8-天津會議-向韜16比9版.pdf

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1、 向韜 沈陽建筑大學市政工程系郵箱：錳氧化物介導的新型脫氮工藝高效錳氧化物介導的新型脫氮工藝高效運行的技術研究運行的技術研究目錄一、研究背景二、國內外研究現狀三、前期研究基礎四、前期主要研究進展五、后續研究思路構建一、研究背景一、研究背景1969BarthDart and SqurrA/O processBardenpho processMcCartyTamblyn and Sword 1960Wuhrmann 1968Balakrishnan and Eckenfelder19721970Bio-denipho system 197519951959Finsen and Sampson196

2、2Ludzack and Ettinger 嘗試以糖漿作為碳源反硝化活性污泥系統后置反硝化嘗試引入曝氣三段法脫氮反硝化碳源及載體優化約翰內斯堡：經典工藝形成100 m3/dDE氧化溝厭氧氨氧化（Anammox）1.1 生物脫氮工藝發展簡史生物脫氮工藝發展簡史 一、研究背景一、研究背景Partial Nitritation-Anammox=“Deammonification”與傳統生物脫氮工藝相比：節省62.5%的曝氣能耗 節省100%的碳源需求剩余污泥與溫室氣體排放量大大降低1.2 基于基于anammox發展出來的完全自養脫氮工藝（發展出來的完全自養脫氮工藝（Deammonification）

3、低碳、節能、減排低碳、節能、減排一、研究背景一、研究背景1.3 低氨氮自養脫氮工藝的應用難點低氨氮自養脫氮工藝的應用難點Xiang et al.,Bioresource Technology，2021.低氨氮:進水氮負荷難以滿足AnAOB生長需求，NOB難以抑制低溫：進一步抑制AnAOB的生長，總氮去除率難以提升。AnAOB的活性保證是關鍵的活性保證是關鍵指標指標典型的北方污水處理典型的北方污水處理廠廠典型的南方污水處理典型的南方污水處理廠廠COD(mg/L)130-698(363)85.3-834(342)BOD(mg/L)59.5-326(129)49.0-380(153)NH4+-N(m

4、g/L)15.2-52.8(36.8)15.5-74.2(45.6)TN(mg/L)19-77.9(42.5)23.2-81.5(48.5)殘余有機物：觸發異養菌群生長，與AnAOB競爭051015202530123456789101112進水水溫（）月份某南方污水廠某北方污水廠電子供體電子供體NO2-N難以穩定積累是制約該工藝應用的瓶頸難以穩定積累是制約該工藝應用的瓶頸能否換一種思路？能否換一種思路？二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀2.1 其余電子供體的選擇其余電子供體的選擇-鐵氨氧化（鐵氨氧化（Feammox）與錳氨氧化（）與錳氨氧化（Mnammox）Swathi.Rev Enviro

5、n Sci Biotechnol,2021.二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀2.2 Mnammox的優勢（相較于的優勢（相較于Feammox）效率更高效率更高減少二次污染減少二次污染更加經濟更加經濟錳類化合物的零電點更低，在微生物代謝中的利用效率是鐵類化合物的5-6倍Feammox系統鐵離子易滯留，需多次投加鐵源實現鐵循環，可能導致系統礦化甚至二次水污染相比于Feammox，Mnammox中氧化一摩爾NH4+所需要Mn（）更少。Chen,et al.Science of the Total Environment,2020.Li,et al.Chemical Engineering Jou

6、rnal,2023二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀 1882年 1997年 2015年 2020年2.3 Mnammox的關鍵研究及節點的關鍵研究及節點科學家首次通過推測出微生物在錳氧化過程中的潛在作用。W.Spring(1882)對海底和田間沉積物分析發現NO3-含量和 Mn2+含量有顯著正相關性，并通過熱力學計算揭示了N2的產生。Luther G W,et al.(1997)首次通過實驗驗證了錳氨氧化的存在，證明了錳可以作為電子受體，與氨結合。Cao,L.T.T.et al.(2015)表明錳氨氧化過程在水處理過程的應用潛力，錳氨氧化在環境修復中的應用前景也得到了進一步探討。Chern

7、ev,P.et al.(2020)三、前期研究基礎三、前期研究基礎 申請人長期致力于厭氧生物處理、新型生物脫氮等方面的研究，近三年來發表多篇論文，也申請了專利，同時參與多個科研項目，前期研究打下了一定的基礎：主要論文主要論文：1.Xiang T,Liang H,Gao D.Comparison of recovery characteristics between AnAOB and AOB-AnAOB granular sludge after long-term storageJ.Science of The Total Environment.(SCI,IF:7.963)2.Xiang

8、T,Liang H,Wang P,et al.Insights into two stable mainstream deammonification process and different microbial community dynamics at ambient temperatureJ.Bioresource Technology.(SCI,IF:9.642)3.Xiang T,Gao D,Wang X.Performance and microbial community analysis of two sludge type reactors in achieving mai

9、nstream deammonification with hydrazine additionJ.Science of The Total Environment.(SCI,IF:7.963,)4.Xiang T,Gao D.Comparing two hydrazine addition strategies to stabilize mainstream deammonification:Performance and microbial community analysisJ.Bioresource Technology.(SCI,IF:9.642,)5.Xiang T,Liang H

10、,Gao D.Effect of exogenous hydrazine on metabolic process of anammox bacteriaJ.Journal of Environmental Management.(SCI，IF:6.789)6.Gao D,Xiang T.Deammonification process in municipal wastewater treatment:Challenges and perspectivesJ.Bioresource Technology.(SCI,IF:9.642)主要項目主要項目：12023.05-2025.05 遼寧省合

11、作項目，低氨氮廢水自養脫氮系統效能強化的關鍵技術研發，在研，項目負責人22023.9-2025.9 遼寧省教育廳項目，厭氧氨氧化中間代謝產物強化其與異養菌群協作的研究，在研，項目負責人32023.12-2025.12 沈陽市科技局專項，城鎮污水生物脫氮的技術研究與應用研究，在研，項目聯合負責人42024.12-2026.12 遼寧省科技廳項目，錳氧化物介導的新型脫氮工藝高效運行的效能及機制研究，在研，項目負責人主要獲獎：主要獲獎：2024.3，華夏建設科學技術獎勵委員會，華夏建設科學技術獎（三等獎）。四、前期研究進展四、前期研究進展4.1 Mnammox系統的初步建立系統的初步建立課題組前期在

12、小試反應器中，已經證實了Mnammox過程的存在，其經過160d的培養馴化，氨氮和總氮去除率分別可以達到78%和50%以上，但亞硝酸鹽/硝酸鹽積累較為明顯。近期研究發現，經過調控和優化，歷時不到兩周即可達到上圖脫氮水準（2023級研究生未發表數據）。Mnammox系統啟動馴化效能變化4.2 Mnammox系統系統對氮代謝的多途徑促進對氮代謝的多途徑促進Mnammox系統馴化前后氮代謝基因及代謝途徑變化系統馴化前后主要功能菌屬變化發現了錳氧化/還原菌的豐度提升，積累了厭氧氨氧化菌與氮氧化及氮還原相關的功能基因表達能力提升，尤其是厭氧氨氧化相關途徑四、前期研究進展四、前期研究進展4.3 Mnamm

13、ox系統中關鍵基因的表達系統中關鍵基因的表達四、前期研究進展四、前期研究進展Mnammox系統馴化前后錳氧化關鍵基因的表達SOD2基因編碼Mn-超氧化物酶，未知酶將底物轉化成超氧化物O2-，經SOD2將Mn(II)氧化成Mn(III)，隨后通過歧化作用等途徑轉化成Mn(IV)。4.4 Mnammox系統的主要脫氮機制系統的主要脫氮機制四、前期研究進展四、前期研究進展Mn(IV)作為電子受體，通過生物或化學過程將NH4+-N先氧化為NH2OH。NH2OH被微生物直接生物還原，或與Mn(IV)化學反應生成Mn(II)、NOx-和N2。完成錳氧化物介導自養脫氮過程。馴馴化化前前馴馴化化后后顆粒污泥粒

14、徑增大，顏色加深，污泥表面變得粗糙，空隙豐富，有生物和化學過程形成的多種錳礦物質。4.5 小結小結四、前期研究進展四、前期研究進展（1）采用向反應器內投加MnO2粉末的方式，經過160 d的培養，實現了Mnammox過程的啟動，MnO2的還原可以介導NH4+-N的氧化過程，但是錳循環中的NO3-N還原過程受到限制。（2）錳氧化物介導自養脫氮可以促進多種氮代謝途徑（如Anammox過程），與錳氧化還原相關菌屬Acinetobacter、Bacillus、Anaeromyxobacter和Geothrix均有富集。（3）顆粒污泥粒徑增大，顏色加深，污泥中的Mn(IV)呈現層狀結構與珊瑚狀結構相結合

15、；通過氧化還原作用，且形成復雜的錳氧化物（如水鈉錳礦、Mn2O3以及MnCO3等）。（4）初步揭示了Mnammox過程的微生物機制，MnO2使得與錳轉運系統相關的基因表達更活躍，促進了蛋白質的合成和分泌，Mnammox是一個復雜的生物/化學聯合作用，它們對總氮脫除的具體貢獻需要進一步探究。五、后續研究思路構建五、后續研究思路構建丁爽，等.生態學報，2012厭氧氨氧化菌的群體感應行為促進系統中污泥集聚和顆?；龠M系統中污泥集聚和顆?；嵘嵘齅nammox的運行效能的運行效能Mn2+可促進可促進Anammox的活性的活性5.1 Anammox與與Mnammox過程的相互促進過程的相互促進五、后續

16、研究思路構建五、后續研究思路構建Mnammox系統的生境利于系統的生境利于Anammox過程的進行過程的進行NDMO自養反硝化效率有限自養反硝化效率有限錳氨氧化錳氨氧化-厭氧氨氧化厭氧氨氧化-異養反硝化耦合異養反硝化耦合（Mnammox-Anammox-DN）新型生）新型生物脫氮工藝物脫氮工藝Denitrifying bacteria城市污水中預處理后殘余城市污水中預處理后殘余COD5.2 新型生物脫氮工藝的設想新型生物脫氮工藝的設想五、五、后續研究思路構建后續研究思路構建Mnammox快速富集研究快速富集研究 主要環境因子對效能的影響主要環境因子對效能的影響pHMnO2投加量水力停留時間氮去

17、除負荷XPS化學態分析污泥形態表征 啟動過程中的菌群演替規律特征啟動過程中的菌群演替規律特征物種多樣性菌群結構功能菌屬豐度環境邊界條件優化環境邊界條件優化 Mnammox與與Anammox的協同脫氮研究的協同脫氮研究 系統協同脫氮的穩定運行系統協同脫氮的穩定運行Mn離子含量負荷快速提升化學計量比功能菌活性Mnammox系統效能的進一步提升系統效能的進一步提升污泥集聚特征外源促進劑00新型生物脫氮系統的構建及微生物機制研究新型生物脫氮系統的構建及微生物機制研究 Mnammox+Anammox+DN耦合耦合 處理實際生活污水處理實際生活污水溫度變化基質濃度氮去除負荷污泥濃度及表觀變化菌群活性 微生物學機制研究微生物學機制研究微生物代謝途徑重建功能酶鑒定代謝途徑模型構建自養自養/異養菌群的協作機制異養菌群的協作機制運行參數調控基因組結合Metapathway Cazy數據庫 ModelSEED初建，模型修正 感謝團隊學生的感謝團隊學生的辛苦付出辛苦付出褚旭陳佳迪曲泓嘉張天昊韓家寶程馨雨范宗龑高新桐姚志強鄧佳豪池建宇