可生物降解固体碳源生物膜的形成机理及脱氮特性研究

碳源不足是制约目前应用最为广泛的生物异养反硝化脱氮效率的关键。可生物降解固体，同时作为生物膜载体，其碳源的缓慢释放性能可以避免液体碳源投加不易控制的问题，保证了出水水质。目前缺乏对可生物降解固体这类非惰性载体上生物膜的形成机理和脱氮特性的研究。本项目采用AFM、微电极和CLSM、DGGE等现代分析技术和手段，从解析生物膜形成过程中细菌细胞间、细胞与载体间分子作用力，以及硝酸根和亚硝酸离子浓度分布的分子水平、微生物种群结构分布的细胞水平以及脱氮性能研究的反应器水平，并结合相关降解酶活的分析，深入解析生物膜在可生物降解固体载体上的形成机理和特殊性能。同时采用FT-IR、NMR等分析可生物降解固体材料官能团等结构性能的变化，以及3D-EEM等识别出水DOC的组成，阐明固体碳源的利用机制和脱氮过程产物的形成规律。为可生物降解固体碳源脱氮技术的应用和新型固体碳源的筛选和开发提供科学基础。

研究了以可生物降解聚合物PCL、PBS、PHBV、PHBV与竹粉共混以及PHBV与淀粉共混5种材料为反硝化碳源和生物膜载体，去除地下水中的硝酸氮。采用微电极监测生物膜内的硝酸根和铵根离子的浓度分布。考察碳源种类、温度等参数对反硝化性能的影响，研究附着生物膜的特性以及固体碳源水解发酵过程的变化规律，解析生物膜的菌群结构。采用3D-EEM识别出水DOC的组成以及出水深度处理技术的研究；研究采用固相反硝化技术同时去除地下水中硝酸氮和毒性有机污染物PPCPs。为固体碳源的筛选和应用提供科学基础。温度每降低5 oC，硝酸氮的去除负荷约减小50%。可生物降解载体上附着生物膜的活性非常高（VSS/与TSS比值为91-95%）。生物膜EPS的组成中，蛋白质的含量远高于多糖。出水溶解性有机物主要由SMP和蛋白类物质组成。去除每克硝酸氮碳源的消耗量分别为1.6-3.7 g PCL/g NO3-N和2.75g PBS /g NO3-N。454焦磷酸测序结果表明：生物膜的优势菌群为变形杆菌门，其中主要为β变形杆菌纲、Burkholderiales目、Comamonadaceae 科。优势菌属为Diaphorobacte, Hydrogenophaga, Rhodocyclaceae uncultured, Desulfovibrio, Simplicispira, Comamonadaceae uncultured, Hydrogenophaga 和Veillonellaceae uncultured。没有接种污泥条件下，PHBV与淀粉或竹粉共混材料生物降解性好，30-40 d反应器可启动成功；而PHBV反应器需要90 d启动成功。在HRT为2-3 h，3个反应器硝酸氮的去除率为67.1-87.4%。生物膜优势菌属为负责固体碳源水解作用的厚壁菌门的Clostridium。鉴定出的11种反硝化菌均属于变形菌门。PHBV与竹粉共混材料价格低、反硝化性能好，是有发展前途的固体碳源材料。对固相反硝化同时去除地下水中硝酸氮和PPCPs进行了初步研究。抗生素类药物磺胺二甲基嘧啶SMT和药物中间体3-氯-4羟基苯甲酸CHBA的加入均没有影响硝酸氮的去除，硝酸氮的去除率在90%以上。SMT和CHBA的去除效率差别较大，分别为60%和90%。CHBA在厌氧反硝化体系中被还原，出水中检测出氯离子和HBA。