摘要
短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺（Partial Denitrification/anammox，PD/A）是一种全新的脱氮工艺。它可以有效地减少有机物需求和污泥产量，以及减少温室气体的产生，可成为可持续性的主流废水处理方式之一。然而， PD/A 存在着厌氧氨氧化反应（anaerobic ammonium oxidation，anammox）会产生一定的硝态氮（NO3--N，约占总氮的 11%），以及碳源添加比较难准确控制从而波动影响短程反硝化（ Partial Denitrification，PD）中亚硝酸盐（NO2--N）的累积量的缺陷。为更好的将 PD/A 应用于城市主流废水，本课题以处理低 C/N城市污水为对象，研究了 PD的快速启动和 PD污泥颗粒化，并分析了外加零价铁（Zero-valent Iron，ZVI）对 PD/A 耦合工艺的脱氮性能的影响，同时深入分析功能菌的活性、微生物群落结构，得出了 ZVI 对 PD/A 耦合工艺的强化机理。主要研究结论如下： （1）采用西安市第四污水处理厂厌氧池活性污泥，控制pH为9.0±0.1，经批次实验确定最优C/N为2.5，通过联合提高进水NO3--N浓度和缩短搅拌时间，亚硝酸盐转化率（Nitrate-to-nitrite Transformation Ratio，NTR）分别在第19d达到了76.1%，在第41d达到了81.1%，实现了PD的快速启动。 （2）PD接种污泥初始污泥体积指数（Sludge Volume Index，SVI）为221.5 mL/g，比反硝化速率（rno3）为1.22±0.05 gN /(gVSS·d)，VSS/SS为46.6±0.13%，污泥的沉降性能较差。随着氮容积负荷（Nitrogen Load Rate，NLR）提升，促进了微生物胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）的分泌，EPS的提高促进了污泥颗粒化。污泥 SVI 降至59.6mL/g，rno3提高到1.48±0.03 gN/(gVSS·d)，MLVSS为 0.32±0.01g/L， VSS/SS提高至72.7±0.31%，大幅改善了污泥的沉降性能，微生物活性增强。 （3）在PD/A耦合工艺中，PD反应器进水化学需氧量（Chemical Oxygen Demand， COD）浓度在212.5~231.5 mg/L之间，NO3--N 浓度在91.81~95.65mg/L之间，NTR平均为83.3％，进水总氮浓度在161.11~168.45mg/L之间，耦合工艺氮去除负荷（ Nitrogen removal load ， NRR ）、总氮去除率（ Total nitrate removal ， TNRE ）分别达到 0.547 kg·N/（ m3·d ）、83.2%， COD去除负荷、COD去除率分别达到 0.51kg COD/(m3·d)、93.6%，证明了PD/A耦合工艺启动成功并具有处理低C/N比废水的能力。 （4）投加ZVI阶段，反硝化菌（Denitrifying Bacteria，DNB）门水平和属水平相对丰度升高，厌氧氨氧化菌（naerobic ammonium oxidation bacteria，AnAOB）的微生物 的多样提高，此阶段 PD/A 耦合工艺 TNRE 提升至 92.5±0.3%，出水浓度降至5.67±0.01mg/L ，说明投加 ZVI 对脱氮微生物菌群有良好的调控作用，可显著提高PD/A耦合系统的脱氮效率。 （5）在 COD受限的情况下，向 PD反应器中投加 ZVI，反应器中的电子供体主要是 COD和 ZVI，电子通过一系列电子传递链，传递到电子受体。同时，在硝酸盐还原酶（Nitrate Reductase，Nar）的催化下，电子在NO3--N还原为NO2--N的过程中被消耗，此过程既减少了 ZVI 的添加，又有效的利用了水中的 COD，铁离子进入 anammox 反应器中，在厌氧铁氨氧化（ Feammox ）和硝酸盐依赖型亚铁氧化（ Nitrate-dependent Ferrous Oxidation，NDFO）协同作用下，使得出水氨氮（NH4+-N）、NOx--N 减少，从而提升低C/N污水出水水质。
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