摘要
活性污泥法是目前城市污水厂最常见的污染物去除工艺，但此法存在污泥龄矛盾、碳源竞争、硝酸盐及DO的干扰等问题。反硝化除磷（Denitrificationphosphorusremoval，简称DPR）工艺中可通过“一碳两用”，节省30%的曝气能耗、50%的碳源消耗及污泥产量。本课题通过研究不同影响因素对DPR系统长期运行的影响，为低C/N条件下DPR稳定运行及温室气体N2O减排提供理论支撑，并采用高通量测序分析了不同运行条件下DPR系统内功能菌群变化情况。此外，一体化短程硝化-厌氧氨氧化（SPNA）是一种节约高效的污水脱氮工艺，DPR与SPNA的联用使得废水处理厂能够实现能源自给自足并减少温室气体排放。课题研究了进水水质及运行方式对SPNA系统启动及稳定运行的影响，并通过高通量测序，分析了絮体和生物膜中菌群结构变化，探讨了DPR-SPNA系统在污水处理厂主流处理中的应用潜力。 主要研究内容及结论如下： （1）采用SBR反应器，接种反硝化污泥，通过厌氧/好氧运行方式在COD为250mg/L的条件下启动EBPR系统，而后通过厌氧/缺氧/好氧（A/A/O）的运行方式在COD为250mg/L、NO3--N为15mg/L下实现了DPR系统的启动。其次通过改变进水COD浓度、NO3--N浓度等运行条件，研究DPR系统脱氮除磷性能的变化。试验结果表明DPR系统稳定运行期间出水COD、PO43--P、NO3--N、NH4+-N浓度分别为29.84mg·L-1、0.37mg·L-1、0.73mg·L-1、19.40mg·L-1，可与新型自养脱氮工艺相结合；系统运行240d内系统COD去除率、PO43--P去除率和NO3--N去除率分别由79.52%、74.27%、75.84%上升至85.32%、92.58%、90.28%。在高COD浓度下占据优势的典型聚磷菌unclassified_f_Rhodobacteraceae（相对丰度为12.04%）及Dechloromonas（相对丰度为15.06%）在COD浓度下降后丧失优势，而Defluviimona（相对丰度由0.01%上升至3.49%）与hypomicrobium（相对丰度由0.95%上升至1.65%）则对低COD环境适应性较强。 （2）通过批次实验，研究了不同进水NO3--N浓度对DPR系统脱氮、除磷、N2O释放情况的影响。试验结果表明，在DPR系统中，缺氧初NO3--N浓度范围为10-20mg/L时，NO3--N对于反硝化除磷过程并无明显抑制；而缺氧初NO3--N浓度在30-40mg/L时，系统内发生异养反硝化，ΔPO4/ΔNO3降低，除磷效果受到抑制。在硝酸盐浓度过高（＞20mg/L）时，反硝化除磷过程中会出现亚硝酸盐积累现象，呈现短程反硝化的特性。在DPR系统中，缺氧吸磷过程中N2O产生量与初始NO3--N浓度成正相关，反应过程中N2O浓度与NO2-的浓度成正相关；随着系统内NO2-浓度的降低，部分功能菌活性的恢复，系统内积累的N2O被还原为N2，N2O可在NO2-降至0mg/L后30min内被完全去除。 （3）采用SBR反应器，进行SPNA系统的启动及其优化运行，并与DPR系统组合，探究DPR-SPNA系统运行的可行性。试验结果表明，通过低氧间歇曝气（23min/7min），在低NH4+-N浓度进水（26-30mg/L）条件下可以成功启动SPNA系统。稳定运行期间系统NH4+-N去除率为93.22%，ΔNO3--N/ΔNH4+-N为35.12%。SPNA可与DPR组合，形成DPR-SPNA组合工艺，组合后出水COD＜20mg/L，NO3--N＜1mg/L，TN＜12mg/L，TP＜0.5mg/L，符合国家一级A排放标准。在SPNA系统中，低NH4+-N、低DO浓度、不排泥的条件下，虽然NOB的活性被抑制，但无法被有效筛除。系统中主要的亚硝化细菌为Nitrosomonus（生物膜上和絮体中相对丰度分别为0.82%和2.03%）；主要的硝化细菌为Nitrospira（生物膜上和絮体种相对丰度分别为4.61%和3.73%）；两种厌氧氨氧化菌主要存在于生物膜中，分别为Candidatus_Brocadia（相对丰度为3.49%）、Candidatus_Kuenenia（相对丰度为1.65%）。AOB、NOB、Anammox存在长期竞争共存的现象，共同促进了SPNA系统TN的去除。
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