复合铁酶促活性污泥深度生物脱氮除磷反应机制研究

生物脱氮除磷是控制城镇污水氮磷污染物的主要技术手段，而维持较高微生物生化反应代谢活性是保证污水生物处理系统脱氮除磷高效、稳定运行的关键。以往研究主要侧重通过工艺型式与过程的变化解决生物脱氮除磷系统固有矛盾关系与问题，而忽视了生物处理的本质微生物活性问题。该课题基于生物化学的基础理论，利用铁离子参与电子传递作用与酶促反应激活剂作用的原理，通过强化铁离子介入微生物代谢反应过程，以提高功能微生物代谢反应活性和脱氮除磷效率；拟借助传统与现代相结合的分析和手段，从生化反应机制角度探讨提高脱氮除磷微生物活性的方法与作用机理问题，为实现活性污泥微生物代谢活性的人为调控，提高污水生物脱氮除磷效率与运行稳定性，解决低温硝化问题提供理论指导。主要研究内容包括：(1)复合铁酶促活性污泥微生物絮体结构构架特点与变化解析；(2)复合铁酶促活性污泥脱氮除磷生化反应机制研究；(3)复合铁酶促活性污泥脱氮除磷反应规律。

基于复合铁酶促活性污泥强化生物脱氮除磷技术，通过宏观系统处理能力与效率分析，结合微观微生物活性、群落结构、生长能力及其功能基因表达以及污泥絮体结构及成分等研究，在解析复合铁酶促活性污泥强化生物脱氮除磷的生化反应机制基础问题同时，揭示了复合铁酶促活性污泥脱氮除磷反应规律，取得了一批理论和试验成果。分析了不同铁盐化合物对复合铁酶促活性污泥处理能力、活性的影响；研究了复合铁酶促活性污泥微观絮体结构及其成分；分析复合铁酶促活性污泥抗低温处理能力及其活性与宏观结构变化；研究复合铁酶促活性污泥微生物群落结构；研究复合铁酶促活性污泥硝化功能微生物多样性；分析了复合铁酶促活性污泥脱氮除磷能力与反应规律，并检验了其在实际生产应用中的效果。研究结果表明，（1）Fe(OH)3有利于复合铁酶促活性污泥的形成；（2）铁元素主要存在于复合铁酶促活性污泥微生物细胞内，且其主要以Fe(C5H5)(CO)3BPh4（Fe元素价态+2价）形式存在；（3）不同反应温度下，复合铁酶促活性污泥处理能力、代谢反应活性以及絮体结构均优于普活性污泥，且在8℃~12℃低温反应条件下，与普通活性污泥相比较，复合铁酶促活性污泥生物硝化、除磷能力与微生物反应活性提高达50%~100%；（4）复合铁酶促活性污泥微生物多样性显著高于普通活性污泥，尤其在与生物脱氮、生物除磷相关的功能微生物方面；（5）适宜量的铁离子对纯培养氨氧化细菌与硝化细菌的生物生长、硝化能力变化以及功能基因表达均具有明显促进作用；（6）从处理能力、微生物代谢能力与水平与硝化功能微生物生长与硝化能力角度，均反映出复合铁酶促活性污泥能力水平的提高，且当污泥含铁量达到5%时其能力水平达到最高，并从实际生产应用角度验证了实效性。因此，本研究进一步证明了复合铁酶促活性污泥技术的合理性与科学性。围绕本项目已发表了标注由本项目资助中文期刊论文10 篇，在国际会议上发表论文1篇、宣读论文1篇；获批发明专利4项、实用新型专利1项；该技术成果成功应用于7座大型城镇污水处理厂，总处理规模超过100万m3/d；共培养硕士研究生12名。本项目组已顺利完成申请书中几乎全部预定目标，但受研究工作时限性影响，需进一步总结凝练相关研究成果。