生物膜系统中硝化过程对生物膜脱落行为的响应机制

生物膜法作为一种高效的生物除碳脱氮技术，近20年来被广泛应用于工业废水和城市生活污水的生物处理。目前大量的研究工作主要集中在系统的处理效率、生物膜形成、流体力学、传质以及反应动力学特性等方面。在反应机理研究方面，生物膜的脱落是了解最少的，而反应器中生物膜的脱落直接影响到生物膜的形态、稳定性以及转化效率。本研究拟采用环状生物膜反应器，研究由不同水力条件和底物负荷引起的生物膜脱落行为及硝化过程的变化特征，通过CLSM等技术手段获取生物膜结构、细菌和胞外聚合物在附着/脱落生物膜内的分布等信息，探讨脱落对生物膜结构的影响；通过分析自养硝化菌菌群结构及活性、硝化动力学及氨氮去除过程中氮流向，探讨自养硝化菌的生长及硝化过程与生物膜脱落之间的关系，揭示硝化过程对生物膜脱落的响应机制，为今后生物膜数学模型的建立提供数据支持，同时为提高生物膜法的脱氮效果和减少氮排放对环境的污染提供科学依据。

生物膜的附着、生长和脱落三者之间的平衡对于生物膜的形态结构及其功能特性的维持起着重要的作用。通过培养不同类型的生物膜，研究了不同底物条件和水力条件下生物膜的脱落行为及其对生物膜结构的影响。利用库爱特－泰勒反应器（Couette Taylor Reactors）在不同底物条件下培养不同类型的生物膜，研究发现，在恒定水力条件下不同生物膜发生脱落的程度会有所不同，异养/自养硝化菌混合生物膜的脱落率要高于异养菌生物膜，且异养菌生物膜脱落颗粒的尺寸更小，但生物膜脱落对氨氮去除的影响不大。在两种生物膜内，基础层生物膜比外层生物膜具有更强的粘结力，能抵抗高达10Pa的水力剪切力，且生物活性较高。对于自养硝化菌生物膜，在生物膜发生脱落后，残余生物膜对氨氮的表面去除速率几乎保持不变，甚至对氨氮的比去除速率还略有增加，说明自养硝化菌可能主要分布在生物膜的内层。利用管式生物膜反应器，在恒定水力和低C/N比条件下培养混合生物膜，当系统稳定后，通过暂时增大管式反应器内水流流速的方式进行脱落实验。期间采用变性梯度凝胶电泳（DGGE）技术和焦磷酸测序（454 Pyrosequencing）技术检测生物膜菌群组成的变化情况。实验结果表明，在实验开始3周后氨氧化率就达到了99%；出水中检测到了硝酸盐。不过，在整个实验过程中出水一直能检测到一定浓度的亚硝酸盐。实验发现，生物膜脱落会引起出水亚硝酸盐浓度的增加。生物膜脱落主要发生在恒定水力条件下，即使管内流速增加到4000mL/min，也没有导致生物膜的显著脱落。DGGE图谱显示，附着生物膜和脱落生物膜内微生物菌群的组成基本一致，而且在整个实验过程中没有出现菌群组成的显著变更，但是脱落生物膜的某些条带的亮度明显高于附着生物膜，生物膜脱落会引起生物膜内菌种丰度的变化，从而影响硝化过程。