调控污泥形态强化单级颗粒污泥自养脱氮系统抵御低温胁迫的效能及机理

Single-stage autotrophic nitrogen removal process has shown broad prospects in municipal sewage treatment at low temperature, for its advantages such as low demand of oxygen and no demand for organic carbon source. Slow start-up regulation period and instability of operation are the most critical limitations of the application of the process. This research proposed that the floc and granular sludge in the single-stage autotrophic nitrogen removal system were adjusted artificially in order to improve efficiency of the functional bacteria growth, and to accelerate the modulation of microbial community structure and the reconstruction of reaction equilibrium, to develop the adaption of autotrophic nitrogen removal system to low temperature conditions. This research will build single-stage autotrophic nitrogen removal systems combined floc and granular sludge. At three typical working conditions of low temperature, the performance and control parameters are investigated to optimize the morphology and proportion. To study the mechanism of regulating sludge morphology intensify resistibility of the combined system to low temperature coerce, a microbial growth kinetics model is established and the succession of functional bacterium community structure and variation rule of metabolic activity are also investigated. Then a comparative experiment will be carried out to verify the availability of the regulation strategy. The results of this research will not only provide the theoretical foundation but also a novel regulation strategy for the rapid adaptation and stable operation of single-stage autotrophic nitrogen removal process could apply to municipal sewage treatment at low temperature.

单级颗粒污泥自养脱氮系统具有需氧量低、无需有机碳源、脱氮效率高等优点，在处理低温城市污水方面具有广阔前景。该系统在低温胁迫条件下存在调控时间长、运行不稳定等问题，是限制其推广应用的关键因素之一。本研究假设通过对单级自养脱氮系统中絮状及颗粒污泥进行主动调节，可更有效控制功能菌生长，加快菌群结构调整及反应平衡重构，从而提高自养脱氮系统对低温工况的响应能力。本项目将构建絮状-颗粒污泥耦合单级自养脱氮系统，在三种典型低温工况下，研究脱氮效果及运行控制条件，优化污泥形态及比例；建立微生物生长动力学模型，并结合功能菌的群落结构演替及代谢活性变化规律，揭示调控污泥形态强化耦合系统抵御低温胁迫的主导机制；通过对比试验验证污泥形态调控方法的有效性。研究结果将为低温下单级自养脱氮系统处理城市污水的快速适应和稳定运行提供理论依据和新的调控方法。

本项目研究了三种不同污泥比例的絮状-颗粒污泥耦合单级自养脱氮系统在三种不同典型低温工况下的脱氮性能，并探寻其低温抵御机制。首先，分别构建高颗粒（颗粒:絮状=10:1~30:1）、等量（颗粒:絮状=1:1~1.5:1）和高絮状（颗粒:絮状=1:10~1:30）三种耦合单级自养脱氮系统，通过分别对絮状和颗粒污泥进行泥龄控制，实现耦合系统的快速启动，验证耦合系统维持污泥形态及比例的可行性。其次，考察三种不同典型低温工况（短期低温、常温-低温交替、长期低温）对三种耦合系统脱氮性能的影响，并针对不同工况下不同耦合系统的脱氮特征，分别制定运行参数的调控方案，为低温条件下自养脱氮工艺的工程应用提供数据支撑。再次，通过结合功能菌活性、关键酶活性、菌群结构及功能基因表达水平等分析，分别揭示不同低温工况下三种耦合系统抵御低温胁迫的机制，与耦合系统运行参数的调控形成反馈机制，进一步优化低温下耦合系统的控制策略，为通过污泥形态调控实现低温下自养脱氮工艺稳定运行的工程化应用提供有效理论基础。最后，对比各系统在低温下的脱氮性能及低温抵御机制，筛选不同工况下的最优耦合系统，即在短期低温、常温-低温交替工况下，等量系统具有最优的脱氮性能，10℃时总氮去除负荷（NRR）分别达到0.052、0.100 kgN/m3/d；而在长期低温工况下，10℃时高颗粒系统具有最优脱氮性能，NRR为0.040 kgN/m3/d。耦合系统维持低温下稳定高效脱氮的关键在于氨氧化菌（AOB）及厌氧氨氧化菌（AAOB）保持相对平衡的丰度及活性。由于AOB及AAOB在颗粒和絮状污泥中的分布不同，而低温对颗粒及絮状污泥的影响有所差异，因此污泥形态及比例调控实质在于加速系统内AOB及AAOB达到平衡状态。以上研究成果可为不同低温条件下单级自养脱氮系统处理城市污水的稳定运行提供新的调控方法及技术基础，拓展单级自养脱氮系统的污水处理应用领域。