厌氧氨氧化超深度脱氮及其机理研究

The discharge standard of wastewater pollutants has become more and more stringent due to the serious eutrophication of water bodies. As an upgraded technique of biological nitrogen removal, anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation) process has been successfully applied to the treatment of high strength ammonia wastewater, but it faces a great challenge from substrate stress in the the treatment of low strength ammonia wastewater, i.e. ultra-deep nitrogen removal (UNR). Oligotrophic AnAOB (Anaerobic Ammonium Oxidation Bacteria) are the important driver of natural low-ammonia conversion, and they are assumed to be the powerful puller of UNR. The research on enriching metheds of oligotrophic bacteria and the preparation of oligotrophic AnAOB are helpful to exploit bacterial resources with high substrate affinity. The investigation of feast-and-famine effects and the observation of dormancy-resuscitation process are helpful to promote the resuscitation of dormant cells. The investigation of stimulation-and-response process and the study of inhibition-activation law are helpful to strengthen the function of dormant cells. Based on this program, a new process for UNR can be developed.

日趋严重的水体富营养化现状迫使人们不断提高废水污染物排放标准，我国部分城市已率先将污水综合排放标准一级提升至地表水IV类。作为生物脱氮的升级技术，厌氧氨氧化虽已成功应用于高氨氮废水处理，但要拓展应用至低氨氮废水或轻污染地表水处理（即超深度脱氮），尚面临饥饿胁迫-细胞休眠等严峻挑战。寡营养型厌氧氨氧化菌（AnAOB）是自然界低氨氮转化的重要驱动者，有望成为超深度脱氮的有力牵引者。研究寡营养菌的富集培养方法，选育寡营养型AnAOB，可发掘高基质亲和力的脱氮菌资源；研究寡营养菌的饥饿-饱食效应，探明寡营养型AnAOB的休眠-复苏规律和生长动力学特性，可促进休眠脱氮菌的复苏；研究寡营养菌的胁迫-应答过程，揭示寡营养型AnAOB的抑制-激活规律和反应动力学特性，可强化脱氮菌的功能；利用寡营养型AnAOB及其生长代谢特性，研创新型Anammox超深度脱氮工艺，将大力推进治污减排工作。

由于具有高效、经济、清洁等特点，厌氧氨氧化（ANAMMOX）工艺成了废水生物脱氮领域的研究热点。虽然该工艺已成功应用于高氮废水处理，但要将其拓展应用至低氮废水或轻污染水处理（即超深度脱氮），尚面临诸多严峻挑战。本项目测定了厌氧氨氧化菌（AnAOB）饥饿耐受性能，探明AnAOB具有短期饥饿耐受能力和超深度脱氮潜力，但长期（>62天）饥饿可导致AnAOB进入休眠态，细胞形态、生长动力学和热力学特性、细胞器数量、功能酶基因表达水平急剧变化，ANAMMOX活性丧失。比选了适合超深度脱氮的ANAMMOX种泥，发现源自中营养生境的AS-2和AS-3持有优质群落，可赋予其高效深度脱氮功能，以中营养生境培育是获取ANAMMOX高效深度脱氮种泥的有效途径。运行了ANAMMOX超深度脱氮系统（pSBR系统），在进水TN为15 mg·L-1的条件下，pSBR系统出水TN始终低于3 mg·L-1，NRR达0.054 kg·m-3·d-1，成功实现了高效深度脱氮；但79天后系统NH4+-N和NO2--N积累、出水TN超过3 mg·L-1，超深度脱氮效能急剧衰退，分析表明污泥浓度下降是pSBR系统后期效能衰退的主要致因。开发了pSBR系统的过程模型，并基于该模型研发了超深度脱氮强化工艺（pSBR-2系统），即通过定期投加外源种泥维持长期稳定性，当外源种泥投加频率为7天1次，投加强度为0.2 g-VSS·L-1时，pSBR-2系统的超深度脱氮效能和功能均实现稳定。成功富集并鉴定了超深度脱氮系统中的优势AnAOB（AnAOB-ZJU），与已知AnAOB的16S rRNA序列相似度低于94.5%，已达建立新属标准，系统发育上接近Ca. Jettenia属和Ca. Anammoxoglobus属，AnAOB-ZJU的最大比生长速率为0.0034 h-1，对NH4+-N和NO2--N的半饱和常数分别为0.20 ± 0.03 mg·L-1和0.11 ± 0.02 mg·L-1，细胞得率为0.069 ± 0.010 g-C·g-1-NH4+-N，衰减系数为0.0012~0.0017 d-1，ANAMMOX反应活化能为33.71 kJ·mol-1，活性pH范围为7.5~9.5，活性温度范围为15~55℃。AnAOB-ZJU具有中等基质亲和力，可归入兼营养型AnAOB；对碱度（pH，9.5）的耐受性高于文献报道