MABR脱氮除碳效能及微生物膜特性研究

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无泡曝气膜生物反应器(MABR)是一种新型的具有广泛应用前景的有机废水处理技术。本研究将传统污水检测手段与通量测序技术相结合,重点以MABR生物膜为主要研究对象,系统地考察其在不同工况条件下对生活污水中碳氮等污染物的去除特征,揭示细菌和古菌生物群落结构的演替规律、评析功能菌群与运行效能之间的关系,探究生物膜内微生物群落的构建和调控机制,为高效MABR的研制奠定基础。本论文实验研究结果表明,在批量进水、HRT为24 h以及可生化性接近100%的前提下,MABR生物膜在生活污水处理过程中对有机质具有快速的吸附和氧化能力,且不易受到低温、高盐、低供氧压力、水流冲击和高进水COD和NH4-N浓度等环境的消极影响;而NH4-N的去除易遭受低温、低供氧压力和高NH4-N浓度的抑制;TN与NH4-N的脱除基本保持同步,但在一定程度上会受到高盐度的胁迫和削弱。然而,TN和COD的去除并不同步,寡营养阶段微生物的内源呼吸以及部分死亡菌体充当了反硝化所需碳源,促进了TN的去除。同时,反应器普遍出现好氧反硝化现象。在进水COD和NH4-N分别为200-400和30-40 mg/L时,反应器普遍地获得了高于90%的碳氮去除率。生物膜中具备脱氮除碳功能的的优势菌群包括Anaerolineae、Betaproteobacteria、Alphaproteobacteria、Gammaproteobacteria和Candidatus Nitrososphaera等,运行参数主要改变这些菌群的比例分配,以至于影响了生物膜的污水处理效能。生物膜可以容纳多种氨氧化菌和反硝化菌。氨氧化菌包括细菌Nitrosomonas和古菌Candidatus Nitrososphaera,其中,Nitrosomonas易受低温、高盐和低供氧压力等环境的胁迫和抑制,而Candidatus Nitrososphaera则具备较强的耐受能力,甚至更适宜在这些生境中栖息,其在氨氮氧化方面的作用可能强于氨氧化细菌;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。MABR微生物群落结构的动态变化是工况条件等确定性因素和生态漂变等随机性因素共同作用的结果。而工况条件主导了顶级群落的结构组成和分布。通过改变工况参数可以有效地调控主要菌群的分配比例,优化运行效能。同一工况参数对生物膜中细菌和古菌群落结构的影响程度并不相同;不同工况变量对细菌或者古菌的作用权重也不相同。按影响力大小排序,盐度和温度对细菌群落结构组成和分布的影响远大于进水COD、液相流速、供氧压力和进水NH4-N浓度;而温度、液相流速和盐度对古菌群落结构的影响远高于进水NH4-N浓度、供氧压力和进水COD浓度的影响。
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