好氧/沉淀/厌氧(OSA)工艺的污泥减量机制及其调控研究

Biological sludge reduction is achieved by the transformation of particulate organic fractions, including microorganisms and particulate organic matters, to dissolved organic matters (DOM) by special microorganisms using the creation of microenvironment. The anoxic-oxic-settling-anaerobic (A+OSA) system will be built to investigate its operational performances and sludge reduction mechanisms. The migration and transformation of DOM in the system will be analyzed by fingerprint methods to investigate the generation and degradation routes of DOM. The sludge reduction and nitrogen removal efficiencies of the A+OSA system will be simultaneously optimized by the regulation of influent carbon source and process parameters. 16S RNA genes of microorganisms will be systematically analyzed by the 454 high-throughput pyrosequencing technology to explore the microbial community structure and functional biomass for sludge reduction in the A+OSA system. The kinetics of decay of microorganisms, hydrolysis of particulate organic matters and extracellular polymeric substances will be investigated by mathematical modeling and parameter estimation for the comprehensive evaluation of sludge reduction performance of the A+OSA system. The investigation results are expected to provide new scientific supports for the regulation and evaluation of the OSA sludge reduction process.

生物污泥减量是通过微环境营造利用特殊的微生物种群将颗粒态有机组分（包括微生物和颗粒态有机物）水解溶胞转化为溶解性有机物（DOM）的过程。本申请项目以具有良好应用前景的好氧-沉淀-厌氧（OSA）污泥减量工艺为研究对象，构建缺氧-OSA（A+OSA）系统，系统研究其运行特性、污泥减量机制和调控策略。通过指纹图谱手段分析DOM在系统中的迁移转化规律，考察DOM的产生和降解途径；通过调控进水碳源和工艺参数，同步优化A+OSA系统的污泥减量和脱氮效果；通过454高通量测序技术综合分析微生物的16S rRNA基因，系统研究其微生物种群结构和污泥减量功能菌群；通过数学模型构建和参数优化估计分析微生物衰减、颗粒态有机物水解和胞外聚合物离解的动力学特性，综合评价A+OSA系统的减量效果。本研究成果将为OSA技术的运行调控和减量效果测算奠定理论基础，推动OSA污泥减量技术在污水处理厂的应用。

由于对污泥特性和出水水质影响较小，在污泥回流管线中设置厌氧侧流反应器（ASSR）实现污泥原位减量被认为是解决困扰污水处理行业的剩余污泥问题的最佳可行技术之一。然而，ASSR工艺的污泥原位减量机制与运行条件调控对策尚未完全明确。本项目构建了缺氧-好氧-沉淀-厌氧（A+OSA）和ASSR耦合缺氧膜-生物反应器（A-MBR）工艺，系统研究了ASSR系统的污染物去除、污泥减量效果和微生物种群演化规律，并考察了侧流比、ASSR水力停留时间（HRTA）、侧流反应器微氧水平等因素对工艺运行特性的影响。.200天的运行结果表明，A+OSA具有与缺氧-好氧（AO）工艺同样高效的COD和氨氮去除率。由于ASSR中溶解性有机物（DOM）释放和反硝化作用，A+OSA总氮去除率更高。A+OSA工艺污泥产率为0.179 gSS/gCOD，较AO减量30.4%。A+OSA中微生物种群丰度和稳定性明显高于AO，并会富集厌氧发酵菌和慢速生长菌。.作为ASSR的重要工艺参数，侧流比和HRTA会显著影响工艺运行特性。3套A-MBR长期平行试验表明，A-MBR具有很高的COD和氨氮去除率。侧流比由0.2增加至1.0促进了二次基质释放，有助于改善脱氮效率，实现污泥减量率由6.0%提升至49.7%。高通量测序分析表明，高侧流比有助于慢速生长菌的富集，而低侧流比则会富集水解菌和捕食菌。HRTA由3.3 h提高至6.7 h，A-MBR的TN去除率会明显提升，污泥减量率由8.0％提高至40.9％。MBR和ASSR的污泥衰减系数分别为0.022和0.042 d-1。ASSR中惰性颗粒有机物（POMs）的水解速率常数（0.054 d-1）明显高于MBR（0.018 d-1）。动力学模型分析与高通量测序结果均表明，A-MBR大量富集了水解和发酵细菌，ASSR中POMs的厌氧水解对污泥减量贡献最大，其次为好氧池中活性微生物溶胞。.侧流反应器变更为微氧条件（MSSR）后，HRTM由3.3 h提升至6.7 h时，污泥减量率由10.8%提高至47.5%，并通过富集水解、发酵和捕食菌促进了DOM的释放和利用。HRTM为3.3 h的MSSR大量富集反硝化菌，并实现了最高的总氮去除率。HRTM为5.0 h的M-MBR实现了聚磷菌的富集，且总磷去除率最高。延长HRTM至6.7 h可富集絮体形成菌并抑制丝状菌的生长，改善污泥脱水性能。