新型生物膜自养脱氮实现策略及建模

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1、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・aenitedbiofilmreactor,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M

2、ABR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-timeqPCR)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A

3、nAOB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0.28kg-N/m3/day,而R2反应器中仅为5.25%和0.06kg-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

4、器温度（从25oC到32oC）,控制较低的曝气膜腔内空气压力和流速（2.5kPa和0.15L/min）,以及升高pH到8.2-8.3均不能够有效的抑制NOB。FISH和Real-timeqPCR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、

5、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Ftl25oC升高到32oC,曝气膜腔内空气压力由10kPa降低到2.5kPa、空气流速由1.0L/min降低到0.15L

6、/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25kPa0.5L/min>曝气周期为12hon/12hoff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

7、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rtl12hon/24hoff梯度缩短到6hon/1.5hoff、曝气膜腔内空气压力由2.5kPa梯度增大到60kPa、空气流速由0.25L/min升高到4.5L/min,R1反应器对TN的平均去除速率由0.280kg-N/m3/day增人到0.787kg・N/m3/day。R2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0.5L/min,曝气周期由12hon/24hoff