摘要
相比于传统的全程硝化-反硝化工艺，一体化短程硝化、厌氧氨氧化耦合反硝化工艺(Single-stage Partial Nitritation，Anammox and Denitrification，SPNAD)作为一种新型脱氮工艺，具有可节约曝气能耗、节省碳源和减少剩余污泥产量等优点。然而，该新型脱氮工艺在城市污水主流脱氮领域尚未得到推广应用，其瓶颈问题主要就是由于短程硝化的难以稳定维持和准确控制，具体表现为以城市生活污水为进水的SPNAD系统的快速启动与长期维持、系统由于短程硝化破坏后难以迅速恢复、部分短程硝化难以准确控制造成系统出水水质不达标等问题。 本课题针对上述问题，采用序批式活性污泥反应器(Sequencing Batch Reactor，SBR)处理实际城市污水，主要首先探究了连续低氧曝气结合过量剩余氨氮策略快速启动实际生活污水为进水的SPNAD工艺的可行性，并对运行中系统的脱氮性能、种群结构进行了深入分析;之后针对由于系统短程硝化破坏造成的系统崩溃提出了冰点下饥饿处理恢复策略并实现了系统短程硝化及自养脱氮性能的快速恢复;最后针对部分短程硝化难以准确控制问题提出了梯度递减曝气控制策略，为进行后续的厌氧氨氧化反应提供了较好的底物基础，且能较好地适应生活污水的进水负荷波动并实现较好的污染物处理效果。本论文的主要内容与结论如下: 1.连续低氧曝气+剩余过量氨氮方法成功实现了直接以城市生活污水为进水的SPNAD悬浮污泥系统的快速启动。 最大溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)浓度对于系统短程硝化的稳定维持具有重要意义。与最大DO为0.5mg/L相比，系统在低氧(0.2～0.4mg/L)条件下系统能达到更好的TN去除效果，平均氨氮去除率(ARR)为89.11％，平均总氮去除率(NRR)为82.44％，且出水NO3--N平均在1.31mg/L以下，厌氧氨氧化脱氮贡献率为73.42％以上，与传统工艺相比大大节约了曝气能耗和碳源投加成本。启动过程中系统中较低的DO条件尽管对反应速率较慢的Nitrospira有一定富集作用，但对反应速率较快的Nitrobacter的不利影响更大。此外较低的DO条件下γAOB/γNOB更高，更利于短程硝化。 2.通过近260天的长期试验发现，提出一种冰点下饥饿处理快速恢复策略，解决一体化SPNAD系统因过曝气出现短程硝化破坏造成的系统崩溃问题。 系统经18天的冰点下原位饥饿处理，曝气末出水中的NO3--N浓度在恢复正常运行后从饥饿处理前的11.58mg/L下降至0.18mg/L，下降了98.44％;亚硝积累率(Nitrite Accumulation Ratio，NAR)从24.88％提高至94.97％，短程硝化完全恢复并能抵抗短期的过曝气冲击且无NO3--N积累。在恢复A/O/A运行了11天后即恢复了83％以上的NRR;恢复稳定后平均NRR从恢复前的66.74％提高至91.47％，出水TN从21.77mg/L下降至4.84mg/L，达到国家一级A排放标准。 冰点下饥饿处理18天中对系统内的微生物菌群结构有较大影响，其中对两种NOB的不利影响显著高于对AOB及AnAOB的不利影响，Nitrospira、Nitrobacter、AOB及AnAOB的绝对丰度分别下降了74.05％、53.39％、23.56％和11.35％。 由于同一条件下微生物的衰减速率有所不同，饥饿处理对NOB活性的抑制作用最为显著，AOB次之，对AnAOB影响最小，γAOB/γNOB从1.23升至1.74，提高了41.46％。 3.基于连续曝气过程中出现的DO跃变现象，提出了一种梯度递减曝气控制策略，应用于SPNAD工艺处理实际生活污水，可适应进水水质波动并保证长期稳定运行。 在运用SPNAD工艺处理城市生活污水过程中发现连续低氧曝气过程中会出现三次DO跃变点Ta，Tb，Tc，其中Tb、Tc分别指示COD降解的基本完成和半短程硝化的基本完成。在恒定进水NH4+-N、COD负荷的60天试验过程中，确立以ΔDO/Δt≥0.040mg/(L·min)作为渐减曝气量和停止曝气量的设定值，Tc时平均NH4+-N、NO2--N浓度分别为20.11mg/L，22.83mg/L，NO2--N/NH4+-N质量浓度比值在0.93～1.37，较适宜进行后续厌氧氨氧化过程。将该梯度递减曝气控制策略应用于以实际生活污水(NH4+-N为41.4～75.5mg/L，C/N为1.8～3.5)为进水的SPNAD系统中，稳定实现了96.7％的NRR，出水TN平均为2.11mg/L，出水COD浓度平均在44.13mg/L，出水水质远优于国家一级A排放标准。
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