传统生物脱氮技术处理高氨氮废水时存在着工艺复杂、耗能较大以及需要外加大量碳源等不足，部分亚硝化(partial nitrification，PN)-厌氧氨氧化(anammox)组合工艺为处理高氨氮废水提供了新的选择，该工艺利用氨氧化细菌(ammonium oxidizing bacteria，AOB)的亚硝化作用，将高氨氮污水中一半的氨氮氧化成为亚硝态氮，然后用氨氮和亚硝氮比例为1：1的混合污水为厌氧氨氧化反应器提供进水，最终达到脱氮目的。氧化亚氮(N2O)是一种重要的温室气体，污水生物脱氮是温室气体氧化亚氮的重要人为源，其释放的氧化亚氮量最高可达全球氧化亚氮释放总量的25%。


在PN过程中，亚硝酸盐的积累和低溶解氧环境使得温室气体氧化亚氮大量生成。对PN过程的氧化亚氮产生、释放研究对指导高氨氮污水的生物处理过程具有重要意义。本研究以续批式生物反应器(Sequencing Batch Reactor，SBR)启动PN反应，基于生物磁效应原理假设外源磁场对于PN启动过程具有促进作用，采用批次试验方案探究了磁场对PN过程的促进效应，运用高通量测序分析方法在微生物水平及基因水平上解释了磁场对PN过程的促进原理。


在成功启动PN过程后，对PN反应过程温室气体氧化亚氮释放做了系统研究，系统检测了氨氮、亚硝氮、硝态氮、溶解氧、pH及氧化亚氮等水质指标的周期变化规律，探究了影响氧化亚氮产生的影响因素，对氧化亚氮的减量化提供理论依据。


本文主要研究成果如下：


(1)采用批次试验的方法探究了磁场对PN的影响，明确了5 mT弱磁场强度对PN有显著的增强效果。无外加磁场强度下PN在第35天实现出水亚硝氮高于氨氮，而5 mT磁场强度下PN在第25天启动完成，比无外加磁场时缩短28.6%。但如果磁场强度过高，则会抑制PN反应的启动，在25 mT磁场强度下，氨氧化细菌活性减弱，出水亚硝氮与出水氨氮的比值在0.3到0.5之间，并且无法通过延长水力停留时间增加这一比例，PN无法实现。


(2)对PN反应过程温室气体氧化亚氮释放做了系统研究。所运行PN反应器可以在4小时以内实现出水亚硝氮高于出水氨氮，此时氧化亚氮积累释放量为15.05 mg，转化率为1.915%。若继续延长反应时间到6小时，氧化亚氮积累量会增加28.88%。磁场在促进PN反应速率的同时增加了氧化亚氮的产生量，在4小时周期反应内，氧化亚氮在5 mT磁场强度下转化率为2.80%，比无外加磁场时提高40%。和外加磁场相似，一定范围内盐度可以促进PN反应，但是盐度对于PN过程氧化亚氮产生的促进作用比磁场更强，8 mg/L氯化钠添加后氧化亚氮四小时积累量高达84.49 mg，比对照组相比提高四倍。35℃至25℃温度条件下，随温度的下降PN速率随之下降，相应的氧化亚氮释放量也下降，25℃条件下PN过程氧化亚氮转化率为1.31%，与35℃时相比下降31.41%。


(3)运用高通量测序方法对PN相关微生物机理进行了探究。磁场对PN的促进不是增加氨氧化细菌的比例而是对氨氧化细菌的活性的增强。氨氧化细菌含量在5 mT磁场强度下甚至有所下降，在科这一分类水平上，亚硝化单胞菌科(Nitrosomonadaceae)在无外加磁场条件下占总细菌数量的13.9%，而在5 mT磁场强度下Nitrosomonadaceae的比例为12.9%。氨氧化细菌耗氧速率在5 mT磁场强度下为0.936 mg(O2)/g(MLSS).min，是无外加磁场时的2.39倍。在进水pH一定的情况下磁场存在并不能改变PN的终点，只是缩短了PN终点的时间，这是由于磁场并不能改变溶液中的氨态氮存在形式。PN污泥微生物中与膜转运、信号转导及细胞流动相关的功能基因在5mT磁场强度下表达量比无外加磁场时分别提高12.3%，9.3%和11.1%，磁场对氨氧化细菌的促进作用可能是增强了游离氨进入氨氧化细菌内部的速度。PN过程氧化亚氮的产生主要由Nitrosomonadaceae造成，理化因子的改变通过影响亚硝化单胞菌相关代谢酶活性造成氧化亚氮产生量增多或减少。