新型生物膜自养脱氮实现策略及建模.doc

新型生物膜自养脱氮实现策略及建模膜曝气生物膜反应器(Membrane・aenited biofilm reactor, MABR) 是膜反应器和生物膜反应器的结合体，它利用疏水性的中空透气性微 孔膜进行无泡曝气，并以曝气膜作为生物膜生长的载体，是近年来新 兴的一种生物膜水处理工艺通过调节曝气膜腔内空气压力和流速， 可以有效地控制MABR生物膜由内向外形成独特的好氧■缺氧■厌氧 微区域，为不同类型微生物在同一生物膜中共存生长创造良好条件 建立可调控MABR反应器短程硝化■厌氧氨氧化一体化口养脱氮生物 膜，能为低碳高氨氮废水的经济、高效处理提供一种新途径本课题主要基于两个实验室规模MABR反应器的试验，并结合计 算机模拟工作开展研究首先研究了两种不同接种厌氧氨氧化菌 (AnAOB)的方式下(连续接种和序批接种AnAOB), MABR反应 器口养脱氮生物膜建立的情况同时利用AQUASIM模拟软件，对 MABR反应器自养脱氮生物膜进行数学建模，结合试验结果对构建 的模型进行了评估、校正和优化，利用模型为MABR脱氮性能的优 化提供指导最后，研究了间歇曝气模式下，MABR反应器的自养 脱氮性能利用原位荧光朵交(FISH)和实时荧光定量PCR(Real-time qPCR)技术，对不同时期MABR生物膜中主要功能菌的组成及演变 情况进行鉴定和分析。

与传统序批接种AnAOB的方法相比，连续接种AnAOB对于快 速建立MABR自养脱氮生物膜更加有效经过120天启动运行，TN 的去除效果在连续接种反应器(R1)中明显，而序批接种反应器(R2) 中不明显启动后114-260天，R1反应器中TN的平均去除效率和速 率分别达到22.51%和0.28 kg-N/m3/day,而R2反应器中仅为5.25% 和0.06 kg-N/m3/dayo硝酸菌（NOB）是限制MABR脱氮性能提高的 主要因素生成的NO2-N大部分在生物膜内部被NOB直接氧化为 NO3-N,仅有少量被生物膜外部的AnAOB利用，导致出水N03-N 的浓度较高,TN的去除率较低升高反应器温度（从25 oC到32 oC）, 控制较低的曝气膜腔内空气压力和流速（2.5 kPa和0.15 L/min）,以 及升高pH到8.2-8.3均不能够有效的抑制NOBFISH和Real-time qPCR分析表明，经过260天运行，R1反应器生物膜中有大量的亚硝 化菌（AOB）和AnAOB共存；R2反应器虽有人量AOB,但AnAOB 的量却很少此外，R1和R2反应器生物膜样品中均检测到一定比例 的NOB,苴中主要为Nitrobactero采用矩阵方法对MABR 口养脱氮生物膜模型中各个组分和反应 进程进行了表达。

灵敏度分析结果表明，“心、K"、“例、丫例、 Sob、Ko、nob、%b、丫阿、“皿泗和心对 MABR 出水 NH4+-N、NO2—N 和NO3-N浓度影响显著以R2反应器试验数据为基础，对构建的 模型进行了评估、校正和优化，优化的模型能够准确拟合R2反应器 的实际运行状况利用建立的模型，对启动阶段R2反应器生物膜中 微生物组分进行了评估结果表明：AOB和NOB主要位于MABR 生物膜的内部区域，其比例维持在61%和35%； AnAOB主要位于生 物膜的外层区域，含量始终较低，经过260天运行其比例仅为7.0% 评估结果还表明：温度Ftl25 oC升高到32oC,曝气膜腔内空气压力 由10 kPa降低到2.5 kPa、空气流速由1.0 L/min降低到0.15 L/min, 生物膜底层AOB和NOB的比例未发生明显变化生物膜内部存在 大量的NOB （约35%）,将生成的NO2-N快速转化为NO3-N,导 致生物膜外层NO2-N的浓度始终较低，大大限制了 AnAOB的生长 利用模型进一步评估了间歇曝气对R2反应器脱氮性能的彩响，结果 表明间歇曝气能够有效的控制MABR纶物膜中NOB的生长，同吋对AOB的生长影响较小。

即使在曝气膜腔内空气压力和流速为25 kPa0.5 L/min>曝气周期为12 h on / 12 h off条件下，生物膜底层AOB的比例维持在88%, NOB的比例控制在7.0%左右此外，生物膜外 层AnAOB的比例由起始的7.0%增人到77.6%间歇曝气试验结果表明，R1反应器中有效地实现了高效自养脱 氮经过123天间歇曝气运行，曝气周期rtl 12 h on / 24 h off梯度缩 短到6 h on / 1.5 h off、曝气膜腔内空气压力由2.5 kPa梯度增大到60 kPa、空气流速由0.25 L/min升高到4.5 L/min, R1反应器对TN的平 均去除速率由0.280 kg-N/m3/day增人到0.787 kg・N/m3/dayR2反应 器中NO2-N先是显著积累（前45天），随后自养脱氮快速建立，试 验结果与模型预测结果基本一致经过123天运行，空气流速维持在 0.5 L/min,曝气周期由 12 h on / 24 h off 梯度缩短到 6 h on / 3 h off> 曝气膜腔内空气压力由2.5 kPa梯度增大到40 kPa, TN平均去除速率 由0.06 kg-N/m3/day增人到0.756 kg-N/m3/dayo随后，继续缩短曝气 周期和增大膜腔内空气压力，均未能提高TN去除速率。

MABR自养脱氮生物膜呈现鲜艳的红色FISH和Real-time qPCR分 析结果表明，经过2个月间歇曝气运行，R1和R2反应器生物膜中均 观察到大量的AOB和AnAOB o FISH和Real-time qPCR分析结果与 反应器运行性能相一致此外，R1和R2反应器不同时期的生物膜中 均检测到少量的NOB （主要为Nitrobacter）,说明间歇曝气运行模式 能够有效的控制MABR生物膜中NOB的生长，但是由于MABR生 物膜的独特结构，决定了将NOB从生物膜中完全去除是很难的。