基于缺氧FNA抑菌构建城市污水短程硝化厌氧氨氧化脱氮系统

The discovery of anearobic ammonium oxidizing (Anammox) bacteria change the pathway of biological nitrogen removal, which could save 60% of the oxygen demanded for aeration. However, the research about anammox focused mainly on the N-rich wastewater treatment, and the study for sewage treatment via anammox was still in lab-sclae stage.The difficulty of achieving nitrogen removal from domestic wastewater via anammox is to accomplish stable nitritation. Our preliminary test indicated that the inhibition of free nitrous acid (FNA) on nitrite oxidation bacteria (NOB) was much more serious than ammonium oxidation bacteria (AOB) under anoxic condition, which make it possible to achiev stable nitritation in sewage treatment system. The effect of FNA inhibition on AOB and NOB will be firstly studied under anoxic condition based on our preliminary results. The mechanism of anoxic FNA inhibition on AOB and NOB will be studied in view of energy metabolism and quorum sensing. The required condition for achieving nitrite accumulation under anoxic FNA inhibitiong will be investigated. Meanwhile, the effect of anoxic FNA inhibition on nitrous oxide production will be also studied. A novel nitritation anammox process treating domestic wastewater will be developed. Above results obtained will be firstly evaluated in the pilot scale reactor. At last the optimal control strategies of nitrogen removal process via anammox based on anoxic FNA inhibition will be proposed, which will provide a new approach for sving energy consumption of domestic wastewater treatment.

厌氧氨氧化菌的发现改变了生物脱氮途径，使污水处理曝气量节省60%。目前厌氧氨氧化的应用研究主要集中在高氨氮废水处理，而城市污水厌氧氨氧化的研究还处于初期阶段，其瓶颈是难以实现稳定短程硝化。本项目预研试验发现，缺氧条件下游离亚硝酸（FNA）对亚硝酸盐氧化菌（NOB）的抑制远大于对氨氧化菌（AOB）的抑制，因此缺氧FNA抑菌效应有望突破上述瓶颈。 本项目将在预研基础上，首次研究缺氧FNA对AOB与NOB的抑菌效应；从能量代谢与群体效应的角度，探讨缺氧FNA对AOB与NOB的抑菌机理；确定缺氧FNA抑菌实现硝化过程亚硝酸盐积累的条件，结合缺氧FNA抑菌对系统N2O产生的影响，建立城市污水短程硝化厌氧氨氧化脱氮新工艺。并首次在中试规模试验验证结果，建立基于缺氧FNA抑菌的城市污水短程硝化厌氧氨氧化脱氮系统优化控制方法，为城市污水生物脱氮节能降耗提供新途径。

短程硝化-厌氧氨氧化（PN/A）是一种新型自养脱氮工艺，与传统硝化-反硝化法工艺相比具有节省曝气能耗、无需有机物碳源及降低剩余污泥产量等优势，是经济高效的污水脱氮工艺。然而，PN/A工艺尚未实现在主流城市污水处理中的应用，亚硝酸盐氧化细菌过度繁殖，导致出水硝酸盐过量积累是城市污水PN/A 工艺实现大规模成功应用的最大瓶颈之一。因此，本研究提出了利用 FNA对NOB的抑制作用进行NOB的淘洗以实现短程硝化，取得了重要研究成果。. 本项目重点研究了不同浓度FNA对AOB与NOB活性的影响，pH=7.0±0.5 的缺氧条件下，采用相同浓度FNA预处理后，NOB的受抑制程度始终大于AOB；AOB和NOB的活性均随着预处理时间的增加而降低，但随着预处理时间的增加，对AOB和NOB的抑制差异将越来越小，FNA的生物毒性的选择性差异减小；在相同浓度FNA、不同pH 值和亚硝酸盐浓度的预处理条件下 AOB 和 NOB活性变化差异较大，单纯 pH 值对硝化反应的影响和 pH 值对 FNA 浓度产生的影响两种情况的叠加均造成对硝化菌的抑制；FNA预处理促进了更多有机碳源的释放，强化了N2O的还原，实现反硝化脱氮过程中N2O减量。. 分别探究了FNA预处理进行短程硝化-厌氧氨氧化SBR和连续流A2/O系统的启动。结果表明FNA能够选择性抑制 AOB 和 NOB 活性，通过对反应器内全部的活性污泥进行FNA预处理实现了SBR反应器短程硝化，平均亚硝酸盐积累率为75.39%，采用连续式和间歇式两种FNA预处理方式对A2/O工艺活性污泥进行预处理，最终出水中的亚硝酸盐积累率均在20~30%范围内，AOB和NOB均受到了一定程度的抑制。NOB活性的逐渐恢复是长期运行稳定性的主要影响因素，高通量测序分析结果表明，NOB中Candidatus Nitrotoga菌属在低基质条件下的生长是造成NOB对FNA适应性的主要原因。. PN/A工艺在实现城市污水处理厂节能降耗和能量自给等方面具有巨大的应用潜力。本研究揭示了FNA预处理对AOB和NOB选择性抑制机理，构建了短程硝化和厌氧氨氧化工艺的启动和运行控制策略，并探究了微生物种群结构变化规律，为PN/A工艺稳定运行和推广应用提供有价值的理论和技术参考。