中的微生物优势菌群不同。当温度下降至15℃时,硫/菱铁矿固定床反应器中的主要硫自养反硝化菌属是Ignavibacterium、Sulfurovum和Thiobacillus,相对丰度分别为2.95%、1.74%和1.42%。硫/石灰石固定床反应器中的主要硫自养反硝化菌属是Ignavibacterium、Thiobacillus和Sulfurimonas,相对丰度分别为5.44%、2.99%和1.11%。当温度为15℃时,Ignavibacterium和Thiobacillus是硫/菱铁矿固定床反应器和硫/石灰石固定床反应器中共同的优势硫反硝化菌属,说明这两种细菌属可能具有较强的抗低温能力。