有机废水厌氧同时产酸/产甲烷反硝化的耦合机制和动力学

在单一厌氧反应器中耦合厌氧产酸/产甲烷和反硝化过程，利用厌氧体系中的碳源进行反硝化，可以节约部分能源和碳源，降低处理成本，在有机废水同时脱氮去碳处理中具有巨大的应用潜力。由于实现厌氧同时消化反硝化的技术关键是优化体系中电子流分配，目前对于该工艺多组分复杂体系的生化反应机制和动力学研究尚未达成共识。本申请将厌氧消化不同阶段分别与反硝化过程耦合，研究硝态氮及其反硝化中间产物对于厌氧产酸、厌氧产甲烷过程的短期和长期抑制，分析基于不同厌氧污泥形态的反应限速因素；深入研究不同电子供体存在时反应体系的电子流分配特性和生化反应的制约、协同关系，从微生物群落水平上研究系统内不同环境条件影响导致的种群动态变化及相应的去除效率的变化，探究反应系统的微观生化机制和动力学，发展完善厌氧消化反硝化耦合的动力学模型，以期为该工艺的应用实践提供理论基础和技术支撑。

本研究在以实际有机废水为基质的厌氧反应器中实现了反硝化与厌氧产酸/产甲烷的耦合，但系统TN去除效果提高的同时，厌氧产酸/产甲烷受到氮氧化物的抑制。与硝酸盐相比，亚硝酸盐在短期内对厌氧产酸的抑制作用更为强烈。当亚硝酸盐完全被还原后，产酸活性在长HRT条件下逐渐恢复，而产甲烷在长期内仍受阻；随着丙酸逐渐被降解产甲烷活性才开始恢复。大分子易发酵有机物为主的基质中更易发生DNRA过程；而在以挥发酸为主的基质中反硝化占优势。随着COD/NOx--N比的增大，反硝化所占的比例逐渐减小，DNRA逐渐占优势。此外，除碳源以外，还原性硫也可作为电子供体参与硝酸盐还原过程，但硫化物激发自养反硝化菌活性的同时抑制了发酵细菌和异养反硝化菌。通过优化反应器构型、调节回流比、分点进水或投加可替代碳源（如木薯酒糟发酵液）等手段控制厌氧体系COD/NOx--N比和S2-/NOx--N比，可以优化电子流并维持厌氧反应器处理效果。根据以上研究结果基于ASM1构建了厌氧同时消化反硝化数学模型，该模型描述了工艺中发生的各种生化反应以及各反应之间的相互作用关系，并可以准确预测出水水质的变化（R2>0.83）。该项目研究结果为反硝化耦合厌氧产酸/产甲烷工艺的设计、运行和优化控制提供了理论基础和技术支持。