【摘 要】
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中国约90%的地下水受NO3-污染,氢基质膜生物反应器（H2-MBf R）在去除水中NO3-方面具有诸多优势。气体逆扩散是限制H2-MBf R效能提升的重要因素,但目前国内外鲜见关于逆扩散影响下H2-MBf R中生物膜结构的层理化特征报道。本研究搭建了一套H2-MBf R反应器,探究了关键影响因素对H2-MBf R脱氮性能的影响,确定了反应器最佳运行条件。通过对比分析生物膜在不同供气距离、不同深度
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中国约90%的地下水受NO3-污染,氢基质膜生物反应器（H2-MBf R）在去除水中NO3-方面具有诸多优势。气体逆扩散是限制H2-MBf R效能提升的重要因素,但目前国内外鲜见关于逆扩散影响下H2-MBf R中生物膜结构的层理化特征报道。本研究搭建了一套H2-MBf R反应器,探究了关键影响因素对H2-MBf R脱氮性能的影响,确定了反应器最佳运行条件。通过对比分析生物膜在不同供气距离、不同深度上的形貌特征、代谢产物组分与分布、功能菌群和功能基因,揭示了逆扩散对H2-MBf R内微生物及其代谢产物的影响。通过氢自养反硝化模型,评估了反应器运行关键影响因素对生物膜中基质层理化分布特征与微生物活性的影响。通过在液相中添加S2O32-,构建了双向电子传递体系,借助批次实验和建模分析,阐明了不同操作条件下硫、氢协同过程的反硝化效率,揭示了生物膜内基质及微生物活性变化规律。研究表明:当HRT为200 min,NO3-浓度为20 mg N/L,H2压力为0.02 MPa时,H2-MBf R的NO3-去除通量达到最优的1.22 g N/m~2·d。气体逆扩散影响下,生物膜内氢自养反硝化菌（HDB）相对丰度从37.67%降低至29.83%,氢气氧化基因K06281从3.07（?）降低至2.33（?）,K06282从0.83（?）降低至0.71（?）。与此同时,逆扩散会造成远气端胞外聚合物（EPS）中蛋白质浓度下降,溶解性微生物产物（SMP）内蛋白质种类的减少以及浓度的降低。建立了优化的氢自养反硝化模型,并校准了模型参数,验证了模型的准确性。利用模型探究了生物膜内基质分布梯度、HDB生长速率曲线的变化规律与HRT、NO3-浓度和H2压力的关联关系;最优运行条件下,近气端生物膜内HDB的活性区间范围为0-733.6μm,大于远气端生物膜内HDB的活性区间范围（0-457.2μm）。向H2-MBf R体系内引入S2O32-,能不同程度提升反应器脱氮性能。当S2O32-浓度到46 mg S/L,NO3-浓度为30 mg N/L,p H为7.0时,系统的反硝化通量达到2.13g N/m~2·d。建立、校准和验证了双向电子供体数学模型。研究发现,S2O32-浓度增加会使HDB活性区间收窄,增强生物膜外侧硫自养反硝化菌（SDB）的活性,HDB活性区间向生物膜外侧移动;低NO3-负荷下,HDB、SDB对NO3-的激烈竞争,生物膜内侧活性下降,不利于反应器性能的提升;高NO3-负荷下引入硫源,可以弥补单一氢自养反硝化生物膜外侧微生物活性的不足。
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