盐分对自养与异养短程硝化生物膜特性的影响机理研究

近年来我国日益加剧的水体富营养化使得废水生物脱氮技术研究得到广泛关注，开发应用新型高效低能耗的短程硝化脱氮工艺显得尤为重要，而盐分又被普遍认为是抑制硝化效率的重要因素之一，目前关于盐分胁迫对短程硝化生物膜的影响作用机制还不清楚。本项目将运用分子生物学的技术手段与微电极分析和宏观的硝化生物膜脱氮速率测定相结合，重点研究盐分胁迫对自养与异养短程硝化生物膜硝化效率差异的影响规律，以及硝化效率与基质在生物膜界面传质之间的内在联系，揭示生物膜的结构特性和微生物种群演变与盐分胁迫的响应机理，进而阐明盐分胁迫下硝化微生物生态调控的作用机制，并解析耐盐硝化微生物的基序特征，为含盐废水的新型生物脱氮理论和工艺的开发提供科学依据。

盐分会对微生物产生一定的抑制和毒害作用，高盐废水生物脱氮技术是目前生物脱氮工艺的难点，研究盐分胁迫对短程硝化生物膜的影响作用机制对新型高效低能耗的短程硝化脱氮工艺开发具有重要意义。本项目采用固定床生物膜反应器，在实现短程硝化工艺的基础上，逐步提高进水盐度，进而实现微生物的耐盐驯化，结果表明适量的有机碳 (COD:N=2.6:1)对短程硝化生物膜系统有利，在盐分浓度（以NaCl计）从0g/L增加到70g/L的过程中，自养反应器的氨氮去除率和亚硝化率基本上都维持在80%以上，异养反应器的氨氮去除率和亚硝化率基本上维持在70%和90%以上，NOB更易受到盐分抑制，可以获得更好的亚硝化率，达到稳定状态所需时间较短，但氨转化率变化上的明显波动，异养反应器的盐分抑制浓度小于自养反应器，显示了自养反应器更耐受高盐分的冲击。自养、异养反应器都在盐分浓度为70 gL-1时受到了抑制，这一浓度高于已报道的文献值。自养和异氧生物膜都是局部氧气渗透，导致了两种生物膜都存在好氧、缺氧和厌氧生长区域，生物膜的不均匀及多孔结构导致了与微生物群落结构相关的复杂氧气渗透模式。随着进水盐浓度的增加，自养和异氧生物膜β-多糖及细胞数量也逐渐降低，但异养生物膜的细胞数量随着盐浓度的增加衰减现象比自养生物膜更为显著，异养生物膜比自养生物膜在高盐浓度下更快的硝化细菌流失速度。自养生物膜的脂质、蛋白质及α多糖在进水盐分增加时先增加再降低，而异养生物膜各成分浓度随盐的增加一直呈现递减，显示了自养、异养条件下硝化细菌在盐胁迫下的不同响应机制。两个反应器的总细菌数量和AOB数量均不断下降，自养反应器中AOB数量占总细菌数量的比例呈现出一个下降又上升的过程，异养反应器则一直处于逐渐下降的过程，异养系统较自养系统更易受到盐分的抑制作用。自养反应器和异养反应器的多样性指数（H）和辛普森指数（D）均随着盐分浓度的增加而降低，但微生物群落结构存在显著差异，自养反应器中的AOB为亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas），异养反应器中的AOB包括亚硝化螺菌属（Nitrosospira）和亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）。反应器菌种结构逐渐向以耐盐菌为优势菌种的方向演变，导致反应器具有良好的耐受高盐浓度冲击的性能，这为利用生物膜处理高盐含氨氮废水提供了一定的理论依据。