膜曝氣生物膜穩定短程硝化反硝化的機理及調控

《膜曝氣生物膜穩定短程硝化反硝化的機理及調控》是依託同濟大學，由王榮昌擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：膜曝氣生物膜穩定短程硝化反硝化的機理及調控
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王榮昌
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

保持污水短程硝化反硝化工藝穩定運行的關鍵是選擇性抑制亞硝酸鹽氧化菌群（NOB）的生長而保持氨氧化菌群（AOB）的優勢地位。本研究針對膜曝氣生物膜用於短程硝化反硝化啟動難、不穩定的問題，根據AOB與NOB之間的種群競爭理論，利用螢光原位雜交、雷射共聚焦顯微成像、Real-time qPCR以及16S rRNA克隆文庫構建等分子生物學分析技術，從生物膜外部環境條件、接種污泥菌群構成及生物膜厚度控制三個角度，來探索對膜曝氣生物膜內NOB的有效抑制措施，闡明其抑制機理，並在此基礎上提出膜曝氣生物膜短程硝化反硝化穩定運行的調控策略。本研究可解決目前膜曝氣生物膜短程硝化反硝化運行穩定性較差的問題，不僅能為今後用於短程脫氮的膜曝氣生物膜反應器的設備化和產業化提供關鍵參數，而且為我國低碳氮比污水的可持續性處理提供技術支持和科學依據。

結題摘要

本項目以膜曝氣生物膜形成過程及菌群結構變化為考察對象，通過控制進水氨氮負荷和膜內氣壓等措施，實現膜曝氣生物膜短程硝化與反硝化的穩定運行。利用溶解氧微電極技術，系統考察了不同工況下膜曝氣生物膜內溶解氧的擴散規律，發現在不同膜內氣壓的條件下，膜曝氣生物膜內溶解氧的穿透深度變化不大，都在120µm左右。採用螢光原位雜交與雷射共聚焦聯用技術，對膜曝氣生物膜內的主要功能菌群的空間分布特徵進行了分析，結果發現當生物膜厚度小於100µm時，溶解氧可全部穿透生物膜，氨氧化菌群（AOB）和亞硝酸鹽氧化菌群（NOB）分布在整個生物膜厚度範圍內；當生物膜厚度大於500µm時，由於溶解氧穿透深度有限，AOB和NOB主要分布在接近曝氣膜的生物膜底部的100～150µm深度範圍內。隨著生物膜厚度的增加，生物膜內胞外多聚物（EPS）的含量相應增加，反硝化異養菌可利用EPS作為碳源在硝化生物膜內生存，並產生反硝化作用。控制生物膜厚度是控制膜曝氣生物膜穩定短程硝化反硝化的關鍵，實驗結果表明生物膜厚度控制在200～300µm左右，可以實現系統的穩定短程硝化反硝化。在生物膜啟動初期採用高氨氮負荷與較高溫度（30℃）的措施來抑制NOB的生長，實現了膜曝氣生物膜反應器短程硝化的成功啟動運行，實時定量PCR分析結果證實了AOB在生物膜內的優勢地位。本研究對於深入理解膜曝氣生物膜結構和功能特徵，解決目前膜曝氣生物膜用於短程硝化反硝化啟動困難、運行穩定性較差的問題，促進膜曝氣生物膜反應器技術的工程套用與設備化，均具有重要的理論意義和實踐指導作用。