连续流单污泥系统聚磷菌有效释磷代谢调控机制及过程控制

Because of low influent carbon source，nitrate nitrogen sludge reflux effect，etc.，phosphorus removal rate is not stable in the continuous one-sludge treatment system. It is urgently the need of developing effective control parameters，the mechanism analysis for the establishment of process control system. Through batch test and continuous flow tests，high-throughput sequencing and RT-PCR technology，the effect of the ecological factor ORP on the metabolism of PHA synthase phosphatase in phosphorus accumulating bacteria will be revealed. Then the effect of ORP on PHA synthase and phosphatase regulation in the presence of nitrate reductase will be clear. Under different ORP conditions，the interaction and mutual restriction mechanism of anaerobic phosphorus release and denitrifying bacteria respire would be investigated. Based on ORP effective anaerobic phosphorus release metabolism control strategy，the ORP model will be built with the help of No. 1 MIRROR and ASM2d model. Then effective anaerobic phosphorus release process control system with the feed forward feedback control structure would be constructed. This study will provide scientific basis and technical support for sewage treatment system running for denitrification and phosphorus removal in the best state.

在连续流单污泥污水脱氮除磷处理系统中，因进水碳源较低、回流污泥中硝酸盐氮的影响等，导致有效释磷效果不稳定，亟需解析聚磷菌有效释磷代谢机制，在此基础上建立过程控制系统。通过批次试验和连续流试验，采用454焦磷酸测序、RT-PCR等技术，揭示氧化还原电位（ORP）对聚磷菌厌氧有效释磷代谢过程PHA合成酶、磷酸酯酶的激活或诱导机制，明晰硝酸盐氮存在时ORP对硝酸盐还原酶、PHA合成酶以及磷酸酯酶的调控效应与机制，探明不同ORP条件下聚磷菌厌氧有效释磷代谢、反硝化菌硝酸盐呼吸代谢之间的相互影响、相互制约的微生物学机理；开发基于ORP的厌氧有效释磷代谢功能调控策略，结合MIRROR模型1号和ASM2d模型建立ORP数学模型，以前馈-反馈控制结构，构建基于动态数据驱动的厌氧有效释磷过程控制系统，为脱氮除磷过程在污水处理系统中以最佳的状态运行提供科学依据和技术支撑。

目前，我国城镇污水处理厂进水碳源普遍较低，再加上脱氮除磷工艺过程自身矛盾关系的存在，导致进水水质、运行参数、生态因子等对脱氮除磷效果产生影响。尤其是磷的去除效果降低后，必须增加除磷药剂投加量才可保证出水磷达标率。因此，利用现代检测技术实时监测进水水质和生态因子等的变化，并借助现代自动控制技术，实时反馈并调控运行参数，至关重要。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，寻找合适的控制参数，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：研究不同碳源和是否暴露于硝酸盐氮等的环境下，ORP等对厌氧有效释磷过程调控效果，分析微生物种群结构动态变化规律；基于物料平衡原理和化学计量学反应，分析MUCT反应器中ORP作为厌氧有效释磷过程控制参数的可行性，及碳氮磷去除途径及流向；研究不同ORP值导致的微生物群落结构、功能等种群动态变化规律，研究聚磷菌量与ORP值的响应关系；建立基于ORP动态数据驱动的过程控制系统，并评价系统性能。得出的重要研究结果如下：MUCT工艺中各反应段ORP呈典型变化规律，为脱氮除磷过程中的各菌种提供了适宜的氧化还原条件；碳源类型以及是否存在硝酸盐氮对活性污泥中优势菌种、主要聚磷菌变形菌门的丰度存在影响，导致PHA合成量和释磷量表现出规律性变化；MUCT工艺中，调控ORP值，出水硝酸盐氮浓度降低，因此厌氧段和第一缺氧段更多的COD合成PHA，流向聚磷菌，提高了聚磷菌有效释磷量；调控ORP，可获得良好的碳源节省、细胞物质产量减少、耗氧量减少等效应；微生物学机理分析可知，调控ORP可激活或诱导ppk基因，促进聚磷菌厌氧有效释磷代谢过程。本研究为控制参数开发和控制系统构建提供了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，缓解我国水环境污染和水资源短缺的现状具有重要意义。