基于硫协同电子传递理论的污水处理新方法及新工艺

Wastewater treatment replies up activated sludge method, which realizes aerobic and anaerobic/anoxic removal of organics and ammonium nitrogen by heterotrophs. In view of electron and energy flows involving in this method large amount of excess sludge is inevitably generated from bioconversion, leading to least availability of organic source for heterotrophic denitrification. A fundamental solution seems to alter the supply and demand of electron donor (organics) and acceptor (oxygen and nitrate nitrogen) in the microbial metabolism. Hence, the objective of this project is to introduce sulfur (S) compounds as electron carriers to carry out anaerobic sulfate reduction for organic removal and enable its byproduct, dissolved sulfide act as electron donor for autotrophic denitrification, based on which sulfur-assisted electron transfer principle would be proposed for developing new treatment method and technology. The main task of this research includes: identification of functional microorganisms and their key metabolic mechanisms through application of relevant biological, chemical and mathematical principles and methodologies as well as various advanced analytical tools, establishment of conceptual and mathematical models for sulfur-assisted/mediated electron and energy flow as well as relevant principles for energy and material conversions in this new treatment system for development of two new sulfur conversion-based treatment processes: single reactor single sludge process and sulfur internal recyclable process.

利用异养微生物的好氧及缺氧代谢过程去除污水中的有机物及硝氮，是城市污水处理的主流方法。但从电子流及能量流角度来说，这不可避免地产生大量剩余污泥，也导致反硝化过程碳源不足而限制了脱氮效率。要解决问题，需从根本上改变微生物代谢过程中的电子供体（有机物）及电子受体（氧气，硝氮）的供需侧体系。本项目拟引入含硫物质作为电子载体，通过厌氧硫还原去除有机物，并为自养反硝化提供充足的电子供体（溶解性硫化物），且在硫循环过程中实现除磷，在此基础上建立基于硫协同电子传递理论的污水处理新方法和新工艺。本项目将通过理论探讨和实验分析，充分运用各种先进分析手段，深入研究硫协同污水处理系统中的关键功能微生物的生理特性及其代谢机制，构建基于硫协同电子流、能量流的污水处理过程概念模型和工艺模型，建立描述硫协同污水生物处理体系能量转移与物质转化的新理论，并研发低产泥产率、可高效脱氮除磷的硫协同污水处理工艺。

基于碳氮微生物代谢的传统活性污泥工艺已沿用百余年，至今仍是世界各地城市污水处理厂的主流工艺。但在我国“双碳”大背景下，高物耗、高能耗、高产泥的活性污泥工艺面临巨大挑战！项目组创新性地提出了以硫协同微生物电子传递为核心的污水生物处理新理论、新方法和新工艺，研究减低活性污泥工艺的碳排放。为实现这个目标，五年来，项目组深入系统地研究了：1） 硫协同污水处理系统中的关键功能微生物如硫酸盐还原菌、单质硫还原菌、硫氧化细菌和硫反硝化聚磷菌的生理和生态机制；2）（亚）硫酸盐还原路径及影响因素以及与其他微生物的协同作用同时，建立代谢网络模型及能量代谢机制；3）厌氧硫酸盐还原反应体系对于药物类新兴有机污染物的去除效果、关键影响因素、和优化及控制机制；4） 明晰单质硫生物利用的电子传递方式与调控方法和阐明硫细菌在多种条件下的电子受体/供体竞争态势；5）揭示硫自养反硝化过程的电子转移与物质转化机制和探究硫自养反硝化菌与异养菌、厌氧氨氧化细菌的竞合机制；6） 理清硫协同污水处理系统中多菌群协同促进碳-氮-磷-硫耦合转化的复杂机制及元素转化关系。.在以上机理研究的基础上，进一步提出了硫协同污水生物处理体系能量转移与物质转化的新理论，构建基于硫协同电子流、能量流的污水处理概念模型，开发具有工程应用前景的六种新工艺：1）SANI污泥颗粒化新工艺，2）可自循环的单质硫内循环工艺，3）高效硫自养反硝化脱氮工艺，4）硫循环协同生物除磷工艺，5）原位强化污泥减量新工艺 和6）单质硫还原污水重金属脱除工艺等。目前SANI工艺香港示范基地正升级为工业级污水厂，同时开展青岛市许村河污水厂基于SANI工艺部分原理的提标改造中试研究及与SANI工艺相关的SOSA工艺在香港西贡污水处理厂的中试研究。本项目形成的研究成果已在领域权威专著《Biological Wastewater Treatment, 2nd edition》第7章进行系统介绍，也获得了一系列国内外奖项，包括我国首届创新争先奖状，国际水协项目创新奖“突破性科研”铜奖和香港绿色创新大奖金奖。本项目共发表SCI论文78篇，获授权发明专利3项，申请发明专利9项，培养国家优青1人、出站博士后1人，博士和硕士27人。本项目的研究成果为硫协同污水生物处理技术提供了理论基础，推动了该工艺的工程化和实用化的进程，为实现低碳水处理技术的发展提供了一个新的方向。