膜曝气生物膜反应器同步脱氮除硫的生物膜微观环境内生物过程机制研究

Treatment of industrial wastewater with high strength sulfur and nitrogen is mostly based on separated biological processes. Different microbial activities were introduced to transfer ammonia and sulfate into nitrogen gas and elemental sulfur, separately. However, current separated biological processes are hard to operate, cost-ineffective, and have low removal efficiency. An integrated and efficient biofilm system-Membrane Aerated Biofilm Reactor (MABR)-has special microorganisms stratification structure, is expected to remove multipollutants in wastewater. Due to techniques limitation, few researches focus on the mechanisms of simultaneous nitrogen and sulfur removal by MABR biofilm. An integrated MABR biofilm will be built in this study for treatment of high strength sulfur and nitrogen wastewater. Combined microsensors and molecular biology techniques will be applied to recognize key factors of biofilm growth, to identify the microbial populations of functional groups, to quantify the microbial metabolic rate, and to reveal the biological processes mechanism of simultaneous removal of sulfur and nitrogen. This research will provide theoretical basis for the simultaneous removal of nitrogen and sulfur pollutants in MABR reactor, and provide a new approach for industrial wastewater treatment.

含氮含硫有机废水的生物治理主要基于分段处理工艺，利用不同微生物活动将硫酸盐和氨氮转化为单质S和氮气。目前多数生物处理工艺存在运行成本高、工程操作复杂、氮和硫去除效率低的问题。膜曝气生物膜反应器具有特殊分层结构的生物膜，其内部多菌群共生代谢可实现废水同步脱氮除硫。由于缺乏有效检测手段，对生物膜微观环境内部脱氮除硫的生物过程机制尚未明确。本研究拟联合运用微传感器和分子生物学技术手段，鉴定生物膜内硝化菌群、反硝化菌群及硫酸盐还原菌群的功能基因生物信息及空间分布，获取氨氮、硝酸盐、硫酸盐、硫化氢等特征参数在生物膜内部的扩散与传质动力学，识别生物膜生长的关键影响因子，阐明外环境影响因子、生物膜内特征参数的梯度分布与生物膜菌群特性之间的关系，解析各生物过程的关联与抑制作用。本项目从微观上揭示膜曝气生物膜内的生物过程机制，宏观上提出反应器运行过程调控与优化策略，为高效治理含氮含硫有机废水指明新途径。

含硫含氮高浓度有机废水处理是难度较大的环境治理工程。同步去除碳氮硫技术的提出及问题解决在水治理中显得十分重要。课题对某化工染料高浓度有机废水中的碳氮硫污染物的同步去除处理进行研究。课题首先建立运行膜曝气生物膜反应器，培养了大约2000微米厚度的生物膜。通过溶解氧微传感器测定，得出液面以下约520微米厚度的生物膜为好氧层，靠近曝气膜的一端生物膜为厌氧层。进一步通过氨氮、硝酸盐、硫酸盐、硫化氢、pH等微传感器测定，获得这些参数在膜内的浓度梯度分布，推断出生物膜内硝化作用及硫酸盐还原作用的发生。此外，课题对生物膜的同步氧化，硝化反硝化及硫酸盐还原反应进行探究，本课题中的处理对象为含难降解物质的染料废水中的碳氮硫污染物。研究发现，该废水中的难降解物质二氨基四乙酰氨基苯甲醚AMA需要通过前置先行降解才能进入MABR进行去碳处理，本课题采用光催化将AMA进行分解之后通入膜曝气生物膜反应器进行处理，经过稳定运行，结果表明，COD去除率可达91%；总氮去除率达到95%；氨氮去除率为95%；硫酸盐去除率则为70%。说明MABR在运行过程中，去碳脱氮脱硫反应过程能够同时进行，且去除效果较为明显。本项目的实施为膜曝气生物膜反应器同步去碳脱氮除硫提供理论依据，现阶段相关应用主要处于实验室阶段，膜生物膜反应器同步去碳脱氮除硫效率的进一步提升以及对不同种类废水的适用性仍有待进一步探讨和研究。