基于SANI工艺的自养反硝化菌污泥颗粒化过程及其作用机制研究

Sulfate reduction, Autotrophic denitrification and Nitrification Integrated (SANI) process is a novel technology for excess sludge reduction in wastewater treatment. In order to further improve the performance of the SANI process, in this project the granular sludge of autotrophic denitrifiers (AD) in the SANI process will be cultivated as well as the formation and stabilization mechanism and kinetic model of the AD sludge granulation will also be thoroughly and carefully studied. This study will conduct the batch tests and molecular microbial analysis to identify the key influence factors and the optimal controlling parameters during the AD sludge granulation as well as verify the composition, the physicochemical characteristics of sludge granule and the microbial population properties inside granular sludge; use the micro-electrode in-situ detection to analyze the substrate transportation, conversion and biodegradation inside sludge granule and the distribution and competition of functional microorganism groups; explore the formation and stabilization mechanism of the AD granular sludge, develop the kinetic model to quantificationally simulate the formation and stabilization process of AD granular sludge after the model verification. Based on the above study, the optimal start-up scenario of AD granulation will be systematically suggested and applied, which will not only supply the theoretical and experimental foundation for the AD sludge granulation, but also the academic and technical supports for the full-scale application of the SANI technology in the future.

硫酸盐还原、自养反硝化、硝化一体化（SANI）创新工艺为污水处理行业污泥减量提供了解决之道。为了进一步提高SANI工艺效能，本项目拟对SANI中的自养反硝化菌进行颗粒化培养，并开展自养反硝化菌颗粒污泥形成和稳定机理研究及颗粒化过程动力学模型研究。本项目通过批量实验、分子生物学分析等手段研究颗粒化过程关键影响因子及最优控制条件，探明污泥颗粒结构、物化特性及微生物种群特征；通过微电极原位测定，分析基质在颗粒内的迁移、转化和降解规律及其与功能菌群的分布、竞争之间的关系；深入探讨自养反硝化菌颗粒污泥形成及稳定机理，并建立污泥颗粒化过程动力学模型，定量描述自养反硝化颗粒污泥形成与稳定过程，并验证模型有效性。通过以上研究，系统建立自养反硝化菌颗粒污泥最优化启动方案，为自养反硝化污泥颗粒化奠定理论与实验基础，为将来SANI技术的大规模应用提供理论与技术保障。

本研究通过系统分析现有传统污水脱氮技术的现状、困境、解决途径以及氮迁移与温室气体排放，阐述了硫自养脱氮技术、污泥颗粒化技术结合的应用前景。本研究采用上流式缺氧颗粒污泥（GSAD）反应器培养硫自养反硝化菌颗粒污泥，系统性探讨其驯化培养过程中的物理、化学特性变化，及其微生物种群的多样性和分子生物学特性，同时针对以硫化物为电子供体的自养反硝化过程及其中间产物的生成与释放影响因素及机理进行深入研究。主要结果如下： .(1) 首次成功培养出了高活性、高性能的硫自养反硝化菌颗粒污泥。硫自养反硝化菌污泥颗粒化在60天内就快速完成。硫自养反硝化菌污泥颗粒化系统稳定运行超过800天，成熟的颗粒污泥结构密实，平均粒径在1350 μm左右，MLVSS为6.6 ± 0.1 g/L。. (2)硫自养反硝化菌由外到内较均匀的分布在颗粒污泥中，保证了高效的硫自养脱氮反应在颗粒内进行。在硫自养反硝化菌颗粒化过程中，变形菌门在硫自养反硝化菌颗粒污泥的全部序列中占了62 % ~65%。变形菌纲从α-变形菌纲向β-变形菌纲、ε-变形菌纲发生了转变。而种属方面，培养100天时，脱氮硫杆菌、脱氮硫螺杆菌在GSAD反应器的硫自养反硝化菌颗粒污泥生物群落中的比例分别达到29.8%、1.16%；培养700天时，两种种属更是分别达到了32.6%、31.3%。 .(3)硫自养反硝化菌颗粒污泥的粒径并不是越大越好（单位体积生物量大），也不是越小越好（传质性能佳）。 .(4) 在pH为6~9时，pH值越低，产生的N2O量越多GSAD反应器中N2O气体释放浓度随着进水S/N的降低而逐渐升高。结果表明，控制进水S/N质量比率≥1.7 g-S/g-N，能保证GSAD反应器的N2O气体释放浓度处于低水平状态（<进水总氮的0.004%）。随着S/N比的提高，颗粒污泥脱氮过程更为彻底，N2O的产量更低。在一定硫化物浓度范围内（<250 mg-TDS/L），较高的S/N比可以减少中间产物的产生与积累。 .(5)当电子供体充足时，硫自养脱氮过程中四种还原酶之间的电子竞争不明显；当电子供体不足时，其电子竞争现象明显且易积累中间产物，故保证足够浓度的电子供体浓度有利于减少中间产物的积累与释放。