基于双向传氧传底物的植物表面生物膜同时硝化反硝化机制与调节

针对高负荷生态处理系统由于氮负荷高于植物受纳能力，仅靠植物难以完成脱氮的情况，研究系统强化脱氮的理论与方法。硝化反硝化是起主要作用的脱氮机理，且主要由无机载体或植物表面生物膜来实现。无机载体生物膜，只存在由水体向生物膜的单向传质过程。植物表面生物膜，则同时存在从水体向生物膜和从植物向生物膜的双向传质过程，因而在结构、特性和脱氮反应条件上存在显著不同。研究不同类型高负荷生态处理系统中，微生物分布及占比、无机载体与植物表面生物膜结构和种群分布差异、植物泌氧释碳对生物膜双向传质和生化反应的影响，揭示不同介质生物膜特性。建立无机载体生物膜模型，通过增加过程和修订参数建立植物表面生物膜生长及底物去除动力学模型，进而提出高负荷生态处理系统微生物增强脱氮的理论和方法。成果将用于受污染水体修复和面源污染治理。项目能丰富植物生理学与废水生物膜处理的交叉领域认识，具有重要理论意义和实用价值。

控制总氮是保护水环境的关键手段之一。在水体自净过程中，生物反硝化作为重要的脱氮途径，常常因碳源限制和水体较高溶解氧条件不利于自行完成反硝化而影响水中氮的自净。通常，在投加液体碳源的一般生物膜中，底物从水体向生物膜的同向扩散传质。本项目以农业废弃物同时作为碳源和生物膜载体，其特点是存在着底物从水体向生物膜和底物从载体向生物膜的反向扩散传质，因此生物膜微生物分布和反应过程与投加液体碳源的普通生物膜相比存在显著不同。项目研究了农业废弃物作为天然植物填料的释碳性能，研究了植物载体强化生物膜反硝化以及生物膜内同时硝化反硝化，并进行了生物膜的常规光学检测和生物膜菌群分布的共聚焦显微镜检测；根据最新成果建立了一维多菌种生物膜机理模型，结合试验结果和模型模拟，提出了分层生物膜同时硝化反硝化和悬浮微生物硝化—附着微生物反硝化协同脱氮的两种反应机理的存在条件；此外，对投加液体碳源的同向传质生物膜和采用天然植物载体的反向传质生物膜在释放一氧化氮和一氧化二氮上的差异进行了分析。在上述研究的基础上，项目发表了7篇论文(含3篇SCI论文)；结合项目研究的成果“农村生活污水生态处理技术体系与集成示范”获得2014年上海市科技进步奖一等奖(项目负责人排名第4)。