摘要
厌氧氨氧化工艺因其自氧脱氮的特性及脱氮效率高等优点成为了污水处理领域的热门研究方向。但是，由于缺乏稳定的生物途径产生亚硝酸盐（厌氧氨氧化的底物之一）限制了厌氧氨氧化工艺的应用。目前，亚硝酸盐的产生主要分为短程硝化与短程反硝化两大途径。由于短程硝化工艺启动困难且难以稳定维持、短程反硝化对外碳源投加具有依赖性以及深度脱氮达标难等问题制约着厌氧氨氧化工艺的发展和工程化应用。针对上述问题，本课题以低C/N（COD/TIN）比实际生活污水为处理对象，首先利用聚磷菌特性，于序批式反应器中逐步延长好氧时间，成功启动了短程硝化并稳定运行。此外，在低磷基质条件下驯化富集内源短程反硝化菌种，最终引入适应低氨氮废水的厌氧氨氧化菌，开发了新型一体化短程硝化厌氧氨氧化耦合内源短程反硝化(Partial Nitrification Anammox coupling Endogenous Partial Denitrification，PNAEPD)工艺，为实现生活污水高效脱氮提供了新思路，对污水处理厂的升级改造具有重要意义。主要研究内容和结论如下: 1.利用聚磷菌特性，逐步延长好氧时间在实际生活污水中成功实现了短程硝化的启动并稳定维持。 采用厌氧/好氧(Anaerobic/Aerobic，A/O)的运行模式，利用聚磷菌比增殖速率快的特性，结合排泥策略构建强化生物除磷系统，实现了氨氧化菌(Ammonia Oxidizing Bacteria，AOB)和亚硝酸盐氧化菌（Nitrite Oxidizing Bacteria，NOB）的双淘洗;在此基础上逐步延长好氧时间，15天内实现了短程硝化的成功启动，稳定阶段的亚硝积累率高达95.8％。AOB最大活性为9.55 mgN/ (gVSS·h)，远高于NOB的活性，保证了短程硝化效果的稳定。系统中富集的聚磷菌属（Tetrasphaera、Halomonas、Paracoccus、Candidatus Accumulibacter）总相对丰度高达4.64％，为短程硝化的成功启动提供了有利的菌种基础和条件。 2.在低磷基质条件下，以厌氧/好氧/缺氧/后置好氧的运行模式成功启动了内源短程反硝化（Endogenous Partial Denitrification，EPD）反应器并实现了稳定的高N02-积累。 首先采用A/O的运行模式，通过低磷基质的进水淘洗聚磷菌，富集聚糖菌并证明其内源短程反硝化的潜力。随后以厌氧/好氧/缺氧/后置好氧(Anaerobic/Aerobic/Anoxic/Aerobic，A/O/A/O)的运行模式成功启动了EPD反应器，稳定阶段CODGAo/CODintra能够维持在91.9％，硝酸盐至亚硝酸盐的转化率（Nitrate-to-nitrite transformation ratio，NTR）达81.6％。批次试验表明NO3-存在时，NO3-到NO2-的还原速率优先于NO2-到N2的还原速率，因此将反应时间控制在NO2-积累峰值或采用NO3-连续投加方式有利于最大化积累NO2-。温度对NO2-积累的影响表明，随着温度的升高，NO3-的降解速率和NO2-生成速率也随之升高;但NO2-降解速率随温度的升高也逐渐升高。因此升高温度可使NO2-提前达到最大积累值，降低温度可使系统持续提供NO2-。此外，高通量测序结果表明聚糖菌(19.31％)是EPD系统的优势菌种，有利于维持系统稳定的高NO2-积累。 3.构建了一体化PNAEPD工艺，充分利用实际生活污水中的碳源，实现了低C/N比生活污水的高效脱氮。 在稳定运行的短程硝化反应器中接种已适应低氨氮废水的厌氧氨氧化生物膜填料，待系统稳定运行后与EPD系统进行耦合，构建了一体化PNAEPD工艺。在长达160天的运行过程中，能够在C/N比低至1.6的生活污水中实现脱氮达标。稳定阶段平均出水总氮为12.5 mg/L，总氮去除率达81.5％。且随着系统反应的进行，CODGAO/CODintra逐渐升高，稳定阶段平均出水COD浓度为29.5 mg/L，COD去除率达78.5％。因此，该工艺在不投加外碳源的条件下以节能高效的方式实现了碳氮的同步去除。 4.一体化PNAEPD工艺中多种功能菌群协同作用，有利于提高该工艺的鲁棒性和应对复杂波动水质的抗冲击性能。 在一体化PNAEPD工艺中，典型的聚糖菌属（Defluviicoccus和Candidatus Competibacter）在絮体污泥中的相对丰度由2.76％增加至5.43％，从属于AOB菌属的Nitrosomona在絮体和填料上的相对丰度分别由0.02％和0.01％增加至0.62％和0.61％，厌氧氨氧化菌属Candidatus Brocadia主要分布于填料上。多种功能菌群协同作用，实现了污水中NH4+、NO2-、NO3-以及COD的去除。当短程硝化效果遭到破坏时，内源短程反硝化可以补充NO2-供给，与短程硝化共同为厌氧氨氧化提供底物，提高了系统整体的抗冲击性能。在系统稳定运行阶段，厌氧氨氧化对总氮的贡献率为32.4％，内源反硝化对总氮的贡献率为23.7％。在多菌种的协同作用下，充分发挥了异养菌和自养菌的优势，有效地提高了污水处理效率，使得系统具有良好的鲁棒性。
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