硫循环协同反硝化除磷菌生物除磷机理及工艺研究

Based on the SANI process (Sulfate reduction-Autotrophic denitrification-Nitrification Integrated process), this project will cultivate the sulfur-cycle associated denitrifying phosphate accumulating organisms (S-DPAOs) to achieve the simultaneous nitrogen (N) and phosphorus (P) biological removal as well as study the mechanism of sulfur-cycle associated denitrifying phosphate removal. In this project, a sequencing batch reactor (SBR) with S-DPAOs is used to achieve the simultaneous N and P removal and the system control strategies are also investigated and discussed; The microbial population properties and physicochemical characteristics of S-DPAOs can be studied and analyzed by molecular biology methods and microscope examination; Through a series of batch tests and microelectrode in-situ measurement, it will be analyzed the rule of substrate (COD、NO3-、SO42-、PO43-) transportation and conversion as well as the biological reaction kinetics during the biological P removal; the metabolic mechanism of biological P removal can be demonstrated by detecting and analyzing the cell inclusions (PHA、Poly-P、Poly-S2-/S0、glycogen) within the S-DPAOs. Finally, the mechanism and scenario of the sulfur-cycle associated denitrifying biological P removal can be revealed and verified based on the above research work, and we can further optimize the process design and operating conditions for this novel biological P removal process with S-DPAOs. The above work will establish the theoretical and experimental basis for the study of S-DPAOs as well as the successful application of the sulfur-cycle associated denitrifying biological phosphorus removal process.

本项目在SANI工艺（硫酸盐还原-自养反硝化-硝化一体化工艺）基础上，培养驯化硫循环协同反硝化聚磷菌（S-DPAOs），实现工艺同步脱氮除磷效能并研究硫循环协同反硝化生物除磷机理。本项目采用序批式活性污泥反应器（SBR），实现S-DPAOs生物同步脱氮除磷工艺效能并研究其控制策略；通过对进出水及反应器内关键参数指标的定期检测，评估工艺效能及污泥减量效果；借助分子生物学分析及微观检测手段研究S-DPAOs污泥微生物种群特征及物理化学特性；通过批式实验及微电极原位测定，分析基质在生物除磷过程中的迁移、转化规律及其反应动力学；通过对S-DPAOs细胞内含物的测定分析，揭示其在生物除磷过程中的代谢机制；探明硫循环协同反硝化除磷机理，进一步优化S-DPAOs除磷工艺的设计及运行工况。通过以上研究，为S-DPAOs的研究及硫循环协同反硝化生物除磷工艺的成功应用奠定理论与实验基础。

国家经济社会的发展已经受到水资源问题的严重制约，而解决淡水资源问题的一个有效方法就是开发利用海水，与此同时，“水质性缺水”问题的日益突显，致使污水排放的标准被不断提高，污水处理技术也需要进一步开发，且对于海水综合利用所产生废水的处理问题也受到越来越多的关注。DS-EBPR工艺是在SANI工艺基础上开发出来的可达到同步脱氮除磷效果的含盐废水处理工艺，该工艺以硝酸盐作为电子受体进行吸磷反应。.本课题以含盐人工配水作为处理对象，以SBR作为运行反应器，首先研究了DS-EBPR工艺在760天的长期运行的处理效果，结果表明系统具有良好的脱氮除磷效果。释磷时间和吸磷时间分别达到7 h和2 h，有机物的生物消耗量达到27.9 mg C/g VSS左右，生物吸磷速率达到5.82 mg P/g VSS/d左右，硝酸根的去除率达到95%以上。Poly-S的生物转化形式在反应器运行至稳定阶段后期400多天时，在厌氧阶段由储存转变为消耗，在缺氧阶段由消耗转变为储存。且数据显示PHA和糖原的变化与poly-S的变化存在明显的内在联系。通过454高通量测序和FISH试验，在DS-EBPR系统中没有检测到传统的PAO，但检测到SRB和反硝化细菌的存在，说明了DS-EBPR系统功能微生物与传统EBPR系统明显不同。.批次试验研究了碳硫比、硝酸根投加量和不同碳源对DS-EBPR工艺的影响，结果显示最佳碳硫比为150/200，通过ATP能量理论计算，发现poly-S在DS-EBPR系统中理论上可作为能量储备物质。硝酸根投加量试验结果显示硝酸根投加量在20-40 mg N/L之间均可取得良好的脱氮除磷效果。不同碳源试验结果显示DS-EBPR系统的最佳碳源为乙酸，乙酸为碳源时系统有最大碳源利用效率0.036 mg P/mg C及最大反硝化除磷效率0.344 mg P/mg N。不同初始pH的批次试验结果显示在偏酸性或碱性初始pH下，系统pH均向中性pH调整，且poly-S的转化形式在pH为7.5时发生转变。在厌氧阶段，释磷过程与PHA显著相关，在缺氧阶段吸磷过程与poly-S显著相关。.为进一步研究DS-EBPR系统的优化方式，对DS-EBPR活性污泥进行了颗粒化培养，经过400天的SBR颗粒污泥培养，系统表现出良好的脱氮除磷效果，周期时间相对絮体反应器明显缩短。