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本期专访人物——环境科学与工程学科博士研究生 杜睿。

基本信息

论文中文题目：新型DEAMOX工艺技术脱氮性能与优化调控及菌群结构

论文英文题目：Nitrogen removal performance with optimal control and microbial community of a novel deamox technology

所获奖励名称：2020年中国环境科学学会优秀博士学位论文奖

作   者：杜睿

指导教师：彭永臻

培养院系：环境与生命学部

学   科：环境科学与工程

研究体会：踏实虚心，知之躬行

研究背景与意义

厌氧氨氧化（Anammox）工艺具有节省能耗、污泥产量低及脱氮负荷高等诸多优势，是目前世界上公认最经济高效的污水脱氮技术。然而Anammox在主流城市污水处理中尚未得到推广应用，其瓶颈为基质亚硝酸盐（NO2-−N）难以稳定获取。此外，Anammox工艺不能直接用于硝酸盐（NO3-−N）废水脱氮，制约了该工艺的广泛应用。本课题基于短程反硝化作为Anammox获取NO2-−N的新途径，开发了新型DEAMOX（DEnitrifying AMmonium OXidation）工艺技术，对其脱氮性能、优化调控和菌群结构等方面进行深入研究，以此推进Anammox工艺的工程应用。

主要研究内容与创新点

基于稳定维持的短程反硝化产NO2-−N技术，开发了短程反硝化与厌氧氨氧化耦合的新型DEAMOX工艺，系统地研究了其在不同负荷及反应器形式下脱氮性能、功能菌群代谢特性及生物特征，提出了稳定高效运行优化调控策略，实现了厌氧氨氧化主导的主流城市污水深度脱氮，对污水处理节能降耗和厌氧氨氧化推广应用具有重要意义。主要创新点如下：

1.突破了厌氧氨氧化反应基质NO2-稳定获取的瓶颈问题，提出了短程反硝化获取NO2-的新方法，首次实现NO3-到NO2-转化率高于80%的短程反硝化过程及其长期稳定维持，并在污水处理系统中富集了功能菌群，相对丰度达67%。

2.克服了自养脱氮效率低、运行不稳定的关键问题，开发了基于短程反硝化与厌氧氨氧化耦合的新型DEAMOX工艺，实现了厌氧氨氧化脱氮贡献率稳定高达90%以上的城市污水与硝酸盐废水同步高效脱氮。

图1 新型DEAMOX工艺生物反应过程机理示意图

3.为解决主流城市污水脱氮节能降耗的难题提供了新途径，构建了基于DEAMOX的低碳氮比城市污水深度脱氮系统，在低温、低基质的实际生活污水处理中得到验证，平均温度16.3℃时，出水总氮低于5 mg/L，理论上可节省50%曝气能耗、80%有机碳源、温室气体排放减少50%，且大大降低剩余污泥产量。

图2 基于新型DEAMOX工艺处理城市污水工艺流程图

4.揭示了反硝化过程选择性还原的微生物学机理，提出基于种泥筛选与环境诱导相结合的短程反硝化功能菌群优选富集方法与调控策略，实现了自养/异养耦合菌群的代谢活性提高5倍，系统脱氮负荷提高13.6倍。

图3反硝化为厌氧氨氧化提供基质的耦合作用机制

代表性创新成果

1. Rui Du, Shenbin Cao, Baikun Li, Meng Niu, Shuying Wang, Yongzhen Peng*. Performance and microbial community analysis of a novel DEAMOX based on partial-denitrification and anammox treating ammonia and nitrate wastewaters. Water Research, 2017, 108:46-56.

2. Rui Du, Shenbin Cao, Hanyu Zhang, Xiangchen Li, Yongzhen Peng*. Flexible Nitrite Supply Alternative for Mainstream Anammox: Advances in Enhancing Process Stability. Environmental Science & Technology, 2020,54(10):6353-6364.

3. Rui Du, Yongzhen Peng*, Jiantao Ji Liangliang Shi, Ruitao Gao, Xiangchen Li. Partial denitrification providing nitrite: Opportunities of extending application for anammox. Environment International 2019, 131, 105001.

4. Rui Du, Shenbin Cao, Baikun Li, Hanyu Zhang, Shuying Wang, Yongzhen Peng*. Synergy of partial-denitrification and anammox in continuously fed upflow sludge bed reactor for simultaneous nitrate and ammonia removal at room temperature. Bioresource Technology 2019, 274: 386–394.

5. Rui Du, Shenbin Cao, Baikun Li, Hanyu Zhang, Xiyao Li, Qiong Zhang, Yongzhen Peng*.Advanced nitrogen removal from wastewater by combining anammox with partial denitrification. Bioresource Technology 2015,179, 497–504.

来源：北京工业大学研究生教育

2021年5月19日