城市污水一体化厌氧氨氧化(CAR)主流脱氮工艺研究

Municipal wastewater organic matter pre-concentration processes developed recently for comprehensive resource recovery have rendered an influent short of organics and suspended solids, which is benefit for the growth of Anammox microbes. However, low ammonia concentration in municipal wastewater still exhibits as the main bottleneck of the application of mainstream Anammox process. Therefore, a Combined Anammox Reactor (CAR) based process is proposed in this study to minimize the low ammonia concentration impact on Anammox process. By the application of ammonia adsorptive materials, induced high ammonia concentration near the surface of the adsorbent can help the growth of biofilm which combines autotrophic AOB and AnAOB for energy-efficient nitrogen removal. Moreover, the biofilm is also designed for simultaneous bio-regeneration of the adsorption capacity of the adsorbent. This study will make an effort to clarify the nitrogen removal mechanism and microbial dynamics in molecular biological way along with their synergistic reaction, so as to propose an optimal operation strategy for demonstration and scaling-up.

近年来发展的城市污水碳源预浓缩工艺为主流Anammox工艺提供了适于Anammox微生物生长的低有机物低悬浮物出水，因此克服低氨氮低温对城市污水主流Anammox工艺的限制成为需要解决的主要难题。本研究提出建立基于吸附载体生物膜的城市污水一体化厌氧氨氧化(CAR)主流脱氮工艺，利用氨氮吸附材料形成局部高氨氮环境，并利用吸附材料作为自养脱氮生物膜载体同步实现高效脱氮与吸附材料的生物再生，而实现低耗、高效、稳定的城市污水脱氮效果，解析工艺脱氮机制，并通过分子生物学手段探索工艺中的微生物协同脱氮作用机制，为工艺应用及推广提供理论依据，设计低耗、高效、稳定的工艺调控策略。

本研究针对城市污水主流Anammox工艺应用时低温、低氨氮缺陷，设计吸附载体强化的一体化厌氧氨氧化工艺形成局部高浓度氨氮引导生成结构稳定的Anammox工艺和Anammox细菌协同作用的生物膜，实现低浓度城市污水氨氮的高效去除和载体吸附特性的生物再生，保证工艺的连续稳定运行。.研究发现，作为典型吸附载体在低氨氮基质浓度（50mg/L）下，Na型离子交换树脂的饱和吸附量为11.4mg/g，改性沸石的饱和吸附量为9.1 mg/g，天然沸石的饱和吸附量为7.5mg/g，而颗粒活性炭饱和吸附量为5.7 mg/g。不同吸附载体均可用于Anammox生物膜挂膜，其中，Na型离子交换树脂形成的生物膜生物量较多、载体间生长密度高，改性沸石的生物量居中，颗粒活性炭生长的生物膜量较少。不同吸附载体的生物解吸过程可以发生。其中，离子交换树脂的主要解吸机制为化学解吸，解吸量达到5.08mg/g，约占饱和吸附量45%，生物解吸过程比例较低。改性沸石的主要解吸机制为化学解吸与生物解吸，解吸量分别为0.68 mg/g与0.78 mg/g，但总解吸量仅为饱和吸附量17%。颗粒活性炭的三种解吸过程均有较大贡献，物理解吸、化学解吸及生物解吸的解吸量分别为0.8mg/g、0.42mg/g及0.74mg/g，总解吸量为饱和吸附量的35%，介于离子交换树脂和改性沸石之间。在氨氮和亚硝氮基质比为1的条件下，离子交换树脂生物膜体系的平均TN去除率达到51%以上，其中通过Anammox过程实现TN脱除的比例约为45%，而通过吸附载体实现TN去除的比例约为55%；改性沸石生物膜体系的运行末期平均TN去除率约32%，其中通过Anammox过程实现TN脱除的比例约为25%，而通过吸附载体实现TN去除的比例约为75%；颗粒活性炭生物膜体系运行末期的平均TN去除率达到56%，其中通过Anammox过程实现TN脱除的比例约为52%，而通过吸附载体实现TN去除的比例约为48%。基于16S rRNA的高通量测序结果表明，离子交换树脂、改性沸石和颗粒活性炭三个体系中生物膜和悬浮污泥样本中，相对丰度最高的优势菌门菌为变形菌门和拟杆菌门，而属水平上，各样本的菌的差异较大，其中离子交换树脂的生物膜与其他各样品群落结构差异最大，而颗粒活性炭和改性沸石的生物膜群落结构最为相近。