利用发酵型聚磷菌强化污水生物除磷及剩余污泥资源化利用

20240111

水利、环境和公共设施管理业

基于发酵型聚磷菌Tetrasphaera强化生物除磷及发酵剩余污泥性能的研究，已开发两套具有较强实用价值的工艺：①Tetrasphaera主导的连续流系统（PNPRF）同步实现短程硝化、生物除磷和污泥发酵；②Tetrasphaera主导的新型PDA-PFPN工艺同步处理城镇污水和剩余污泥。 对于第一套连续流处理系统，确定的最佳运行参数为：厌氧区、好氧区和缺氧区的水力停留时间（HRT）分别为15h、3h和5h；污泥回流比为100%；好氧区溶解氧的浓度约为2-3 mg/L；pH值约为6.9-7.2。处理低COD/N比城镇污水共运行214d，在没有投加外碳源的情况下取得了良好的脱氮除磷效果。亚硝酸盐累积率达到99.4%，PO43--P的去除率为100%。出水总无机氮浓度低于2 mg/L。与传统生物脱氮除磷工艺相比，连续流PNPRF工艺的日污泥排放量减少了62%。在Tetrasphaera主导的连续流系统中实现短程硝化、强化生物除磷和污泥原位发酵，为解决城镇污水处理过程中碳源不足、污泥排放量大的问题提供了有效的解决途径。 对于第二套间歇式处理系统（PDA-PFPN），由两个序批式反应器（SBR）串联而成，分别命名为PDA-SBR和PFPN-SBR。PDA-SBR的运行策略为进水-缺氧-沉淀-排水-闲置模式。PDA-SBR的进水体积比为60%，包括城镇污水（40%）和PFPN-SBR的排水I阶段（20%）。PDA-SBR的排水进入PFPN-SBR的初始缺氧阶段（60%）。PFPN-SBR的运行模式为厌氧-好氧-缺氧（A-O-A）模式。在排水I阶段PFPN-SBR的排水体积比为20%（泵入PDA-SBR），在排水II阶段PFPN-SBR的排水体积比为60%。在进水I阶段PFPN-SBR的进水体积比为20%，在进水II阶段PFPN-SBR的进水体积比为60%（来自PDA-SBR出水）。在PFPN-SBR中，厌氧阶段的氧化还原电位（ORP）约为-320 mV，温度约为20 ± 1 °C。溶解氧（DO）约为1 mg/L。该工艺同步处理城镇污水和剩余污泥，经过246天的运行，新型PDA-PFPN系统不仅实现了高效脱氮除磷，而且大大降低了剩余污泥排放量。在PDA-PFPN系统中不投加外碳源的情况下，NH4+-N、NO2--N和NO3--N的出水浓度均达到0，PO43--P的出水浓度为0.1mg/L。此外，由于污泥发酵作用，污泥减量率达到48.1%。该工艺在不投加外碳源的前提下同时实现脱氮除磷和污泥减量。 上述两套工艺系统均建立了完整的工艺流程和完善的运行调控策略，确定了最优的运行参数，保证系统的稳定高效运行。

目前污水处理厂的主流工艺有两大类型，即连续流工艺和间歇式工艺。研发的两套工艺系统分别是连续流工艺和间歇式工艺，对应于污水处理领域广泛采用的两大类工艺。这两种新型工艺既能用于新建水厂，也可以用于已有水厂的升级改造。对于新建水厂，由于两种工艺类似于传统的A2O工艺和SBR工艺，在基建投资及运行成本方面与现有的A2O工艺和SBR工艺持平。对于已有A2O工艺和SBR工艺水厂的升级改造，由于主要调控的是工艺的运行参数，例如水力停留时间等，不需要增加其它附属设备、池容或用地，因此不会增加基建投资及运行成本。此外，两种新型工艺都具有污泥发酵功能，实现内碳源开发，以满足污水生物脱氮除磷对碳源的需求，减少投加外碳源的药剂费。同时也实现了污泥减量，减少了剩余污泥处理处置的费用，进一步降低污水的处理成本。 在场地需求及设备方面，对于新建水厂，与现有的A2O工艺和SBR工艺基本相同。对于已有A2O工艺和SBR工艺水厂的升级改造，无需增加用地及相关设备。两种新型工艺对人员的技术水平并没有特殊的要求，现有污水处理厂的技术人员都能够胜任这两种工艺运行管理的相关工作。因此，开发的两种新型工艺在技术经济性、运行管理等方面具有明显优势。

可国（境）内外转让

原水有机碳源不足和剩余污泥排放量大已成为污水生物除磷处理的瓶颈。Tetrasphaera菌属可以直接利用污水中的糖类、蛋白质等大分子物质进行发酵并释放磷酸盐，不需要依赖进水中的VFAs。同时，Tetrasphaera在深度厌氧环境下可以将剩余污泥中的复杂有机物水解发酵，产生的VFAs又可以被Ca. Accumulibacter利用，解决原水有机碳源不足的问题，并大大减少剩余污泥的排放，实现了剩余污泥的资源化利用，减少污水处理成本。建立以发酵型聚磷菌Tetrasphaera作为优势聚磷菌的EBPR工艺，可以摆脱传统生物除磷工艺对进水VFAs的依赖，节省外加碳源；减少剩余污泥排放量并实现资源化利用；同时不再需要设置前置厌氧区，减少了污水处理厂的占地面积，简化了工艺流程。与传统A2O工艺或SBR工艺相比，吨水处理成本可以节省10%以上。在环境条件复杂的实际污水处理中单独依靠Tetrasphaera菌属进行生物除磷很难达到高效稳定的除磷效果。因此，强化Tetrasphaera的生物除磷功能，并与Ca. Accumulibacter实现协同作用，可以为VFAs浓度低的污水生物除磷及剩余污泥的资源化利用开辟新途径，具有广阔的应用前景。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

采用生物除磷技术的污水处理厂往往存在进水碳源不足和剩余污泥大量排放的问题。如何通过解析生物学机制优化生物除磷过程并实现剩余污泥的资源化利用成为污水生物处理领域的难题。近年来污水厂中发现了以发酵型聚磷菌Tetrasphaera作为优势菌的除磷现象。该现象的生物学机制及优化调控是目前尚未解决的一大难题。 本项目通过揭示Tetrasphaera发酵剩余污泥的代谢途径及其与Accumulibacter的协同机制，实现高效生物除磷和剩余污泥资源化利用。 （1）创新性地揭示了在EBPR系统中Candidatus Accumulibacter分支对环境因素的动态响应机制。Candidatus Accumulibacter分支对环境变化的转录响应与强化生物除磷（Enhanced biological phosphorus removal, EBPR）性能相关，不同的Candidatus Accumulibacter分支在P释放和P吸收过程中以不同的反应持续时间做出响应，不同的Candidatus Accumulibacter分支在厌氧、缺氧和好氧的不同阶段发挥作用，从而决定EBPR性能。 （2）以剩余污泥作为唯一碳源在生物除磷系统中同步实现污泥减量。考察了聚磷菌Tetrasphaera的污泥减量功能及Tetrasphaera主导的污泥发酵特性。Tetrasphaera发酵剩余污泥产生VFAs，为脱氮除磷提供碳源，在磷酸盐被完全去除的同时实现了剩余污泥的资源化利用和污泥减量。该系统中的污泥减量归因于发生了细胞死亡和裂解，活性污泥的稳定结构被破坏。在Tetrasphaera主导的污泥发酵过程中，缓慢可生物降解的有机物得到更好的利用，并释放挥发性脂肪酸VFAs供Accumulibacter利用，节省了外碳源的投加。 （3）在Tetrasphaera主导的连续流系统中同步实现短程硝化、生物除磷和污泥发酵，为解决连续流系统中难以同时实现短程硝化和生物除磷的难题提供了新思路，通过Tetrasphaera主导的污泥发酵开发内碳源并实现污泥减量。尽管没有向连续流中投加外碳源，仍取得了良好的脱氮除磷效果。同时由于厌氧阶段延长后污泥发酵作用导致细胞发生裂解，污泥排放量减少。 （4）构建了Tetrasphaera主导的短程反硝化/厌氧氨氧化-生物除磷/污泥发酵/短程硝化的新型PDA-PFPN工艺，同时处理城镇污水和剩余污泥，在实现高效脱氮除磷的同时减少了剩余污泥排放量。新型的PDA-PFPN工艺在不投加外碳源的情况下仍具有良好的脱氮除磷和污泥减量性能。剩余污泥中的酪氨酸和色氨酸芳香蛋白及可溶性微生物副产物被水解和酸化为VFAs，以节省碳源并实现剩余污泥减量和资源化利用。