促进传递MABR短程硝化反硝化机理及过程强化研究

It is critical to improve the short-cut nitrification and denitrification (SND)process for the performance of membrane-aerated biofilm factor (MABR) in the removal of ammonia nitrogen and total nitrogen. Our previous study demonstrated that the increase of cross flow velocity significantly strengthened the SND process. However, the mechanism of this phenomenon has remained unclear. In this proposal, we plan to focus on the study of it based on the mass transfer dynamics and molecular biology methods and previous study. The research contents include that: (1) the effect of cross flow velocity on the biofilm mass transfer. (2) the effect of cross flow velocity on bacterial community stratification structure, the spatial distribution of the functional bacteria and the expression of functional genes. (3) discussing the relationship between mass transfer and the bacterial structure as well as function in order to classify the mechanism of high cross flow velocity in the role of the enchanced SND process. (4) the magnification experiment of FT-MABR system. The thesis can provide an open avenue for the application and study of MABR process intensification in depth.

促进短程硝化反硝化过程对提高膜曝气生物膜反应器（MABR）除氨脱氮功能具有重要意义。前期研究发现液相错流具有强化MABR短程硝化反硝化的作用，但其机理尚不明确。本项目在前期促进传递膜曝气生物膜反应器（FT-MABR）的研究基础上，耦合传质动力学和分子生态学理论和方法，系统探究错流强化MABR短程硝化反硝化过程机理。研究内容包括：1）FT-MABR生活废水处理生物膜内主要底物的传质动力学研究；2）FT-MABR生物膜细菌群落分层结构、功能菌群空间结构动态分布以及功能基因活性表达规律研究；3）分析FT-MABR生物膜内基质传质过程与细菌群落结构与功能的关联性，阐明错流强化MABR短程硝化反硝化过程的运行机理；4）FT-MABR短程硝化反硝化的放大实验研究。其研究方法和成果对MABR过程强化技术在生活污水处理领域的深入研究和开发具有重要的理论和实践指导意义。

生物脱氮系统内，微生物菌群间通过协同生长以实现不同氮素形态的相互转化。生物脱氮机制的不断完善极大推动了新型生物脱氮技术与工艺的不断涌现，实现了水体氮素污染治理与控制领域的革新发展。在我国大规模污水处理厂提标和强化脱氮的大背景下，本项目通过构建错流式MABR反应器，探究了主要运行参数对MABR生物膜系统脱氮除碳效能、底物传质及脱氮功能菌群分布动态演变规律的影响并进一步解析了其与菌群结构-功能间互作关系。研究表明，MABR生物膜中具备脱氮除碳功能的优势菌群包括Anaerolineae、Betaproteobacteria、Alphaproteobacteria、Gammaproteobacteria和Candidatus Nitrososphaera等，运行参数的变化主要影响其比例分配及系统处理效能。生物膜可容纳多种氨氧化菌，包括细菌Nitrosomonas和古菌Candidatus Nitrososphaera；反硝化菌主要包括厌氧反硝化菌Hydrogenophaga、好氧反硝化菌Hyphomicrobium和光能反硝化菌Rhodobacter；脱氮功能菌群的多样性强化了MABR高效的脱氮性能。利用一维多菌种多底物生物膜模型关联MABR生物膜内脱氮功能菌群生长动力学、底物传质动力学与降解动力学，解析功能菌群竞争作用机制及其在生物膜内分层分布情况，在分析总结主要工艺参数对生物膜脱氮除碳性能影响规律基础上重点探讨了短程硝化反硝化调控机理，认为通过菌群生长竞争效应抑制硝化作用中间产物氧化进而可实现短程脱氮途径优化并综合生物膜内碳氮底物传质降解过程与功能菌群分层结构间的关联性，阐明了错流式MABR生物膜系统功能及短程硝化反硝化调控途径。在实验室研究基础上，设计和构建了新型MABR偶联中试反应器并进一步拓展了相关工艺技术在城镇生活污水、海面浮油治理及河道水体净化中的应用。本项目在研期间共发表期刊论文12篇（SCI9篇，中文核心3篇），申请2项发明专利（获批1项）并参编著作1部，完成了本项目计划书的任务指标。此外本项目研究方法与相关成果将对MABR强化脱氮技术的深入研究和开发具有重要的理论和实践指导意义。