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短程硝化(Partial Nitrification, PN)和厌氧氨氧化(ANaerobic AMmonium OXidation, ANAMMOX)工艺是高效、经济、节能的新型生物脱氮工艺,一经问世便引起了环境工程界的高度关注。在我国废水氮磷污染成为主要水环境问题的情况下,传统生物脱氮工艺已远不能满足社会需求,研发高效PN和ANAMMOX工艺具有重大的现实意义。然而,由于PN和ANAMMOX工艺的功能菌——氨氧化菌(Ammonia Oxidation Bacteria, AOB)和厌氧氨氧化菌(Anaerobic Ammonium Oxidation Bacteria, AAOB)生长缓慢,对环境条件敏感,致使工艺启动困难,运行欠稳,因而严重影响了其研发进程。为了摆脱这一困局,本文对菌种富集、工艺运行和过程控制等方面进行了系统而深入的研究,主要结论如下：1)获得了高效短程硝化富集培养物(HANs),揭示了HANs的代谢性能。①试验证明,以高基质浓度运行PN反应系统,可以成功选育HANs。当反应液中的游离氨(FA)浓度保持10-20 mg N·L-1(相当于对照FA浓度的10倍)时,经过27天连续培养,反应系统的容积去除率(VRR)可达2.22土0.33kg N·m-3·d-1,容积亚硝氮产率(NPR)可达2.12±0.34 kg N·m-3·d-1,分别为对照的3.2倍和3.6倍。②检测发现,以高基质浓度选育的HANs具有高活性和高耐氨性。分批培养试验测得的HANs最大比活性(SSA)达2.87g N·g-11VSS·d-1, FA半抑制浓度达613.9 mg NH3-N·L-1,分别是对照的4.6倍和30.4倍。③研究揭示,以高基质浓度选育的HANs具有低剩余污泥产率特性。连续培养试验测得的HANs细胞得率为0.15 g VSS·g-1NH4+-N,分批培养试验测得的HANs衰减速率为0.09 d-1,分别为正常水平的45%和1.2倍。导致低污泥产率的原因是,在HANs的能量分配中,仅9%用于细胞合成,为正常水平的64%。2)研发了气升循环式PN工艺,探明了高效PN工艺的运行性能。①试验证明,气升循环式PN工艺具有很高的容积效能。其最大容积负荷(NLR)、VRR和NPR分别达16.7±1.5 kg N·m-3·d-1,13.0±1.3 kg N·m-3·d-1和12.3±1.4 kg N·m-3·d-1,平均亚硝氮积累率达94.6±3.9%。②观察发现,气升循环式PN工艺具有很好的运行稳定性。在进水氨氮浓度为358.5-942.3 mg N·L-1,水力停留时间(HRT)为0.86-2.00 h,进水pH为8.00-8.43的工况下,氨氮去除率、出水氨氮浓度和亚硝氮积累率的相对标准差分别为5.1%-19.4%,4.3%-26.5%和4.4%-5.3%。该工艺对基质浓度、进水流量和pH波动具有良好的抵抗能力。③研究揭示,气升循环式PN工艺高效、稳定的主要原因是在反应系统中形成了短程硝化颗粒污泥。颗粒污泥沉降性能优良,可使反应系统中的污泥浓度积累至7.9 g VSS.L-1;颗粒污泥生态环境和谐,可使SSA高达1.83 g N.g-1VSS·d-1。3)阐明了高效PN工艺的反应过程特性,建立了高效PN工艺的过程控制技术。①试验证明,碱度对PN反应系统的性能有较大影响,其影响主要通过pH和FA实现。当反应液碱度由2011.5 mg CaCO3·L-1降至1711.0 mg CaCO3·L-1时,pH由8.56降至6.70,FA由4.8 mg NH3-N·L-1降至0.3 mg NH3-N·L-1,反应系统的VRR先由0.83 kg N·m-3-3·d-1上升至1.64 kg N·m-3·d-1,然后下降至0.53 kg N·m-3·d-1。②研究表明,PN工艺的碱度控制可分为三个区段。反应系统的最低碱度保有量为1660.0 mg CaCO3·L-1,有效碱度含量为1711.0-1840.0 mg CaCO3·L-1,最佳碱度含量为1840.0-1853.0 mg CaC03.L-1.③试验证明,温度对PN系统性能有较大影响,其影响主要通过改变酶活实现。当水温为16.8-22.4℃时,VRR和NPR分别为0.54-1.70 kg N·m-3·d-1和0.53-1.65 kg N·m-3·d-1。在该温度范围内,PN反应存在两个差异很大的活化能,分别为65.6 kJ·mol-1(较高温时)和584.9 kJ·mol-1(较低温时),其温度交界点为17.4℃。④研究表明,PN工艺的温度控制可分为两个区段。当温度短期低于17.4℃时,无需进行温度控制；当温度长期低于17.4℃时,需将温度升至17.4℃,以取得最大升温效益。4)获得了高效厌氧氢氧化富集培养物(HAAB),揭示了HAAB的代谢性能。①试验证明,以上流式生物滤器(UBF)为工具,可以成功选育HAAB。在HRT为1.54 h,进水氨氮浓度947.8±17.4 mg N·L-1,进水亚硝氮浓度1246.9±20.1 mg N·L-1的条件下,连续培养功能菌435天,反应系统的容积氨氮去除速率(VARR)、容积亚硝氮去除速率(VNRR)和VRR分别可达14.4±0.2kg N·m-3·d-1,19.4±0.3kg N·m-3·d-1和33.9±0.4 kg N·m-3·d-1。②检测发现,所获得的HAAB具有超优性能。该培养物沉降速率为90-150m·h-1, SSA为2.19 g N·g-1VSS·d-1,倍增时间为7.4 d,细胞得率为0.48gVSS·g-1NH4+-N。这些指标均优于文献报道水平。③研究揭示,HAAB的培育过程可分为三个阶段。培育初期,宜以饥饿处理加速接种物中非功能菌的衰减；培育中期,宜以提升基质浓度筛选HAAB;培育后期,宜以出水回流缓解基质毒性。5)研发了ANAMMOX-EGSB工艺,探明了高效ANAMMOX工艺的运行性能。①试验证明,ANAMMOX-EGSB工艺可取得超常的容积效能。EGSB反应器的HRT可短至0.237-0.267 h, NLR可高达76.4kg N·m-3·d-1,VRR可高达61.4kg N·m-3·d-1。这些指标已超出文献报道的最高值。②观察发现,ANAMMOX-EGSB工艺具有超常的运行稳定性。在进水总氮浓度为429.5-928.6 mg N·L-1,水力负荷为90.0-101.5 L·L-1·d-1,pH为7.00-8.30的工况下,反应器总氮去除率和出水浓度的相对标准偏差分别为3.6%-6.9%和14.4%-22.6%。该工艺对基质浓度、进水流速和pH波动具有良好的抵抗能力。③研究揭示,ANAMMOX-EGSB工艺高效、稳定的主要原因是反应器内持留了密度高、活性强的颗粒污泥。反应系统内的污泥浓度高达24-28 g·L-1,连续培养测得的SSA高达3.62g N·g-1VSS·d-1。6)阐明了高效ANAMMOX工艺的反应过程特性,建立了高效ANAMMOX工艺的过程控制技术。①检测发现,ANAMMOX反应的真正基质是离子态的铵和亚硝酸盐。在分批培养试验中,pH为6.98-8.19时,pH对总氨氮半饱和常数的影响不大,其值为4.16±0.49 mg N·L-1; pH为6.95-8.30时,pH对总亚硝氮半饱和常数的影响也不大,其值为4.07±1.07 mg N·L-1。据此推断,离子态的铵和亚硝酸盐是ANAMMOX反应的真正基质。②试验证明,低进水pH对ANAMMOX工艺的效能有显著影响。其影响主要来自低pH与游离亚硝酸的双重抑制。在NLR大于14.8 kg N·m-3·d-1和设置回流(4：1)的情况下,这种抑制可得到有效缓解。抑制作用导致系统失稳时,可采用停车自然恢复、清水冲洗恢复和外加碱液恢复三种措施恢复效能。③观察发现,高负荷工况易激发ANAMMOX颗粒污泥上浮。这使得反应系统内污泥大量流失,效能迅速下降。颗粒污泥上浮的原因是内部产生空洞,持留气体,导致颗粒污泥密度低于水密度。采取“收集浮泥→机械破碎→返回反应器”的措施可增加系统中污泥量,从而恢复效能。