厌氧氨氧化工艺过程强化的基础研究

Anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) is a significant discovery in the fields of microbiology and environmental science and engineering. It is not only significant natural process contributing to the global biogeochemical nitrogen cycle, but also can be exploited for the treatment of ammonium-rich wastewater. However, the application of ANAMMOX process is significantly restricted due to the slow start-up, poor operational performance and limited types of wastewater to be treated. In the present proposal, new concepts of starvation start-up, optimization of calcium and phosphate and biomass addition for enhancement of ANAMMOX performance are initially proposed based on the key scientific issues concerning in different ANAMMOX process courses. Initially, the start-up course and the related major bioprocesses, namely cell lysis, denitrification and ANAMMOX will be investigated and quantified to have insight into the mechanism of start-up. Secondly, the course of formation, evolution and stacking of ANAMMOX granular sludge will be analyzed in high-rate ANAMMOX process to clarify the mechinisms of high-rate operation. Finally, the process disturbance caused by organic matter will be investigated. ANAMMOX, denitrification and sulfate reduction, which are included in organic-induced process disturbance, will be comprehensively compared and quantified to explain the related mechanisms. The major objectives of the present proposal are to clarify the mechanisms in different process courses and to develop enchanced technologies and the related mechanisms for each process course. The obtained results will be useful for the stable and high-rate operation of ANAMMOX process and appliction of ANAMMOX process in ammonium-rich wastewater.

厌氧氨氧化是微生物与环境领域的重大发现，除对全球氮素循环贡献巨大外，在高浓度含氮废水处理中也备受关注。但现行厌氧氨氧化工艺存在启动过程缓慢、运行容易失稳、应用范围局限的问题，大大制约了该工艺的工程应用。本项目针对厌氧氨氧化工艺启动过程、高效运行过程和有机物障碍过程的关键科学问题，率先提出饥饿启动、钙磷优化和菌种投加的过程强化技术原型。通过定量研究厌氧氨氧化工艺启动过程的菌体自溶、反硝化和厌氧氨氧化作用，解析启动过程机理；通过研究颗粒污泥的形成、演变与堆积，解析高效运行过程机理；通过定量研究有机物障碍过程的厌氧氨氧化、反硝化和硫酸盐还原作用，解析有机物障碍过程机理。本研究旨在搞清厌氧氨氧化工艺过程及其机理，形成过程强化技术原型，为厌氧氨氧化工艺高效、稳定运行以及在含氮废水中的推广应用提供科学依据。

厌氧氨氧化可在缺氧条件下将氨氧化为氮气，是环境科学和微生物学领域的重大发现，并对全球氮素循环起着重要作用。但由于厌氧氨氧化菌生长缓慢，厌氧氨氧化工艺存在启动过程缓慢、运行容易失稳以及应用范围局限等问题，大大制约了该工艺的工程应用。本项目针对厌氧氨氧化工艺启动过程、高效运行过程和障碍过程的关键科学问题进行了研究，取得如下成果：.1）研究揭示了厌氧氨氧化工艺的启动过程机理，提出了启动过程的控制技术。试验发现，在ANAMMOX反应器启动过程中，依次呈现菌体自溶、活性迟滞、活性提高和活性稳定4个阶段。在菌体自溶阶段，可减少进水中氨氮添加量。在活性迟滞阶段，宜维持低进水基质浓度，避免基质自抑制作用。在活性提高阶段，宜稳步提高容积氮负荷，避免反应液pH过高和基质毒害。在活性稳定阶段，宜将容积氮负荷控制在最大负荷的70%左右，以兼顾反应器运行的稳定性。.2) 研究建立了厌氧氨氧化反应器的堆积模型，提出了高效反应器的控制策略。试验发现，反应器内颗粒污泥的堆积方式为简单立方堆积，在反应器内污泥浓度小于37.8 g VSS/L的条件下，操作上宜以提高污泥浓度的方式来增大ANAMMOX反应器的容积效能；而在反应器内污泥浓度大于37.8 g VSS/L的条件下，操作上宜以提升容积负荷的方式来增大ANAMMOX反应器的容积效能。.3）研究揭示了无机盐沉淀对反应器性能的影响。研究发现，在厌氧氨氧化反应器的运行过程中观测到Fe-Zn的沉淀物，可提高污泥沉降性能；提高HCO3-浓度有利于生物硝化过程，生成的钙盐沉淀可有效附着于污泥上，进而提高污泥沉降性能，缓解污泥上浮，最终提高反应器的硝化性能。.4）研究揭示了有机物对厌氧氨氧化工艺的影响，证明了菌种流加工艺的有效性。长期在高有机物浓度条件下运行，反应器内反硝化和硫酸盐还原作用增强所致的基质竞争和功能菌生存空间竞争，可使反应器的厌氧氨氧化功能完全丧失。通过流加高效厌氧氨氧化菌种稳定目标反应器的厌氧氨氧化功能，可实现有机含氨废水高效厌氧氨氧化脱氮。.5）研究揭示了典型重金属离子Mn（II）对厌氧氨氧化工艺的作用特性。批次试验表明，Mn（II）对厌氧氨氧化污泥的半抑制浓度（IC50）为4.83 mg/L，但采用逐级驯化的策略，培育获得了可耐受200 mg/L Mn2+的厌氧氨氧化污泥，反应器的运行性能依然保持稳定。