基于厌氧氨氧化反应诱导的生物矿化及羟基磷灰石回收研究

In allusion to the demand of nutrients recovery and deep treatment of nitrogen and phosphorus in treating digested sludge supernatant, a new process coupled anaerobic ammonium oxidation (anammox) and hydroxyapatite (HAP) crystallization is proposed in this project. (1) The characteristics of pollutants conversion pathway will be clarified in a successfully operated anammox-HAP coupling reactor. In order to find the optimum control strategies to maintain the stable and high efficiency reactor performance, the effects of various factors affecting nitrogen removal efficiency and HAP crystalline rate will be studied in long-term experiment and batch tests; (2) Based on the analysis of microbial metabolic and crystallographic structural variation, the formation mechanism of anammox-HAP coupled granules will be proposed as biological induced mineralization process and endogenous organic matter controlling process. The effects of organic-inorganic interface molecular recognition, step growth dynamics and amorphous phase conversion on the formation of the anammox-HAP coupled granules will be investigated; (3) Based on the establishment of the theoretical models, the separation methods of anammox biofilm and HAP carrier will be developed to achieve phosphorus recovery, furthermore, the comprehensive benefits the anammox-HAP process will be evaluated.

本项目针对厌氧消化液中氮磷削减以及低碳处理、资源回收的需求，在已经开发成功的厌氧氨氧化和羟基磷酸钙(anammox-HAP)耦合新工艺的基础上，研究基于anammox反应的生物矿化原理及磷回收方法，开展工艺的系统优化及机理研究。（1）研究系统的物质流特征，解析各受控条件下的脱氮效率和HAP结晶效率，确定工艺高效稳定运行的关键要素与调控措施；（2）通过晶体结构解析与微生物代谢过程解析，总结微生物代谢产物与晶体结构的变化过程及相互关系，探讨无定形相转化过程，有机-无机界面识别过程及台阶生长动力学模型对形成anammox-HAP耦合体的作用，提出基于anammox反应的生物诱导矿化和内源性有机质调控矿化的anammox-HAP耦合体形成模型；（3）在此基础上，开发耦合体颗粒中anammox生物膜与HAP载体的分离方法，评价anammox-HAP耦合同步高效脱氮与磷回收工艺的综合效能。

污水的高效低耗脱氮与同步磷回收是构建新一代污水处理体系的关键单元。厌氧氨氧化（Anammox）工艺可实现低碳足迹的污水脱氮，调控其生物反应过程可诱导羟基磷灰石（HAP）的结晶，从而实现磷回收与氮去除过程的协同互促。本研究开发厌氧氨氧化耦合羟基磷灰石结晶工艺（Anammox-HAP），在解析不同受控条件下耦合反应过程物质流（N流向，P流向）的基础上， 揭示Anammox过程诱导HAP结晶的驱动力（生物膜传质梯度，pH梯度，内源有机质调控矿化），构建生物膜-晶体内核双层结构模型。在此基础上，优化Anammox-HAP耦合反应过程，提出实现稳定、高效氮去除与同步磷回收的工艺参数，评估磷回收产物的构成及吸附特性。本项目取得以下主要成果：1.明确了AAFEB反应系统中N，P转化路径与效率。通过调控Ca(II)离子晶种，水力停留时间，N负荷等参数，可实现N、P的稳定、高效去除，并形成了Anammox生物膜包裹HAP内核的耦合体颗粒污泥。2.提出基于生物膜传质梯度及pH梯度驱动的Anammox-HAP耦合体颗粒形成模型，揭示了EPS，Ca/P比，P浓度对形成HAP晶体的生物诱导矿化过程。同时，通过微观形貌表征及颗粒成分分析，提出内源有机质促进HAP形成的生物控制矿化过程。3.评估了磷回收产物（aHAP）对重金属的吸附效果及作用机理。回收的aHAP颗粒具有较大的比表面积及多种官能团，在35℃，pH 7-9的条件下，对Cd（II）的饱和吸附量可达25.74mg/g，有效缓解重金属对anammox生物反应的抑制，实现Anammox-HAP系统的稳定运行。