摘要
目前，生物脱氮工艺已经被广泛应用于城市污水处理厂，对于我国大多数污水处理厂来说，碳源的缺乏严重限制了污水处理厂的生物脱氮性能，同时污水处理厂会不可避免地产生大量的剩余活性污泥，而且相关的污泥处理费用也十分昂贵。城市污水处理厂中产生的大量剩余活性污泥中含有大量的有机物，这些有机物可以被用作碳源来进行反硝化脱氮。目前来说，剩余污泥厌氧碱性发酵技术已经被广泛应用，该技术在将剩余污泥进行减量的基础上还可以产生大量可用于反硝化的短链脂肪酸。 之前的研究已经证明剩余污泥厌氧碱性发酵技术生产短链脂肪酸用于反硝化生物脱氮的可行性。然而，之前的研究大多在SBR反应器中进行的，而且SBR的运行方式对于实际工程应用来说有一定的限制性。因此，剩余污泥厌氧碱性发酵技术在连续流工艺中的应用有着极大的研究意义。 我国大多数污水处理厂都在采用连续流工艺处理生活污水，其生物脱氮主要通过全程硝化反硝化过程进行。但是由于我国大多数污水处理厂生活污水碳氮比较低(＜4)，总氮去除受限。如果污水处理系统可以实现短程硝化—厌氧氨氧化，污水处理系统将可以减少对碳源的依赖并且实现较高的总氮去除率。厌氧氨氧化技术作为—种新型的自养脱氮技术，可以将NH4+-N和NO2--N反应生成氮气，具有无需外加碳源、节省曝气量、污泥产量低等优点。短程硝化—厌氧氨氧化技术在城市污水处理中的实际工程应用已经引起了广泛关注，但是仍存在一些问题，如污水处理系统中厌氧氨氧化细菌缓慢的生长速率和亚硝酸盐氧化细菌的过量繁殖等。本研究探究了侧流污泥碱性发酵强化低碳氮比城市生活污水AOA、AAO连续流工艺脱氮性能，主要研究内容和结论如下: (1)启动厌氧污泥发酵系统，实现剩余污泥的减量。 本课题以剩余污泥为研究对象，在VSS=8000 mg/L、SRT=6.25d、T=25-30℃、pH=10±0.2的条件，启动并运行污泥发酵系统。剩余污泥厌氧发酵系统在长期运行过程中，剩余污泥发酵物平均SCOD=3595.2 mg/L、平均SCFAs=1755.9 mg/L、平均NH4+-N=224.7 mg/L、平均SP=74.8 mg/L，有趣的是，SCFAs占SCOD的比例将近50％，说明厌氧发酵系统取得了较好的短链脂肪酸生产效果，SCOD中绝大部分都是易于被生物利用的优质碳源。发酵系统内的优势菌门是厚壁菌门(Firmicutes)，厚壁菌门细胞壁具有高浓度的肽聚糖，可以产生芽孢以便于在极端环境下生长，其环境适应性较强，而且厚壁菌门还可以降解一些大分子的有机物，比如纤维素、蛋白质等，厚壁菌门能够适应污泥发酵系统的环境，且厚壁菌门的存在强化了污泥厌氧发酵系统的发酵效果。发酵系统内的优势菌属为厌氧醋菌属(Acetoanaerobium)，该菌属参与发酵葡萄糖和麦芽糖产生乙酸的过程，促进了污泥厌氧发酵系统的产酸性能。 (2)开发侧流污泥碱性发酵耦合连续流AOA工艺。 使用实际城市生活污水启动了AOA工艺连续流反应器，通过侧流污泥碱性发酵强化了低C/N城市生活污水脱氮性能。侧流污泥碱性发酵强化了低C/N城市生活污水连续流AOA工艺的短程硝化和厌氧氨氧化，实验1 80天后，AOB的活性和丰度几乎不变，而NOB的活性降低了3.5倍，NOB的丰度降低了8.4倍，亚硝积累率达到了60％，亚硝积累率的不断上升，促进了厌氧氨氧化细菌的原位富集，其绝对丰度增加了80.5倍，其相对丰度从低于检测限增加到0.09％，强化了厌氧氨氧化过程。AOA系统的长期性能显示由于污泥发酵物的投加，TIN去除率提高了19.4％，物料平衡分析揭示，缺氧段通过反硝化和厌氧氨氧化作用去除的TIN占72％。特别的是，38％的TIN通过缺氧段厌氧氨氧化过程去除，而且该工艺无外碳源的投加和短好氧HRT (5.3h)显著节省了碳源和能源。 (3)开发侧流污泥碱性发酵耦合连续流AAO工艺。 使用实际城市生活污水启动了AAO工艺连续流反应器，通过侧流污泥碱性发酵强化了低C/N城市生活污水脱氮性能。污泥碱性发酵强化了低C/N城市生活污水连续流AAO工艺的短程硝化，投加污泥发酵物之后，AOB的丰度从0.19％下降到0.16％，变化不大，但是NOB的丰度下降了89.20％，促进了系统短程硝化的实现，亚硝积累率达到了30％。亚硝积累率的不断上升，促进了厌氧氨氧化细菌的原位富集，其绝对丰度增加了32.7倍，有助于城市污水部分厌氧氨氧化技术的实现。AAO系统的长期性能显示由于污泥发酵物的投加，TIN去除率提高了12.2％。AAO系统内GAOs和PAOs的相对丰度从6.60％下降到1.65％，AAO的运行模式不利于污水处理系统实现内源反硝化效果。AAO系统内反硝化菌的丰度从10.17％下降至7.86％，说明投加污泥发酵对AAO工艺的反硝化效果有一定抑制作用。
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