稳定微膨胀活性污泥内源减量的质能代谢机制研究

Low dissolved oxygen limited filamentous sludge bulking process is widely noted in wastewater treatment for its low-energy, highly efficient removal of nitrogen, excellent effluent quality. Recent studies have found that significant sludge reduction potential can be obtained under low dissolved oxygen or anoxic condition in the process, however the practical application of the sludge reduction are majorly restricted, due to the internal driving and maintenance mechanism of the sludge reduction have not been clear. In this study, the characteristics of substrate and energy metabolism will be explored by modern analytical technology in the steady limited filamentous sludge bulking system, based on the difference of electron acceptor in the biochemical reaction system. Mechanism of biomass synthesis will be clarified, the biochemical stoichiometric relation between microbial growth and energy metabolism will be established, and the key factors of the sludge reduction will be identified based on investigation on the substrate and energy metabolism. The effective external control method will be obtained by exploring the coupling relationship between the key factors and the sludge reduction potential and the internal driving and maintenance mechanism of the sludge reduction. The work will provide a theoretical basis and technical guidance for the endogenous sludge reduction in limited filamentous sludge bulking activated sludge process, and promote the application and development of new endogenous sludge reduction technology.

低溶解氧丝状菌污泥微膨胀工艺因具有低能耗、脱氮效率高、出水水质优良等特点受到业内的广泛关注。近期研究发现该工艺在低氧或缺氧条件下具有较大的污泥内源减量潜能，但目前对这一污泥内源减量的内部驱动和维持机制的科学认知严重缺乏, 极大地阻碍了其向实际应用迈进。本研究以该工艺生物反应系统的电子受体差异为切入点，借助现代分析测试手段对微膨胀活性污泥系统中微生物物质代谢和能量代谢特性进行研究，以揭示微膨胀系统微生物的合成机制，构建微生物增长与能量代谢的生物化学计量关系，并基于质能代谢特性判识影响系统内源减量的关键因素，探究关键因素与污泥内源减量之间的偶联关系及响应机理，从而掌握微膨胀系统活性污泥内源减量的内部驱动和维持机制，获得稳定微膨胀活性污泥内源减量的有效外部调控手段。项目研究成果可以为微膨胀活性污泥内源减量提供理论依据和技术指导，推动新的污泥内源减量技术的应用和发展。

丝状菌污泥微膨胀工艺因“低溶解氧”的特征使其具有潜在的污泥内源减量性能，但因缺乏对这一污泥减量的内部驱动机制的科学认知, 极大地阻碍了其向实际应用迈进。本研究以该工艺生物反应系统的电子受体差异为切入点，基于热力学电子当量模型及电子传递模型揭示了不同电子受体导致微生物能量传递效率差异。通过研究微生物物质代谢基质分配和能量代谢特性，有效地揭示了微膨胀系统微生物合成特征及微膨胀系统活性污泥内源减量的内部驱动机制。获得了以下主要成果：. 微生物利用NOx-作为电子受体时，其电子能量转化效率仅是以O2为电子受体时的2/3。微生物利用O2作为电子受体时，30%的电子供体参与合成代谢，70%的电子供体参与分解代谢；利用硝酸盐作为电子受体时，18%的电子供体参与合成代谢，82%的电子供体参与分解代谢。微生物更容易利用外源基质进行生物合成，而内源基质更多用于分解产能以提供必要的能量用于细胞维持。. 通过对微生物电子传递活性ETCA、脱氢酶活性DHA、胞内ATP浓度研究发现：微膨胀活性污泥系统的微生物能量代谢活性明显大于传统活性污泥系统。低溶解氧刺激了微生物分解代谢产能并导致更多的能量被耗散而不是用于细胞合成。胞外蛋白质组学揭示：微膨胀系统微生物胞外蛋白中涉及电子传递和质子传递的蛋白质丰度为8%和4%；而传统活性污泥系统中仅为2.9%和2%。微膨胀系统中更多的蛋白参与电子传递过程。在微膨胀系统和活性污泥系统中具有氧化还原催化活性的蛋白占23.7%和10.7%。这证实微膨胀系统中微生物电子传递活性被低溶解氧强化。. 微生物在缺氧环境胁迫下对电子受体进行自适应性调整进而诱导电子传递途径转化而改变能量与基质在代谢中的分配方式是实现系统污泥减量的根本原因。. 本项目已发表SCI论文11篇；授权国家发明专利1项，申请发明专利3项。项目成果为微膨胀活性污泥内源减量提供理论依据和技术指导，推动新的污泥内源减量技术的应用和发展。