上流式微好氧污泥床工艺高效低耗的微生物学基础与工艺优化

Decreasing dissolved oxygen (DO) levels is key to achieve energy saving for activated sludge process. The upflow microaerobic sludge blanket (UMSB) reactor for municipal wastewater treatment can save approximately 60% aeration consumption when excellent treatment performance and no sludge bulking were frequently observed in the UMSB. Additionally, sludge blanket, sludge granulation, short-cut nitrification, and simultaneous nitrification-denitrification simultaneoulsy occurred in this reactor. In this study, the researchers wish to investigate the microbial mechanisms of the UMSB on the basis of the autotrophic or heterotrophic microbial community structure (expressed as DGGE and cloning library) and, in particular, oxygen uptake index of activated sludge. It involves: (1) Why is the microaerobic activated sludge constructed via the inocula, batch cultivation, and continuous-flow treatment? (2)How to achieve the microaerobic graunlar sludge by upflow vecolicity and aeration regulations? (3)Compared to other biological treatment process, how about the microbial reaction dynamics of the UMSB process? (4)How to optimize the unitied A/M biological denitrification process, e.g., C/N, recycle ratio and others? The future research results will improve the relative theory on activated sludge process, and supply necessary theory basis for the future field application of the UMSB process.

上流式微好氧污泥床反应器(UMSB)在＜1mg/L溶解氧（DO）下运行但没有污泥膨胀现象，耐高负荷、净化效率高、显著降低了活性污泥法能耗，并具有污泥床、颗粒污泥、短程硝化、同时硝化-反硝化等现象，但构成该工艺的污泥微生物学基础尚需实验验证。申请者拟以好氧系统为对照全面准确评价城市污水UMSB工艺的高效低耗特征，以污泥氧亲和性差异为主要依据辅以污泥微生物群落特征考察接种污泥相同时好氧/微好氧DO水平对两个系统污泥特征的影响，藉此阐明微好氧污泥构建与功能发挥的DO调控效能。在此基础上申请者拟阐明曝气与上升流联合水力调控下微好氧污泥颗粒化动力学和微生态适应性；基于经典反应动力学模型考察城市污水UMSB工艺的需氧量、污泥产率、污染物降解速度、营养需求等工艺参数；最后基于排放标准优化"反硝化/UMSB"生物脱氮工艺的设计与运行参数。研究结果将丰富好氧活性污泥法理论，并为该工艺的实际应用奠定基础。

本课题以城市污水为研究对象，阐明了UMSB工艺高效低耗的微生物学机制和工艺特征，以“工艺特征和微生物学机制→微好氧污泥颗粒化机制→碳氧化和硝化反应动力学→城市污水A/O工艺的节能增效优化”为主线，取得了如下主要成果：. （1）UMSB工艺处理效果与好氧系统相当，曝气成本节约了~94%。DO水平显著影响污泥微生物群落结构，其中低DO条件下污泥中丝状细菌含量较高，是UMSB颗粒污泥形成的重要条件，高氧亲和性使微好氧菌在低DO下具有较高的氧利用效率，是UMSB工艺实现节能的理论基础。. （2）所选择的数学模型能够显著区分不同工况下UMSB系统中水力剪切力的差异；上升流剪切力、不同空气剪切力均严重影响颗粒污泥形成和颗粒污泥性质，在两者均适中时所得颗粒污泥性质最佳；但仅在最高负荷条件下获得了粒径>0.50mm、强度较低的成熟颗粒污泥，表明由于UMSB反应器结构未得到优化，其污泥颗粒化过程并不彻底。. （3）城市污水UMSB工艺的设计与运行参数值显著不同于厌氧工艺，同样，由于UMSB反应器结构未优化，这些参数值仍属于传统活性污泥工艺范畴，未出现此前预期的节能和污泥减量化效果（其中，城市污水UMSB工艺的污泥产率系数为0.42kg SS/kg COD），需氧量系数a为0.52kg O2/kg COD，b为0.44d-1，内源代谢常数为0.0285 d-1）。. （4）传统A/O工艺能够在高负荷条件（3-4倍于传统A/O工艺）下长期稳定运行，污染物去除效果与传统A/O工艺无显著区别，优化后A/O工艺节省了20%以上的曝气量，构筑物容积仅为传统A/O工艺的1/3-1/4，具有非常显著的节能增效效果；传统活性污泥工艺能够在微好氧条件下长期稳定运行（即A/O工艺的O段），沉淀池固液分离良好，具有显著的同时硝化-反硝化特征。. 四年研究期间共发表第一标注SCI论文10篇(其中TOP期刊论文8篇)，中文核心论文2篇，另有4篇英文论文投稿中，超额完成了预定目标。有1项中国发明专利获得授权。已毕业硕士生3人，博士2人。