亚硝酸氧化细菌N. defluvii在主流SNAD系统中的受迫生存机制研究

Mainstream SNAD (Simultaneous partial Nitrification, Anammox and Denitrification) is a key technology to achieve energy neutral in the future wastewater treatment plants. The key of mainstream nitritation is to inhibit N. defluvii, a dominant NOB in the conventional wastewater treatment plant. Our previous studies showed that N. defluvii was still dominant bacteria with a nitrite accumulation rate > 90% and aerobic SRT < 2 days, so it could be speculated that N. defluvii had another metabolic pathway. Its activity of nitrite oxidation will be easy to recover with a change of environment, which will pose a serious threat to the mainstream SNAD process. Therefore, the potential metabolic pathways and cell adaption mechanisms of N. defluvii will be investigated in a SNAD system. Meanwhile, the effect of NOB immigration on the mainstream SNAD system will be studied to develop an integrated strategy to inhibit growth of the immigrant NOB. This project will be meaningful for investigating the unknown metabolic pathways of N. defluvii, optimizing its control strategies, and further realizing energy sufficiency of the future wastewater treatment plants.

主流SNAD工艺是实现污水处理厂能量自给自足的关键技术之一，其重点是抑制低氮生境优势NOB种属N. defluvii。项目前期结果表明，即使亚硝化率>90%、好氧SRT<2天，N. defluvii大量存在，推测该细菌具有除亚硝酸盐氧化外的代谢功能。外界条件改变时，N. defluvii极易恢复好氧硝化活性，严重威胁SNAD工艺稳定性。因此，本项目将深入研究N. defluvii潜在代谢途径，揭示N. defluvii在主流SNAD系统中受胁迫生存机制。同时研究外源NOB对主流SNAD控制参数的影响，并指导设计一套动态控制策略。本项目有望为探索N. defluvii新代谢途径、优化主流SNAD工艺调控策略、实现污水厂能量自给自足提供理论依据和技术支持。

主流短程硝化反硝化工艺能够节省曝气能耗和外加碳源，但低浓度市政废水中亚硝酸氧化细菌（NOB）抑制难度较大。利用多循环SBR强化反硝化菌与NOB竞争亚硝酸盐可有效抑制NOB，但NOB仍可通过其他代谢途进行生长，极大地增加了工艺稳定控制的难度。本研究基于多循环SBR工艺，建立了一套市政废水高效脱氮工艺，先后开展了小试、中试和厂试研究（正在进行）。小试实验结果证明，COD/N比、TN去除负荷和SRT是NOB抑制的关键参数，溶解氧在线控制可以辅助强化NOB抑制，这与传统方法大不相同；当COD/N>4时，多循环SBR内TN去除率达85%以上，且无硝酸盐积累。初步证实少量Nitrospira（NOB细菌）可与Methyloversatilis合作进行甲酸依赖的“亚硝酸盐乒乓代谢”，即后者利用甲酸进行部分反硝化生成亚硝酸盐供NOB氧化，亦可利用小分子有机酸进行异养代谢；同时，将多循环SBR小试装置填充PVA水凝胶填料，形成悬浮污泥/生物膜混合系统，实现同步短程硝化反硝化，强化曝气阶段反硝化脱氮，即使生物膜上富集Nitrospira也能实现显著的同步短程硝化反硝化；低温对短程硝化反硝化具有明显抑制作用，通过延长曝气时间能够提高硝化反应，但不利于NOB抑制，且降低了反硝化菌对NOB竞争亚硝酸盐的优势。中试实验结果表明，无须投加碳源即可以实现城镇污水一级A排放要求；短程硝化反硝化受雨季进水TN波动影响较大，需及时调整曝气时长和SRT以维持工艺稳定；通过提高悬浮污泥粒径，也能实现同步短程硝化反硝化；冬季低温时，通过投加葡萄糖碳源促进反硝化，仍可维持一定水平的短程硝化反硝化。厂试结果初步显示，多循环SBR工艺可实现高效脱氮，较传统CASS工艺和AAO工艺，TN去除率提高了50%以上，曝气能耗降低了30%以上，工艺优势明显，具有较好的应用前景，具体工程化工作有待进一步开展。