基于生物膜的固体碳源反硝化特性与机理研究

Denitrification in low C/N ratio wastewater has been the hotspot of research. Solid phase denitrification is a new technology using insoluble solid organics as biofilm carriers and carbon source for microorganisms. The project focus on the composition, structure and function of the biofilm to analysis the characteristic and mechanism of the solid carbon source supported denitrification. Physical and chemistry characteristic of different solid carbon sources and the relationship between nitrate removal and the composition of the organism in the effluent will be investigated in this project, to provide scientific evidence for selection and exploitation of the solid carbon source. The formation charactistic and mechanism of the biofilm on the surface of the soild carbon source will be studied, according to the changes of the microbial communities, the species of the functional bacterium such as the co-aggregation bacterium and the solid carbon source decomposing bacterium, and their space-time changes. According to the radial direction distribution of microbial communities and functional bacterium in mature biofilm, the composition and distribution of the EPS, the metabolic pathway of nitrogen, the characteristic and mechanism of the solid phase denitrification will be revealed. The result will provide scienctific basis and technological support for the exploitation and application of the solid phase denitrfication.

低C/N比废水的脱氮问题一直是关注和研究的热点。“固相反硝化”是以水不溶性固体有机物作为生物膜载体和微生物碳源的新型反硝化技术。本项目从生物膜组成、结构和功能的角度对固相反硝化的特性和机理进行研究。项目通过对不同类型固体碳源的物化特征与硝酸盐去除特性和出水中有机物组成与含量之间的关系进行研究，为固体碳源的筛选和开发提供科学依据；通过解析微生物群落结构的演变、共凝集细菌和固体碳源分解细菌等功能微生物的种类、功能和其在生物膜形成过程中的时空演变特性，考察固体碳源表面生物膜形成的特性与机制；通过分析成熟生物膜微生物群落结构和功能微生物在膜内的径向分布特征、胞外聚合物（EPS）组成和分布、氮代谢通路，从生物膜组成、结构和功能的角度深入揭示固相反硝化的特性和机理。研究结果将为固相反硝化技术的开发与应用提供理论依据和技术支撑。

以低C/N水为处理对象，考察了PCL/淀粉共混物、聚己内酯（PCL）、聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）及小麦秸秆为固体碳源的反硝化性能，解析了典型固体碳源反硝化系统出水有机物组成及生物膜形成过程微生物群落结构演变特征和成熟生物膜的组成、结构和功能。主要结论如下：.（1）通过摇瓶试验，考察了不同固体碳源反硝化系统的启动性能和启动后性能。结果表明：PCL/淀粉共混物、PCL6500（分子量50000）和PCL6800（分子量80000）、PBS、麦秆和PLA的生物降解性能依次变差，其作为反硝化固体碳源时所需的启动时间分别为1 d、16 d、16 d、43 d和未启动成功。启动后，PCL/淀粉共混物、PCL6800、PCL6500系统的反硝化速率分别为0.0372 mg/(g•h)、0.0176 mg/(g•h)及0.01749 mg/(g•h)。各固体碳源浸出有机物规律一致，浸出1d时DOC释放明显，随后释放量逐渐减小，最终趋于稳定。.（2）通过三维荧光光谱及红外光谱等方法对PCL/淀粉共混物、PCL6800及PCL6500为固体碳源反硝化系统的出水有机物组成进行解析。结果表明：有机物主要成分为多糖、蛋白质、聚己内酯单体及低聚体等。.（3）通过高通量测序方法，解析PCL/淀粉共混物为固体碳源时生物膜形成过程微生物群落结构演绎特征。结果表明：随生物膜形成群落丰富度逐渐降低（Chao指数由196.176降至105.500）、物种多样性先减小再增大（Shannon指数由3.003降至2.477再升至2.983）。随生物膜形成，反硝化功能菌属 Uliginosibacterium及Elstera相对丰度逐渐升高，好氧反硝化菌Dechloromonas相对丰度逐渐降低，Comamonadaceae相对丰度逐渐降低。反硝化菌含量逐渐升高，提高反硝化性能，与反硝化特性试验结果一致；由于缺氧条件，使得某些需氧型菌含量逐渐下降。.（4）成熟生物膜样品与接种污泥样品在科水平的组间差异检验表明：红环菌科、丛毛单胞菌科、黄色杆菌科、噬纤维菌科、鞘脂杆菌科等反硝化功能菌显著增多。宏基因组结果揭示了固体碳源反硝化系统的氮代谢通路，与PCL6500系统相比，PCL/淀粉共混物系统由于降解性更佳，其亚硝酸盐还原过程得到强化。