【摘 要】
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厌氧氨氧化是迄今最节能的生物脱氮方式,但由于其反应基质NO2--N在废水中难以稳定获取,限制了该技术的工程应用。目前主要通过工艺优化（如短程硝化、短程反硝化）或利用可替代的电子受体(如Fe3+、SO42-、V5+)实现厌氧氨氧化的有效运行。碳酸氢盐是污水中广泛存在的基质,在一定的条件下可以以CO2的形式溢出形成温室气体。因此,如能利用碳酸氢盐作为厌氧氨氧化的电子受体,对实现高效生物脱氮与“双碳”目
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厌氧氨氧化是迄今最节能的生物脱氮方式,但由于其反应基质NO2--N在废水中难以稳定获取,限制了该技术的工程应用。目前主要通过工艺优化（如短程硝化、短程反硝化）或利用可替代的电子受体(如Fe3+、SO42-、V5+)实现厌氧氨氧化的有效运行。碳酸氢盐是污水中广泛存在的基质,在一定的条件下可以以CO2的形式溢出形成温室气体。因此,如能利用碳酸氢盐作为厌氧氨氧化的电子受体,对实现高效生物脱氮与“双碳”目标具有重要的科学意义和应用价值。此外,污水生物处理过程的工艺条件和影响因素复杂,智能算法是运行工况参数优化和脱氮效能稳定控制的重要解决技术。本研究以亚硝酸盐型厌氧氨氧化污泥为UASB反应器接种污泥,以HCO3-为电子受体,进行碳酸氢盐型厌氧氨氧化驯化、启动与长期运行过程中的脱氮效能、转化途径、种群结构和影响因素研究,并建立了碳酸氢盐型厌氧氨氧化出水总氮浓度预测模型。主要研究内容和结果如下:（1）亚硝酸盐型Anammox菌经过驯化后,可利用HCO3-作为NH4+-N氧化的唯一电子受体,实现碳酸氢盐型厌氧氨氧化,污泥驯化前后优势菌群种类、相对丰度和多样性都发生了改变。温度对碳酸氢盐型厌氧氨氧化影响显著,当水温从20±5℃下降至11±0.5℃时,NH4+-N的去除率由96.5%快速下降至16.0%;温度恢复后,NH4+-N去除率逐渐恢复至86.4%,但难以恢复至降温前水平。（2）在碳酸氢盐型厌氧氨氧化稳定运行过程中,通过设置不同反应器,考察了进水C/N比（0～1.875）、碱度（14.7～41.4 m M）和HRT（10～30 h）等因素对出水水质的影响。结果表明,C/N比是碳酸氢盐型厌氧氨氧化高效脱氮的重要因子,随着进水C/N比逐渐提高,NH4+-N氧化去除率也随之上升（最高可达99%）;碳酸氢盐型厌氧氨氧化过程会消耗碱度,本研究实验体系进水中的HCO3-除了作为NH4+-N氧化的电子受体以外,还可贡献进水碱度,从而提高NH4+-N的转化去除率;在不同进水C/N比稳定运行条件下通过调控系统HRT发现,HRT对低C/N比条件下的碳酸氢盐型厌氧氨氧化脱氮效能影响不大,在高C/N比条件下短期冲击负荷（HRT=10～15h）会降低NH4+-N的氧化去除率,但长时间运行后可恢复至原有水平。（3）碳酸氢盐型厌氧氨氧化脱氮途径、种群结构与传统的硝化以及亚硝酸盐型厌氧氨氧化过程存在差异。高通量测序表明,碳酸氢盐型厌氧氨氧化的优势菌门为Proteobacteria、Firmicutes和Bacteroidetes,而Planctomycetes的相对丰度却远低于亚硝酸盐型厌氧氨氧化接种污泥,在高C/N比条件下仅为0.99%;在属水平上,高C/N比反应器中的Candidatus＿Kuenenia和Candidatus＿Brocadia等厌氧氨氧化菌属相对丰度也较低,分别由接种污泥中的26.7%和2.73%降低至0.3%和0.58%。（4）利用智能算法,将进水NH4+-N浓度、出水NH4+-N浓度、进水HCO3-浓度、出水HCO3-浓度、出水NO2--N浓度、出水NO3--N浓度、C/N比、HRT和温度（T）等9个节点作为输入层变量,以出水TN浓度1个节点作为输出层,分别建立了基于BP和PCA-BP神经网络的碳酸氢盐型厌氧氨氧化出水总氮的预测模型;通过PCA将原来9个变量降维成4个主成分后,PCA-BP神经网络的预测精度更高、泛化性更好,可准确预测各工况条件下的出水TN浓度。
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