复合反硝化系统功能强化与协同作用机制研究

By the efficiency limit of sewage treatment technology, there are still higher concentration of nitrogen,phosphorus and endocrine disruptors in effluent from wastewater treatment plant (WWTP), especially TN. And it is difficult for reclaimed water quality from the conventional advanced treating system to meet the security demands of environment and ecosystem. This study aims at the problem of carbon source deficiency in the advanced biological denitrification process of reclaimed water. Considering the reused security of the reclaimed water, and based on biological denitrification, electrochemical reaction, coagulation and biological degradation,integrated multifunctional denitrification system will be designed and construction. The denitrifying nitrogen will be mostly functions of the system, simultaneously, removing phosphorus and the endocrine disrupting chemicals. According to the complementation of heterotrophic and autotrophic biological denitrification process in the use of carbon source and the reaction pH requirements, the system will synchronously realize multi-functions of removing nitrogen and phosphorus and endocrine disrupting chemicals (DEHP and DBP) of the reclaimed water under the condition of low carbon source. There are the collaborative symbiotic relationship of different functional microorganism and the uncoupling effect between biochemical and electrochemical reactions in the system. Also, the study will research the mechanism of the simultaneous nitrogen, phosphorus and micro-pollutants removal, as well as the composition and the spatial and temporal succession law of the microbial community, which base on view of electrochemistry, biochemistry, chemometrics and molecular biology. This research can provide technical support for the reuse of sewage.

受污水处理技术限制，污水处理厂二级处理出水中氮、磷及内分泌干扰物浓度仍然较高，特别是TN含量，常规深度处理系统难于满足再生水回用安全的需要。 本研究针对再生水生物反硝化碳源不足问题，从满足再生水安全回用角度考虑，以反硝化深度脱氮为核心，同时兼顾除磷和内分泌干扰物，将生物反硝化、生物降解和电化学反应等作用有机地融合起来，构建多功能复合反硝化系统。该系统基于异养和多种自养反硝化过程在碳源利用和反应酸碱度需求上的互补性，利用不同功能微生物的协同共生特性，以及生物化学反应和电化学反应之间的解偶联作用，实现再生水低碳源条件下的同步脱氮除磷及微污染物（DEHP和DBP）的去除；并从电化学、生物化学、化学计量学和分子生物学角度出发，剖析实现系统同步脱氮除磷除微污染物的机制和系统微生物群落的时空演替规律,为污水资源化利用提供理论参考和技术支持。

针对污水资源化对污水厂二级处理出水深度去除TN、TP和微污染物的技术需求，结合二级处理出水水质特征，本研究重点探讨了强化3DBER工艺自养反硝化脱氮，并同步实现除磷、除微污染物（以DBP、DEHP为例）复合功能的技术途径。通过改变3DBER结构与填料组成，构建了二级生物处理出水深度脱氮、同步除磷、除微污染物的多功能复合混养反硝化系统。采用化学计量学、分子生物学和材料表征分析方法，从生物化学脱氮反应、微生物种群分布、反硝化功能微生物、材料结构与反应产物组成等微观层面，对多功能复合系统深度脱氮、除磷、除PAEs的运行特性、协同作用机制、微生物群落结构及其演替规律进行了研究。. 研究发现，硫/铁复合功能填料是实现低C/N二级生物处理出水深度脱氮、除磷、除微污染物的关键因子，硫/铁比例≥1:1为宜；适当提高电流强度、改变反应器电场分布等技术措施能够强化3DBER氢自养反硝化脱氮作用，但电流强度不宜过高，建议≤150mA。在硫/铁复合功能填料中，单质硫通过硫自养反硝化作用脱氮，同时能够平衡系统pH；海绵铁通过腐蚀作用达到脱氮除磷目的。单质硫与海绵铁在强化复合系统脱氮除磷过程中具有基质偶联与协同促进作用。将硫/铁复合功能填料耦合至3DBER形成混养反硝化脱氮、海绵铁腐蚀除磷以及填料吸附与生物降解去除微污染物的多功能复合系统（3DBER-S-Fe），该系统能够同步脱氮、除磷、除PAEs，在TOC/ TN =0.4、HRT=6h、电流强度=100~300mA时，其DBP、DEHP去除率分别约97%、84%，TN、TP去除率分别约83%、70%。受自养反硝化脱氮速率限制，混养反硝化多功能复合系统HRT≥4h为宜。. 本研究掌握了构建多功能复合混养反硝化脱氮系统及其功能优化的技术手段和工程措施；从分子水平上厘清了复合系统脱氮、除磷、除微污染物的微观作用机制。研究成果丰富了混养反硝化脱氮系统同步脱氮除磷的理论基础，拓展了再生水深度处理技术理论与技术，可为构建二级生物处理出水深度处理工艺提供理论指导和技术方法；对于推进污水资源化与再生水安全回用进程具有科学意义和应用前景。