饮用水生物预处理工艺快速启动及微观机制研究

由于投资的运行费用低廉，生物膜饮用水预处理技术在发展中国家有广阔的应用前景。但是目前针对生物膜饮用水预处理技术研究仍停留在反应器强化运行等宏观领域，针对微观领域生物相的研究不够深入，生物膜结构的变化、以低底物、难降解有机物和重金属离子为主要污染物条件下反应器内的微生物时间、空间分布规律和种群变化，分离、培养优势菌种等方面的研究还处于空白阶段。本研究针对以上问题，从反应器内部的微生物入手，开展以下研究：（1）从微观角度探索低底物条件下生物膜反应器快速启动的方法；（2）分析生物膜结构和微生物种群对反应器操作条件和水源水中特征污染物的不同响应；（3）分离、培养处理难降解、有毒污染物的特征优势菌种，从微生物角度研究其特性和新陈代谢机理；（4）动力学模型的建立。为反应器的宏观运行提供微观理论支持，为生物膜预处理技术的工程应用打下良好的基础。

在基金研究内容的基础上，对实验方案进行了进一步细化和扩展，基金中的研究内容全部完成。首先，流化填料表面的聚乳酸改性可以实现生物膜的快速启动，同时快速启动成功后，改性后的生物稳定性也较高，对氨氮和有机物都有较好的去除效能。轻质载体/沸石双层曝气生物滤池相比于单层曝气生物滤池来说具有更短的启动周期，并且其在低温条件下除氨氮具有很好的效能，下层选用轻质载体，填充率80%左右，上层选用沸石填料，粒径2～3mm。双层滤池在10℃以下，通过生物和离子交换作用氨氮平均去除率为75.11%。沸石的离子交换作用占整体对氨氮去除比例的20～40%。在高氨氮污染负荷下，滤池仍保持去除效果。.在此基础上，探讨了不同温度、不同C/N条件下生物膜对运行条件变化的微观响应。试验中温度条件为15℃、25℃、30℃，C/N为3和5，宏观考察了氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、TOC、TN的处理情况，微观考察了生物膜的形成情况及相应的生物量，利用PCR-DGGE技术分析了不同运行条件下的微生物菌群结构变化。25℃时，反应器的处理效果最优，30℃时生物膜上异养菌的生长逐渐呈现优势，15℃时硝化细菌活性减弱。此外，高C/N条件下生物膜挂膜速度快，菌群结构复杂，稳定运行40d后形成三维立体结构。经鉴定反应器中均存在硝化细菌，并发现变形菌、噬甲基菌属、噬氢菌、易挠屈挠杆菌、伯克氏菌等其他细菌类型，证明微污染水源水形成的生物膜中细菌种群也较为复杂。.针对微污染源水中含有的少量苯酚、铁锰的有毒、难降解的污染物，分离筛选及鉴定了苯酚降解菌和铁锰氧化菌。在分离筛选的9种苯酚降解菌中，挑选出生长速度快、苯酚降解率高的5种菌，分别为FY-1、FY-2、FY-3、FY-4、FY-5，测定了其生长曲线及苯酚降解率，对菌种FY-2和FY-4进行了细菌鉴定，分别为克雷伯菌和奇异变形杆菌。常规反应器运行15d后投加苯酚降解菌，各运行参数在短暂波动后恢复原有的去除水平。筛选获得的3种铁锰氧化菌，分析了其铁锰去除情况及铁锰氧化能力，初步鉴定出菌种FZ-1、FZ-2、FZ-3为具有铁锰氧化能力的纯菌，在反应器运行时发挥了部分的去除效果。.结合生物预处理工艺的结构特点和微生物特性，以莫诺方程为基础，通过适当的简化建立了反应器的底物降解和微生物增长动力学模型，并通过参考其他文献和结合试验结果确定了动力学模型中的各个参数的取值。通过模型的计算结果和