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近年来，国内外把能量中和(Energy neutral)或能量盈余(Energy positive)作为未来污水处理的重要指标。其主要思路是通过回收污水中的有机碳源(COD)，将其转化为甲烷后结合低能耗技术进行生物脱氮。亚硝化/厌氧氨氧化/反硝化(SNAD)-固定生物膜/活性污泥(IFAS)工艺具有同时脱氮除碳、占地面积小和工艺流程简明等优势，被列为未来污水生物脱氮的重要工艺。本文研究目的是通过发展一项瘤胃液预处理藻类厌氧发酵结合SNAD-光生物反应器(PBR)耦合工艺处理污泥消化液强化产能技术，旨在实现生物脱氮除碳除磷的同时降低能耗，利用瘤胃液预处理及与消化污泥共发酵藻类与剩余污泥回收有机碳能的同时增加产能，为能量自给污水处理提供一种新思路和新工艺。
首先，本研究以藻类培养过程中的生长代谢特性为立足点，考察了藻类PBR处理实际污泥消化液过程中不同影响条件对藻类氮磷去除率的影响。通过Box-Behnken Design(BBD)响应曲面法优化结果表明磷浓度为40mg/L，CO2曝气浓度为2.6％，光强11847lx条件下NH4+-N最大去除率的预测值为29.9％。进一步通过Central Composite Rotatable Design(CCRD)响应曲面法优化，结果表明光强为11220lx，CO2曝气浓度为4.44％条件下NH4+-N去除率的预测值为18.6％。在最优条件下不同初始NH4+-N浓度对NH4+-N去除率影响呈正相关关系，NH4+-N去除效率的动力学常数及饱和系数分别为0.72d-1和-7.65mg/L。以稀释后的实际污泥消化液作为进水，藻类PBR运行最佳HRT为4d，收获间隔为2d。在最佳条件下TN去除率和去除负荷分别保持在68.7-71.8％和27.8-38.2mg/L·d，总磷去除率以及去除负荷分别为72.5-82.8％和3.9-5.2mg/L·d。
其次，在藻类PBR基础上启动运行SNAD-PBR耦合工艺并对其长期运行效果进行了研究。在最佳条件(HRT为1+4d时，进水NH4+-N浓度为400mg/L以及回流比为1∶3)下SNAD-PBR工艺对TN、TP及COD的最大去除率分别达到90.2％、100.0％及70.5％。当回流比为1∶3时，较低的C/N和较高的氮磷去除率表明此时反应器内厌氧氨氧化细菌的活性不会被异养反硝化菌所抑制。在SNAD-PBR耦合工艺中，SEM和FISH结果表明亚硝化细菌、厌氧氨氧化细菌和反硝化细菌存在于SNAD系统内。菌群特性活性分析结果表明亚硝化过程主要发生在悬浮污泥中，厌氧氨氧化与反硝化过程主要发生在生物膜上。高通量测序分析结果表明引入回流系统后新环境更适合于Candidatus Brocadia，在SNAD-PBR工艺中可能存在两种不同的脱氮途径，即生物膜上的脱氮过程主要由Candidatus Kuenennia和Denitratisoma完成，而悬浮污泥中的脱氮过程则由Nitrosomonas、Nitrospira、Candidatus Brocadia和Denitratisoma共同完成。
针对绿藻细胞壁结构中主要成分纤维素的存在导致厌氧发酵产甲烷能力不足的问题，本研究通过批次实验探究了瘤胃液预处理及与厌氧消化污泥共发酵手段对藻类厌氧发酵性能的影响。结果表明，瘤胃液的引入提高了藻类厌氧发酵的水解率但过高的瘤胃液接种比会抑制乙酸及丙酸的消耗。与厌氧消化污泥单独发酵相比，瘤胃液预处理和共发酵手段都提高了藻类厌氧发酵的生化产甲烷潜力。此外，在预处理时间48h，接种比10％(w/v)条件下累计产甲烷量达到最高，动力学参数k与B0值分别为0.44和130.1LCH4/kg VS。微生物群落分析表明，随着瘤胃液预处理时间增加产酸菌属Ruminococcaceae与产甲烷菌属Methanobrevibacter相对丰度先增加后逐渐降低，表明过长的预处理时间反而会抑制菌群内活性。除此之外，瘤胃液不仅可以通过预处理手段来促进细胞壁降解，而且在厌氧发酵过程中也可与厌氧消化污泥共同作用，从而提高了发酵过程产甲烷潜力。
在之前研究的基础上，通过批次实验探究了经过瘤胃液预处理并与厌氧消化污泥作为接种物，在不同底物混合比以及初始pH条件下对藻类与剩余污泥(WAS)混合发酵性能的影响。结果表明，瘤胃液的引入有利于混合发酵中累计产甲烷量的提高且藻类增长量优于剩余污泥。污泥混合比在50-100％间是藻类与剩余污泥混合发酵最佳范围，在此阶段累计产甲烷量以及系统对底物的分解、利用效率差别小。pH过高或过低都不利于瘤胃液预处理及与厌氧消化污泥作为接种物对藻类与剩余污泥混合发酵过程的进行。微生物群落分析表明pH为8.1时，Sporanaerobacter、Ruminococcaceae以及Ruminococcus是厌氧发酵过程三种主要的产酸菌属，此时累计产甲烷量达到最大值，k与B0值分别为0.31与166.5L CH4/kg VS。通过CCRD响应曲面法优化结果表明影响因子的主效应主次顺序为:剩余污泥底物混合比＞pH。此外，在剩余污泥底物混合比＞50％,9＞pH＞8.7范围内，TVFA与累计产甲烷量值与剩余污泥单独发酵相比差值不明显。
最后，本研究以小试实验为基础，对瘤胃液预处理藻类发酵结合SNAD-PBR耦合工艺的放大实际投产进行了简单的工艺流程设计、能耗分析及运行成本估算，为需要提标改造的污水处理厂提供一定的参考。以大连夏家河污泥处理厂的水质水量为设计参数以及SNAD-MBBR工艺为对比，得出SNAD-PBR工艺吨水能耗约为2.55kWh/m3，吨水运行费用约为2.23元/m3，其经济效益与环境效益非常显著。通过瘤胃液预处理藻类厌氧发酵结合SNAD-PBR耦合工艺回收污水中能量(CH4)并优化各处理单元运行，产能/耗能比为1.05，实现完全的能量中和运行目标。
首先，本研究以藻类培养过程中的生长代谢特性为立足点，考察了藻类PBR处理实际污泥消化液过程中不同影响条件对藻类氮磷去除率的影响。通过Box-Behnken Design(BBD)响应曲面法优化结果表明磷浓度为40mg/L，CO2曝气浓度为2.6％，光强11847lx条件下NH4+-N最大去除率的预测值为29.9％。进一步通过Central Composite Rotatable Design(CCRD)响应曲面法优化，结果表明光强为11220lx，CO2曝气浓度为4.44％条件下NH4+-N去除率的预测值为18.6％。在最优条件下不同初始NH4+-N浓度对NH4+-N去除率影响呈正相关关系，NH4+-N去除效率的动力学常数及饱和系数分别为0.72d-1和-7.65mg/L。以稀释后的实际污泥消化液作为进水，藻类PBR运行最佳HRT为4d，收获间隔为2d。在最佳条件下TN去除率和去除负荷分别保持在68.7-71.8％和27.8-38.2mg/L·d，总磷去除率以及去除负荷分别为72.5-82.8％和3.9-5.2mg/L·d。
其次，在藻类PBR基础上启动运行SNAD-PBR耦合工艺并对其长期运行效果进行了研究。在最佳条件(HRT为1+4d时，进水NH4+-N浓度为400mg/L以及回流比为1∶3)下SNAD-PBR工艺对TN、TP及COD的最大去除率分别达到90.2％、100.0％及70.5％。当回流比为1∶3时，较低的C/N和较高的氮磷去除率表明此时反应器内厌氧氨氧化细菌的活性不会被异养反硝化菌所抑制。在SNAD-PBR耦合工艺中，SEM和FISH结果表明亚硝化细菌、厌氧氨氧化细菌和反硝化细菌存在于SNAD系统内。菌群特性活性分析结果表明亚硝化过程主要发生在悬浮污泥中，厌氧氨氧化与反硝化过程主要发生在生物膜上。高通量测序分析结果表明引入回流系统后新环境更适合于Candidatus Brocadia，在SNAD-PBR工艺中可能存在两种不同的脱氮途径，即生物膜上的脱氮过程主要由Candidatus Kuenennia和Denitratisoma完成，而悬浮污泥中的脱氮过程则由Nitrosomonas、Nitrospira、Candidatus Brocadia和Denitratisoma共同完成。
针对绿藻细胞壁结构中主要成分纤维素的存在导致厌氧发酵产甲烷能力不足的问题，本研究通过批次实验探究了瘤胃液预处理及与厌氧消化污泥共发酵手段对藻类厌氧发酵性能的影响。结果表明，瘤胃液的引入提高了藻类厌氧发酵的水解率但过高的瘤胃液接种比会抑制乙酸及丙酸的消耗。与厌氧消化污泥单独发酵相比，瘤胃液预处理和共发酵手段都提高了藻类厌氧发酵的生化产甲烷潜力。此外，在预处理时间48h，接种比10％(w/v)条件下累计产甲烷量达到最高，动力学参数k与B0值分别为0.44和130.1LCH4/kg VS。微生物群落分析表明，随着瘤胃液预处理时间增加产酸菌属Ruminococcaceae与产甲烷菌属Methanobrevibacter相对丰度先增加后逐渐降低，表明过长的预处理时间反而会抑制菌群内活性。除此之外，瘤胃液不仅可以通过预处理手段来促进细胞壁降解，而且在厌氧发酵过程中也可与厌氧消化污泥共同作用，从而提高了发酵过程产甲烷潜力。
在之前研究的基础上，通过批次实验探究了经过瘤胃液预处理并与厌氧消化污泥作为接种物，在不同底物混合比以及初始pH条件下对藻类与剩余污泥(WAS)混合发酵性能的影响。结果表明，瘤胃液的引入有利于混合发酵中累计产甲烷量的提高且藻类增长量优于剩余污泥。污泥混合比在50-100％间是藻类与剩余污泥混合发酵最佳范围，在此阶段累计产甲烷量以及系统对底物的分解、利用效率差别小。pH过高或过低都不利于瘤胃液预处理及与厌氧消化污泥作为接种物对藻类与剩余污泥混合发酵过程的进行。微生物群落分析表明pH为8.1时，Sporanaerobacter、Ruminococcaceae以及Ruminococcus是厌氧发酵过程三种主要的产酸菌属，此时累计产甲烷量达到最大值，k与B0值分别为0.31与166.5L CH4/kg VS。通过CCRD响应曲面法优化结果表明影响因子的主效应主次顺序为:剩余污泥底物混合比＞pH。此外，在剩余污泥底物混合比＞50％,9＞pH＞8.7范围内，TVFA与累计产甲烷量值与剩余污泥单独发酵相比差值不明显。
最后，本研究以小试实验为基础，对瘤胃液预处理藻类发酵结合SNAD-PBR耦合工艺的放大实际投产进行了简单的工艺流程设计、能耗分析及运行成本估算，为需要提标改造的污水处理厂提供一定的参考。以大连夏家河污泥处理厂的水质水量为设计参数以及SNAD-MBBR工艺为对比，得出SNAD-PBR工艺吨水能耗约为2.55kWh/m3，吨水运行费用约为2.23元/m3，其经济效益与环境效益非常显著。通过瘤胃液预处理藻类厌氧发酵结合SNAD-PBR耦合工艺回收污水中能量(CH4)并优化各处理单元运行，产能/耗能比为1.05，实现完全的能量中和运行目标。