含氮杂环化合物在厌氧同时反硝化产甲烷体系中的降解性能研究

The high concentration organic wastewater whose main pollutants are nitrogenous heterocyclic compounds, could not degrade completely only rely on the denitrification due to the excess of the carbon source.According to the previous research: 1)Nitrogenous heterocyclic compounds in the anoxia denitrifying environment could be degraded effectively by the synergistic effects of denitrification and methanogenesis.2) Methanothrix is the predominant bacteria of anaerobic simultaneous denitrification and methanogenesis system, which can thoroughly utilize the carbon source by methano genesis. Hereby, the applicant proposes this subject to systematically explore the degradation mechanism and characteristics of the system.The main content includes：1) Analyses of nitrogenous heterocyclic compounds' degradation pathway in the system.2) Studies of the symbiotic relationship of denitrifying bacteria and methanogen.3) Analyses of the inhibit mechanism of nitrate on methanogen by studying enzyme activity during the course of biological metabolism in the system.4) Establishing the dynamic model of the system to the treatment of the wastewater.The research has an significant academic value, enriching the theory of anaerobic biological treatment wastewater, establishing the process theory of anaerobic simultaneous denitrification and methanogenesis to treat the organic wastewater, researching the Energy-Saving process to the high concentration organic wastewater.

目前以含氮杂环化合物为主要污染物的高浓度有机废水，由于碳源过量仅靠反硝化作用不能彻底去除有机物。申请者前期研究发现：1）在去除含氮杂环化合物为目标物的缺氧反硝化环境下，能够发生显著且高效反硝化产甲烷协同作用；2）在厌氧同时反硝化产甲烷体系中，以甲烷丝菌占主导的产甲烷作用对碳源利用较为彻底。据此提出本课题，旨在深入系统地探求含氮杂环化合物在厌氧同时反硝化产甲烷体系的降解机理和特性。主要研究内容包括：1）分析含氮杂环化合物在厌氧同时反硝化产甲烷体系中降解途径；2）研究反硝化菌和产甲烷菌的共生关系；3）研究厌氧同时反硝化产甲烷体系中生物代谢酶活性，剖析硝酸盐对产甲烷菌抑制机理；4）建立厌氧同时反硝化产甲烷处理含氮杂环化合物有机废水的动力学模型。该研究成果对丰富废水厌氧生物处理理论、建立含氮杂环化合物有机废水厌氧同时反硝化产甲烷工艺理论、研发高浓度有机废水节能型工艺等有重要的理论意义和学术价值。

本课题紧紧围绕项目申请书内容，对典型含氮杂环化合物（NHCs）在厌氧同时反硝化产甲烷（SMD）体系中的降解性能展开了一系列深入研究：对三种典NHCs（吲哚、喹啉及吡啶）在短程反硝化产甲烷过程中的降解性能、微生物群落、生物酶活性及最适COD/NO 2- -N等做了研究，确定了最高COD/NO 2- -N值，开发了处理高浓度NHCs的厌氧同时反硝化产甲烷耦合装置；且研制了厌氧反硝化产甲烷处理实际焦化废水的耦合装置，并对该装置的运行条件和参数进行了优化，实现了对有机废水中NHCs的高效处理。本课题还深入分析了上述三种典型NHCs的降解情况，同时对微生物降解NHCs的机制进行了解析。研究成果达到了预期目标，具体如下：. （1）较为系统、全面地研究了以典型NHCs为碳源的短程反硝化体系降解特征，得到该体系的最适COD/NO2--N，并界定出最高COD/NO2--N的具体限值为18。. （2）在短程反硝化、厌氧产甲烷、厌氧同时反硝化产甲烷体系中，对适应阶段时长、酶活性（常规生物酶、NiR、辅酶F420）进行研究。结果表明NOX--N对产甲烷菌有毒性，而反硝化菌通过反硝化降低NOX--N浓度，促进了产甲烷菌生长。该研究还开发出产甲烷菌与反硝化菌的共生模型。. （3）创新性地提出应用厌氧同时（短程）反硝化产甲烷处理高COD/NO2--N喹啉的UBF反应器，并对其运行条件进行优化；设计了厌氧同时（短程）反硝化产甲烷处理实际焦化废水反应器，结果表明该反应器运行稳定且对处理效果良好。. （4）联合应用PCR-DGGE、Q-PCR和高通量测序的分子生物技术，深入分析了短程反硝化、厌氧产甲烷和厌氧同时（短程）反硝化产甲烷体系在处理NHCs时相应的微生物菌群结构，发现反硝化产甲烷体系中优势菌群为Bellilinea sp.、Methanosaeta sp.、Longilinea sp. 等。. （5）在同时反硝化产甲烷体系中，利用13C对吲哚的降解途径进行了研究，确定其中间产物为靛红和2-吲哚酮。. （6）建立了单独短程反硝化、厌氧产甲烷处理典型NHCs的动力学模型；建立了厌氧同时反硝化产甲烷处理实际焦化废水的动力学模型。

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