傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)處理高氨氮廢水時存在著工藝復(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，該工藝利用氨氧化細菌(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)器提供進水，最終達到脫氮目的。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PN過程的氧化亞氮產(chǎn)生、釋放研究對指導(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PN反應(yīng)，基于生物磁效應(yīng)原理假設(shè)外源磁場對于PN啟動過程具有促進作用，采用批次試驗方案探究了磁場對PN過程的促進效應(yīng)，運用高通量測序分析方法在微生物水平及基因水平上解釋了磁場對PN過程的促進原理。

在成功啟動PN過程后，對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)采用批次試驗的方法探究了磁場對PN的影響，明確了5 mT弱磁場強度對PN有顯著的增強效果。無外加磁場強度下PN在第35天實現(xiàn)出水亞硝氮高于氨氮，而5 mT磁場強度下PN在第25天啟動完成，比無外加磁場時縮短28.6%。但如果磁場強度過高，則會抑制PN反應(yīng)的啟動，在25 mT磁場強度下，氨氧化細菌活性減弱，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間增加這一比例，PN無法實現(xiàn)。

(2)對PN反應(yīng)過程溫室氣體氧化亞氮釋放做了系統(tǒng)研究。所運行PN反應(yīng)器可以在4小時以內(nèi)實現(xiàn)出水亞硝氮高于出水氨氮，此時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)時間到6小時，氧化亞氮積累量會增加28.88%。磁場在促進PN反應(yīng)速率的同時增加了氧化亞氮的產(chǎn)生量，在4小時周期反應(yīng)內(nèi)，氧化亞氮在5 mT磁場強度下轉(zhuǎn)化率為2.80%，比無外加磁場時提高40%。和外加磁場相似，一定范圍內(nèi)鹽度可以促進PN反應(yīng)，但是鹽度對于PN過程氧化亞氮產(chǎn)生的促進作用比磁場更強，8 mg/L氯化鈉添加后氧化亞氮四小時積累量高達84.49 mg，比對照組相比提高四倍。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℃時相比下降31.41%。

(3)運用高通量測序方法對PN相關(guān)微生物機理進行了探究。磁場對PN的促進不是增加氨氧化細菌的比例而是對氨氧化細菌的活性的增強。氨氧化細菌含量在5 mT磁場強度下甚至有所下降，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菌數(shù)量的13.9%，而在5 mT磁場強度下Nitrosomonadaceae的比例為12.9%。氨氧化細菌耗氧速率在5 mT磁場強度下為0.936 mg(O2)/g(MLSS).min，是無外加磁場時的2.39倍。在進水pH一定的情況下磁場存在并不能改變PN的終點，只是縮短了PN終點的時間，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、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及細胞流動相關(guān)的功能基因在5mT磁場強度下表達量比無外加磁場時分別提高12.3%，9.3%和11.1%，磁場對氨氧化細菌的促進作用可能是增強了游離氨進入氨氧化細菌內(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。