基于腐殖质调控的城市污泥碱性发酵产酸与污水生物除磷脱氮组合系统及机理的研究

Based on the fact that the treatment of municipal wastewater by activated sludge has the problems of shortage of carbon source and producing large numbers of sludge, and short-cut nitrification and denitrification can save carbon source, this project, from the point of reducing the consumption of carbon source and supplementing the carbon source, focuses on the removal of nitrogen and phosphorus via partial nitrification and denitrification under room temperature without dissolved oxygen and pH control by the addition of short-chain-fatty-acid-containing sludge alkaline fermentation liquid enhanced by humus. The use of sludge alkaline fermentation liquid can also improve the carbon source amount in wastewater which is required by nitrogen and phosphorus removal microbes. It is obvious that both sludge reduction and efficient nutrient removal can be achieved simultaneously. The mechanisms of humus enhancing sludge alkaline fermentation and wastewater partial nitrification and denitrification were investigated by the analyses of enzymes activity, microbial metabolic processes, microbial community structure and key microbial molecular characteristics. It has high academic and practical values because the results of this project will enrich the theories of sludge anaerobic fermentation and biological wastewater nitrogen and phosphorus removal, and provide a new way of promoting sludge alkaline fermentation for short-chain fatty acid production and improving wastewater nitrogen and phosphorus removal via short-cut nitrification and denitrification and phosphorus.

鉴于活性污泥法处理城市污水时常常因为碳源不足导致除磷脱氮效果不好、产生大量污泥需要处置的问题，结合短程硝化反硝化具有节省碳源的特点，本课题从降低污水生物处理过程的碳源消耗及补充污水碳源的角度，利用向城市污水中加入由腐殖质促进污泥碱性发酵产生的富含短链脂肪酸的发酵液，不但能在常温及不需要控制溶解氧和pH条件下实现短程硝化反硝化脱氮除磷，而且能为脱氮除磷微生物提供丰富的碳源，同时达到污泥资源化利用及污水生物除磷脱氮高效和稳定运行的目的。它通过研究腐殖质对酶活性、微生物代谢过程、微生物群落结构及关键微生物分子生物学特征等的影响，揭示腐殖质提高污泥碱性发酵产酸及促进污水短程硝化反硝化脱氮除磷的机理。它的研究丰富了文献已有的污泥厌氧发酵及污水生物除磷脱氮的理论，提供了促进污泥碱性发酵产酸及实现污水短程硝化反硝化脱氮除磷的新方法，具有较高的学术和应用价值。

针对活性污泥法处理城市污水存在碳源不足、产生大量污泥需要处理等问题，本项目通过使用腐殖类物质促进污泥发酵产生除磷脱氮的优质碳源（富含挥发性脂肪酸的发酵液），然后将其加入到污水生物处理系统以显著提高污水生物处理效果，同时实现污泥的资源化利用和污水的高效氮磷去除。研究发现，商业腐殖酸（SHHA）对污泥厌氧发酵产酸有促进作用（产酸提高3.5倍），而腐殖酸SAHA对污泥厌氧发酵产酸无明显影响。机理研究表明，厌氧条件下腐殖酸的物降解性很差，很难被微生物利用；SHHA腐殖酸对污泥溶解、水解和酸化阶段影响的研究结果显示，SHHA对上述三阶段都有促进作用，而SAHA的影响不明显。其中，SHHA对蛋白质和碳水化合物的溶解率分别提高75%和94%，这是因为它可以降低污泥表面相对疏水性，使污泥中的有机物更易释放和溶解，该作用与SHHA结构中疏水性基团含量较高有关；SHHA对蛋白质和多糖的水解作用分别提高了35%和20%左右，并且对关键水解酶的活性有促进作用；SHHA对混合氨基酸和单糖的产酸量分别提高22.4%和23.5%，这主要是由于腐殖酸可以作为电子受体，促进了产酸微生物的甘油醛三磷酸转化为三磷酸甘油酸及丙酮酸转化为乙酰辅酶A的代谢过程。研究过程还发现，腐殖类物质（上海阿拉丁腐植酸SAFA）可以提高活性污泥微生物反硝化过程的总氮去除率，促进反硝化过程中NO3−-N的还原的同时，降低了N2O-N的释放。SAFA还提高了混合反硝化微生物的生长和细胞活力。SAFA长期存在会导致微生物形成的EPS中多糖的含量显著降低。SAFA促进了乙酸利用过程中关键酶的活性，在增加乙酸利用的同时，提高了微生物胞内NADH/NAD+比例。SAFA还可以提高混合反硝化微生物的电子传递能力和反硝化酶的催化活性，从而实现了高效脱氮除磷效果（超过96%）。此外还发现，腐殖类物质能够减轻纳米材料或金属离子对活性污泥及功能微生物的不利影响。