连续流单污泥系统反硝化聚磷菌硝酸盐呼吸代谢调节机制及过程控制

There is great application potential in wastewater treatment by enhancing anoxic phosphorus uptake process to save carbon source, energy and reduce excess sludge, especially in single sludge system for simultaneous phosphorus and nitrogen removal. The process control and mechanism of nitrate respiratory metabolism by DPAOs (denitrifying phosphate-accumulating organisms) is the key breakthrough. This research focused on the induction and repression effects of NO3-N and intermediate products on key enzyme of DPAOs nitrate respiratory metabolism. The control mechanism of ecological factors on key enzyme was studied and the corresponding function limited ecological factors were identified. Key enzyme activation, ecological factors control and other DPAOs function control strategies were developed. Based on mathematic model combined with feed forward and back control system, denitrifying phosphorus uptake process control system is established according to dynamic data of influent characteristics, NO3-N concentration in main anoxic zone and ecological factors. The research findings contribute to development of ecological physiology theory, also lay a good foundation for further explore the function of DPAOs in biological process of removing nitrogen and phosphorus from wastewater.

在单污泥污水同步脱氮除磷工艺中，促进反硝化吸磷过程可节省碳源、能源以及减少剩余污泥产量，因此，促进该过程的技术应用潜力巨大。而反硝化聚磷菌(DPAOs)硝酸盐呼吸代谢调节机制，则是在污水处理过程中强化DPAOs功能的关键理论基础。本研究通过硝酸盐及反硝化中间产物对DPAOs硝酸盐呼吸代谢关键酶的诱导与阻遏作用、生态因子对DPAOs硝酸盐呼吸代谢关键酶的调控效应等研究，阐明硝酸盐及反硝化中间产物对DPAOs硝酸盐呼吸代谢关键酶的诱导及阻遏机制，揭示生态因子对DPAOs硝酸盐呼吸代谢关键酶的调控机制，并探明限制或促进DPAOs功能的主要生态因子，开发关键酶激活、生态因子调控等DPAOs功能调控策略。结合数学模型，以前馈-反馈控制结构，建立基于进水水质、主要缺氧段NO3--N浓度以及生态因子动态数据驱动的反硝化吸磷过程控制系统，为进一步研发污水生物脱氮除磷技术奠定基础。

在同步脱氮除磷工艺中促进反硝化吸磷过程既可减少能量消耗、实现剩余污泥的减量化，又可缓解聚磷菌和反硝化菌竞争碳源的矛盾，但该过程不稳定，对进水水质、运行参数、生态因子的变化反应灵敏，其有效控制理论与技术至今不明。因此，从微生物生理生态学角度解析反应系统中的微生物种群对生态环境的响应机制，以寻找合适的控制变量，开发控制策略，建立过程控制系统是十分必要的。本项目进行了如下研究：基于ASM2d模型，构建改良A2O工艺数学模型，对化学计量学系数和动力学参数进行校正与验证；借助高通量测序等分子生物学技术，分析微生物群落的动态规律，解析暴露于NO3--N等环境中的活性污泥微生物种群响应机制；研究改良A2O工艺主缺氧段内不同硝酸盐氮质量浓度和ORP值影响导致的微生物群落结构、功能等种群动态变化规律及氮磷去除途径的变化，揭示系统中碳、氮、磷主要物质的降解与转化规律；建立基于ORP动态数据驱动的反硝化吸磷过程控制系统，并对其性能进行了评估。得出的重要结果如下：改良A2O工艺模型中的动力学参数和化学计量学系数qPHA、KA、KPP、YPO4、μAUT和ηNO3分别取值2.90 gXPHA/（gXPAO•d）、3.85 gCOD/m3、1.35 gXPP/（gXPAO•d）、0.35、1.6和0.8，其他参数值为ASM2d模型中的默认值；当改良A2O工艺主缺氧段硝酸盐氮浓度设定值控制为2-4 mg•L-1时，系统具有最佳的反硝化吸磷性能，结合碳氮磷物质转化规律分析可知，当主要缺氧段硝酸盐氮浓度较高时，可刺激Rhodocyclus属、Microlunatus属和Tetrasphaera属等硝酸盐呼吸代谢功能；以主缺氧段ORP值为控制参数，最佳范围为-95~-143mV；以ORP为控制参数，以混合液回流流量为被控变量建立了反硝化吸磷过程控制系统。本研究为促进反硝化吸磷过程在污水处理系统中的应用提供科学依据和技术支撑，对降低污水氮、磷排放总量和剩余污泥产量，实现污水处理厂的节能降耗，促进我国水环境污染和水资源短缺的根本好转具有重要意义。