单级自养脱氮生物膜内部微区反应机理与调控研究

废水生物脱氮是水污染控制领域的一个重要研究方向，单级自养脱氮工艺在处理高氨氮低碳氮比废水方面具有简单、低耗、无需外加碳源等优点。单级自养脱氮系统中生物膜内部的亚硝化与厌氧氨氧化的微区反应与反应器的高效低耗稳定运行存在密切联系。本课题以单级自养脱氮生物膜为研究对象，采用微电极作为微区物质分析工具，从溶解氧、氨氮、亚硝态氮和硝态氮在生物膜内部微区分布着手，研究它们在单级自养脱氮生物膜内部亚硝化与厌氧氨氧化微区的迁移、反应转化规律及对系统脱氮效果的影响机制，以实现对生物膜内部微区反应的精细调控。研究成果对于单级自养生物脱氮工艺的应用具有重要的理论指导作用。拟开展的主要研究内容包括：（1）单级自养脱氮生物膜微观空间结构特征解析；（2）单级自养脱氮生物膜内部微区反应机理；（3）单级自养脱氮生物膜内部微区反应的影响因子及调控机制。

本课题以单级自养脱氮生物膜为研究对象，采用微电极作为微区物质分析工具，从溶解氧、氨氮、亚硝态氮和硝态氮在生物膜内部微区分布着手，研究单级自养脱氮生物膜微观空间结构、内部微区反应机理、微区反应的影响因子及调控机制。通过课题组三年的研究，完成了研究任务。开发了环境友好的测定生物膜内部的溶解氧、氨氮、亚硝态氮、硝态氮的化学修饰固态微电极；利用微电极分析了溶解氧和氮化合物在生物膜内部微区传质与反应规律；采用表面等离子体共振等方法表征了微生物及胞外聚合物在不同表面微观吸附过程；考察了不同填料对生物膜形成与组成的影响；研究了溶解氧、pH、自由氨、无机碳对系统启动与稳定运行的影响机制及相对应的调控方法。提出了一种利用溶解氧微区分布确定生物膜内部微通道结构的方法，由此发现了生物膜内部孔道结构的多样性，该研究进展将有助于提高对生物膜内部传质的认识。本课题研究成果已累计发表SCI论文9篇，课题负责人均为第一作者或通讯作者。课题负责人作为第一发明人申请专利4项。