膜曝气生物膜稳定短程硝化反硝化的机理及调控

保持污水短程硝化反硝化工艺稳定运行的关键是选择性抑制亚硝酸盐氧化菌群（NOB）的生长而保持氨氧化菌群（AOB）的优势地位。本研究针对膜曝气生物膜用于短程硝化反硝化启动难、不稳定的问题，根据AOB与NOB之间的种群竞争理论，利用荧光原位杂交、激光共聚焦显微成像、Real-time qPCR以及16S rRNA克隆文库构建等分子生物学分析技术，从生物膜外部环境条件、接种污泥菌群构成及生物膜厚度控制三个角度，来探索对膜曝气生物膜内NOB的有效抑制措施，阐明其抑制机理，并在此基础上提出膜曝气生物膜短程硝化反硝化稳定运行的调控策略。本研究可解决目前膜曝气生物膜短程硝化反硝化运行稳定性较差的问题，不仅能为今后用于短程脱氮的膜曝气生物膜反应器的设备化和产业化提供关键参数，而且为我国低碳氮比污水的可持续性处理提供技术支持和科学依据。

本项目以膜曝气生物膜形成过程及菌群结构变化为考察对象，通过控制进水氨氮负荷和膜内气压等措施，实现膜曝气生物膜短程硝化与反硝化的稳定运行。利用溶解氧微电极技术，系统考察了不同工况下膜曝气生物膜内溶解氧的扩散规律，发现在不同膜内气压的条件下，膜曝气生物膜内溶解氧的穿透深度变化不大，都在120µm左右。采用荧光原位杂交与激光共聚焦联用技术，对膜曝气生物膜内的主要功能菌群的空间分布特征进行了分析，结果发现当生物膜厚度小于100µm时，溶解氧可全部穿透生物膜，氨氧化菌群（AOB）和亚硝酸盐氧化菌群（NOB）分布在整个生物膜厚度范围内；当生物膜厚度大于500µm时，由于溶解氧穿透深度有限，AOB和NOB主要分布在接近曝气膜的生物膜底部的100～150µm深度范围内。随着生物膜厚度的增加，生物膜内胞外多聚物（EPS）的含量相应增加，反硝化异养菌可利用EPS作为碳源在硝化生物膜内生存，并产生反硝化作用。控制生物膜厚度是控制膜曝气生物膜稳定短程硝化反硝化的关键，实验结果表明生物膜厚度控制在200～300µm左右，可以实现系统的稳定短程硝化反硝化。在生物膜启动初期采用高氨氮负荷与较高温度（30℃）的措施来抑制NOB的生长，实现了膜曝气生物膜反应器短程硝化的成功启动运行，实时定量PCR分析结果证实了AOB在生物膜内的优势地位。本研究对于深入理解膜曝气生物膜结构和功能特征，解决目前膜曝气生物膜用于短程硝化反硝化启动困难、运行稳定性较差的问题，促进膜曝气生物膜反应器技术的工程应用与设备化，均具有重要的理论意义和实践指导作用。