膜曝氣生物膜反應(yīng)器單級自養(yǎng)脫氮功能型菌群特性研究.pdf

1、基于短程硝化和厭氧氨氧化的單級自養(yǎng)脫氮(completely autotrophic nitrogen removalover nitrite，CANON)，作為一種高效低耗的簡捷脫氮工藝成為目前國內(nèi)外高氨氮廢水處理領(lǐng)域的研究熱點。該工藝通過控制溶解氧(DO)濃度分別在生物膜的不同厚度形成好氧區(qū)和厭氧區(qū)，使好氧氨氧化菌(AOB)在好氧區(qū)將氨氮部分氧化成亞硝酸，產(chǎn)生的亞硝酸與部分剩余的氨氮在厭氧區(qū)發(fā)生ANAMMOX反應(yīng)生成氮氣。研究表明，

2、包裹無紡布的多微孔炭管作為生物膜載體和供氧裝置的膜曝氣生物膜反應(yīng)器(MABR)，憑借其高效的氧傳質(zhì)速率、巨大的生物膜載體比表面積和內(nèi)外分層的特殊生物膜結(jié)構(gòu)在運行CANON工藝中具有更多的優(yōu)勢和更大的應(yīng)用潛力。整個實驗過程的關(guān)鍵是通過對曝氣膜內(nèi)腔壓力的控制來調(diào)節(jié)生物膜內(nèi)的溶解氧濃度，使生物膜形成好氧層和厭氧層共存的分層結(jié)構(gòu)，從而使兩類代謝條件完全不同的細菌能夠和諧共生在同一個反應(yīng)系統(tǒng)中，進而實現(xiàn)單級自養(yǎng)生物脫氮。
　　 由于MAB

3、R單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的生物脫氮過程主要是由好氧氨氧化菌群(AOB)和厭氧氨氧化(ANAMMOX)菌群相互作用，協(xié)同代謝的過程，所以反應(yīng)器出水中含氮化合物濃度的變化必然與反應(yīng)器中微生物的種群結(jié)構(gòu)和組成發(fā)生的規(guī)律性變化相關(guān)聯(lián)。因此可以通過分析功能性菌群在反應(yīng)器運行的不同條件時的結(jié)構(gòu)組成，來探討微生物群落動態(tài)變化與反應(yīng)器出水中含氮化合物濃度的變化之間的內(nèi)在聯(lián)系，迄今為止，關(guān)于該方面的研究國內(nèi)外還鮮見報道。
　　 本試驗利用特異性引物的巢

4、式PCR(Nested-PCR)、PCR-DGGE和特異性探針FISH等分子技術(shù)，研究了單級自養(yǎng)生物脫氮系統(tǒng)中膜曝氣生物膜上好氧氨氧化和厭氧氨氧化等主要功能型微生物種群的結(jié)構(gòu)組成和動態(tài)變化，以期解釋反應(yīng)器單級自養(yǎng)脫氮過程中的反應(yīng)機理，從而為進一步優(yōu)化反應(yīng)器運行條件和結(jié)構(gòu)設(shè)計，增強反應(yīng)器的脫氮效率提供科學依據(jù)。
　　 實驗中啟動反應(yīng)器采用先培養(yǎng)馴化好氧氨氧化污泥，隨后再次接種成熟厭氧氨氧化污泥的方式。首先接種普通硝化污泥啟動反應(yīng)器

5、，通過對膜內(nèi)腔壓力的適當控制逐步降低反應(yīng)器溶解氧濃度，實現(xiàn)亞硝酸鹽的積累。然后再次接種取自升流式無紡布固定床反應(yīng)器富集培養(yǎng)的厭氧氨氧化污泥，使無紡布上形成好氧氨氧化菌與厭氧氨氧化菌穩(wěn)定共存的膜曝氣生物膜，從而實現(xiàn)單級自養(yǎng)生物脫氮。通過對反應(yīng)器運行不同階段的生物膜進行分析來研究生物膜內(nèi)微生物種群結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。研究取得的主要結(jié)果如下：
　　 (1)實驗中，采用包裹無紡布的多微孔炭管為膜組件的MABR成功的運行了基于短程硝化-厭氧氨

6、氧化的單級自養(yǎng)脫氮工藝。在TN容積負荷為960 mg L-1d-1，HWT為6 h，曝氣膜內(nèi)腔壓力為0.015 Mpa，反應(yīng)器溫度35℃，pH值為7.8的條件下，容積總氮去除率可以達到0.766 kg N m-3 d-1。
　　 (2)膜曝氣生物膜的批式實驗結(jié)果顯示，好氧氨氧化反應(yīng)主要發(fā)生在靠近曝氣膜壁側(cè)的生物膜內(nèi)，厭氧氨氧化反應(yīng)主要發(fā)生在靠近水體側(cè)的生物膜內(nèi)。
　　 (3)用特異性探針EUB338 plus，NSO19

7、0，AMX820和PLA46對膜曝氣生物膜進行熒光原位雜交，結(jié)果顯示，膜曝氣生物膜內(nèi)存在明顯的分層現(xiàn)象，生物膜內(nèi)結(jié)合探針NSO190的好氧氨氧化菌主要分布在生物膜內(nèi)靠近曝氣膜/生物膜交界面的好氧區(qū)域，而結(jié)合探針AMX820和PLA46的ANAMMOX菌則主要分布在生物膜內(nèi)靠近水體側(cè)的缺氧或厭氧區(qū)域。這種以好氧氨氧化菌為主體的好氧層和以ANAMMOX菌為主體的厭氧層共同存在的生物膜分層結(jié)構(gòu)，使兩個微生物群落間在合作共生、代謝平衡，從而實現(xiàn)

8、單級自養(yǎng)生物脫氮。
　　 (4)利用特異性引物的巢式PCR(Nested-PCR)和DGGE對不同運行階段的膜曝氣生物膜上的氨氧化菌群結(jié)構(gòu)進行研究。結(jié)果表明，氨氧化菌群的DGGE條帶在不同時期形狀不同，揭示氨氧化菌群結(jié)構(gòu)隨著反應(yīng)器溶解氧濃度的逐漸降低而發(fā)生變化。在穩(wěn)定運行單級自養(yǎng)脫氮工藝的MABR系統(tǒng)中，膜曝氣生物膜內(nèi)氨氧化菌群的種類不是很豐富，第101 d的生物膜樣品的DGGE共含有三個明顯的條帶。切膠后測序顯示，三個條帶所代

9、表的細菌和已報道的Nitrosomonas菌屬的基因序列具有極高的相似性(>99％)；另一方面，巢式PCR(Nested-PCR)和DGGE對不同運行階段的膜曝氣生物膜上的ANAMMOX菌群結(jié)構(gòu)進行研究顯示，氨氧化菌群的DGGE條帶在不同時期形狀相似，揭示ANAMMOX菌群結(jié)構(gòu)隨反應(yīng)器運行變化不大。在第101 d的生物膜樣品的DGGE共含有兩個明顯的條帶，它們所代表的細菌和已報道的Planctomycetes狀菌的基因序列具有極高的相似