以硝酸铵为最终产物的尿液废水资源化控制过程机理研究

Biological nitrification to yield ammonium nitrate liquid fertilizer is an attractive approach for complete recovery of macro-nutrients from source-separated urine. This also benefits the removal of nitrogen and phosphorus from municipal wastewater and the improvement of aquatic environment quality. The key of the novel concept is to control the nitrification process so that about half of the ammonium in urine can be oxidized to nitrate. However, the accumulation of nitrite and the reactor acidification occur frequently due to the lack of cognition to microbial community characteristics and activity under acidic condition especially when pH is lower than 6. Therefore, this project is proposed to investigate the interactions among nitrifiers, pH, free ammonia (FA) and free nitrous acid (FNA). Based on the estimation of kinetic parameters, the applicability of nitrification dynamic model will be tested. Combined with the thermodynamics calculation method in the process of cell metabolism, a new mechanism model will be established to describe the influence of FA, FNA, and pH on the urine half-nitrification process. Then, control method of the urine half-nitrification will be examined based on the mechanism analysis. The successful implementation of this project will provide theoretical basis and technical support for further application of urine source-separation.

以硝酸铵为最终产物的尿液资源化技术，在实现氮、磷减排改善水环境的同时，更可以促进氮、磷、钾等营养元素在生态链中的闭环式流动。尿液废水中氨氮的半数转化为硝态氮（符合硝酸铵配比，定义为半硝化）是制备上述营养液的关键，然而，目前对于酸性条件尤其是pH低于6时硝化细菌的菌群特征及活性认知的不足，使得尿液废水半硝化过程难于控制，易出现亚硝酸盐积累和反应器酸化的问题。因此，申请人提出项目立项，考察尿液废水特殊条件下生物半硝化过程中反应器运行性能，分析硝化细菌菌群与pH变化、游离氨和游离亚硝酸之间的相互作用关系；测定硝化细菌动力学参数，分析现有硝化动力学模型适用性并作出修正；结合细胞代谢过程中热力学的计算方法，构建尿液废水半硝化过程受FA、FNA、pH复杂体系影响的综合机理模型，解析酸性条件下硝化细菌活性变化的机理，提出尿液废水半硝化过程的控制方法，为尿液废水资源化处理的稳定实现提供理论基础和技术支撑。

对尿液废水进行资源化处理，不仅可以有效削减污水处理的氮磷负荷，还能实现氮磷钾资源的回收利用。然而现有处理技术面临成本高、流程复杂等诸多问题，本研究提出半硝化膜生物反应器-反渗透浓缩的新工艺，最终将尿液废水转化为硝酸铵植物营养液。针对这一新工艺，本项目研究了尿液废水半硝化的启动和硝化菌群特征、尿液废水半硝化反应动力学特性、尿液废水半硝化控制方法及硝酸铵植物营养液的制备。在以腐熟尿液和新鲜尿液作为进水时，均实现了中等浓度（~400mg/L）尿液废水的半量硝化，氨氮与硝酸盐氮的摩尔比约为1:1，硝化细菌主要有Nitrosomonas和Nitrospira；在酸性条件下（~pH5）实现了稳定的短程硝化，AOB由Nitrosomonas转变为Nitrosospira，动力学分析表明其对氨的基质半饱和常数为11.4 -16.5 mg /L，能适应低pH和高FNA（1-2 mg N/L）的双重冲击；以低浓度尿液废水作为基质，逐步富集到了全程硝化菌，相对丰度达到了近30%，全程硝化菌amoA基因的拷贝数比AOB和AOA高出4个数量级，利用宏基因组技术重建了三株新的全程硝化菌的基因组草图，对它们的进化发育、关键功能基因、尿素代谢路径等进行了分析，除低基质和长SRT外，尿素可能是富集全程硝化菌的重要因素；利用海绵填料作为载体，在不同氨氮和DO条件下Nitrospira均为主导菌群，相对丰度在3.14%-23.0%，comammox Nitrospira amoB基因拷贝数比AOB amoA基因拷贝数高出1个数量级，通过宏基因组技术进一步确认了全程硝化菌的主导地位，进一步明确了长SRT对于全程硝化菌富集的影响；利用膜生物反应器富集到了全程硝化菌，通过调控pH的方法实现了中等浓度尿液废水（~600 mg/L）中部分氨氮的半量硝化，分析了酸性条件下FA、FNA和pH对AOB和全程硝化菌的影响，提出了利用尿液废水制备硝酸铵营养液的控制方法；利用反渗透浓缩制备了硝酸铵植物营养液（6480 mg/L），比较了不同膜的浓缩效果，开展了种植实验并对产品的经济效益进行了评价，为构建新型尿液废水资源化工艺提供了重要支撑。