微氧强化废水生物脱硫脱氮耦合硫回收新型工艺及调控策略

Nowadays, the treatment of sulfur & nitrogen-laden organic wastewater stands out in China. Coupling wasted water treatment and elementary sulfur recovery is an efficient strategy to eliminate sulfuric environmental problem. Current biotechnology for sulfur & nitrogen-laden organic wastewater treatment had low efficiency and low sulfur recovery. This proposal aiming at efficiently desulfurization and elementary sulfur recovery, stimulate and enhance denitrifying sulfide removal process by micro-aerobic for extracellular over-sulfur yield. It will focus on bio-convert pathway of carbon, nitrogen, and sulfur, ecological relationship of functional microorganisms, mechanism of extracellular over-sulfur yield, and orientation regulation of enhanced denitrification and desulfurization under micro-aerobic condition. Based on the improvement of bio-desulfurization, it proposes the strategy of enhanced elementary sulfur recovery coupled with integrated denitrification and desulfurization process under micro-aerobic condition and regulation. In addition, this proposal will also provide theory support denitrifying sulfide removal process technology application.

我国含硫含氮有机废水治理需求迫切。采取有效技术方法实现废水达标处理同步回收硫资源是彻底消除硫系物环境隐患的有效措施。但是，现有的废水生物脱硫脱氮技术普遍存在着硫、氮去除能力有限、单质硫转化率偏低等问题。本研究以提高生物脱硫和硫转化效率为目标，利用微氧条件刺激和强化微生物的反硝化脱硫反应进程，以期实现高硫负荷下细胞外超量排硫。重点研究微氧条件下碳、硫、氮的生物转化途径、功能微生物的生态关系及互作规律、溶氧氧强化微生物胞外排硫与硫超量积累的调控机制、微氧条件强化废水同步脱硫脱氮的定向代谢调控方法等，并基于溶解氧对生物脱硫的促进作用，提出微氧强化生物脱硫工艺的系统优化措施及定向生态调控提高硫产率的策略，进而开发微氧强化废水生物脱硫脱氮耦合硫回收新型工艺，并为工艺的应用提供技术基础。

本项目主要针对我国含硫含氮有机废水处理技术匮乏、硫系物毒性大等问题， 以高单质硫生物转化为目标，提出了一种微氧强化生物脱硫脱氮效能的方法，即通过控制曝气速率形成微氧条件，刺激和强化硫酸盐还原-反硝化脱硫进程，促进微生物胞外排硫，强化生物脱硫脱氮效能。本项目主要考察了微氧环境对多元污染物的去除及单质硫转化规律，解析了微生物群落结构对微氧环境的响应，提出微氧条件促进单质硫生成的调控策略，建立微氧强化有机废水生物脱硫脱氮工艺数学模型，为废水生物处理工艺系统设计和优化运行提供了指导。 .建立了微氧调控同步脱硫脱氮进程的方法，通过控制曝气速率使硫酸盐还原、反硝化脱硫、有机物厌氧氧化等过程有序进行，实现废水中碳、氮、硫污染物共转化，在曝气速率为4.0 ml/min条件下，单质硫转化率由 11.1% 升至 69.2%。硫酸盐、硝酸盐和有机物去除率分别为91.0%，99%和89.6%。解析了功能微生物对微氧环境的响应， 高通量测序数据解析表明微氧环境使得微生物群落的多样性显著增加。 微氧环境对功能微生物类群产生了有效的定向选择作用，Illumina分析结果表明，在所有样品群落中Azoarcus、 Pseudomonas、 Thauera为丰度较高的优势反硝化细菌。 Spirochaeta 和Sulfurovum为丰度最大的两类硫氧化细菌。.建立了微氧强化微生物胞外排硫的生物强化策略，通过分离筛选得到一类异养反硝化脱硫功能微生物，这类微生物具备了高效同步代谢有机碳，硝酸盐和硫化物的特征，是一种超常规的生物脱硫现象。确立了异养反硝化脱硫模式株X2的新属地位，命名为Thiopseudomonas denitrificans X2。通过投加菌株X2 进行脱硫脱氮生物强化，使硫单质转化率由45%提高到70%。建立了有机废水生物脱硫脱氮的数学模型，并将氧气作为一种新组分嵌入模型，使模型能够很好地连接厌氧与微氧反应过程。 该模型的建立有助于更好地理解环境因子对工艺过程运行的影响为废水生物处理工艺系统设计和优化运行提供了指导。.探讨了微氧促进生物脱硫脱氮过程的稳定性，研究表明将经过微氧条件定向选择后的活性污泥切换至厌氧条件运行时仍能保持良好地污染物去除效能和硫化物氧化效率，这为工艺的稳定运行提供新的思路。