【摘 要】
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三维电极生物膜反应器（3D-BERs）是一种新型的氢自养反硝化脱氮技术,无需额外投加电子供体,避免了二次污染。由于氢自养微生物在粒子电极界面挂膜时间较长,导致反应器启动较慢,初期脱氮效率不高,因此我们前期的研究中在3D-BERs中投加纳米α-Fe2O3,使之与微生物在粒子电极界面自组装形成纳米杂化生物膜,从而促进反硝化微生物的富集,加快反硝化的启动过程。目前仍有一些问题有待解决,如3D-BERs的
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三维电极生物膜反应器（3D-BERs）是一种新型的氢自养反硝化脱氮技术,无需额外投加电子供体,避免了二次污染。由于氢自养微生物在粒子电极界面挂膜时间较长,导致反应器启动较慢,初期脱氮效率不高,因此我们前期的研究中在3D-BERs中投加纳米α-Fe2O3,使之与微生物在粒子电极界面自组装形成纳米杂化生物膜,从而促进反硝化微生物的富集,加快反硝化的启动过程。目前仍有一些问题有待解决,如3D-BERs的运行条件有待优化,纳米α-Fe2O3介导下的氢自养反硝化机制尚不清楚。本研究中,我们在连续流3D-BERs中培育纳米α-Fe2O3杂化生物膜,研究了不同工艺条件下纳米杂化生物膜的反硝化脱氮效果,初步探讨了纳米α-Fe2O3介导氢自养反硝化的作用机制,主要的研究结果如下:1.分别考察了进水浓度、电流及水力停留时间（HRT）对3D-BERs反硝化性能的影响,结果表明纳米杂化生物膜反应器（R1）在不同工艺条件下对硝酸盐氮（NO3--N）和总氮（TN）的去除效率显著高于普通生物膜反应器（R2）:3D-BERs的反硝化效果受进水硝酸盐浓度影响。进水浓度从50 mg/L提高到100 mg/L对R1、R2反硝化效果影响不显著,但进一步将浓度提高至150 mg/L时,R1和R2中亚硝酸盐氮（NO2--N）和氨氮（NH4+-N）均明显积累,反硝化性能下降;提高电流有助于提升3D-BERs的反硝化性能。电流从20 m A增加至40 m A,R1和R2的反硝化性能显著提升,进一步提高电流至60 m A,R1和R2的反硝化性能略有提高;延长HRT有助于提升3D-BERs的反硝化性能。HRT为17 h时,R1和R2对TN去除率较低,NO2--N在两个反应器中明显积累。将HRT延长至26 h,R1和R2对TN的去除率显著提升,进一步延长HRT至36 h,R1和R2对TN的去除率略有提高。2.优化了3D-BERs的工艺运行条件,在硝酸盐进水浓度为100 mg/L,电流为40 m A,HRT为26 h条件下,R1对NO3--N和TN的去除率稳定在91.19%和88.23%,脱氮速率为4.2 mg TN/L/h,显著高于R2及其它生物自养反硝化系统;R1中所形成的杂化生物膜内微生物数量和胞外聚合物（EPS）含量均高于R2中的普通生物膜;R1中杂化生物膜的硝酸盐及亚硝酸盐还原酶活性以及酶活相关基因丰度显著高于R2中的普通生物膜;微生物种群分析结果表明,R1中杂化生物膜的微生物多样性低于R2中的普通生物膜,纳米杂化有助于筛选氢自养反硝化功能微生物;宏基因组分析结果证实,与铜型亚硝酸还原酶Nir K相比,细胞色素cd1依赖的亚硝酸还原酶Nir S在R1中的基因丰度更高,表明通过Nir S途径的亚硝酸盐还原可能是R1和R2之间反硝化差异的关键过程,这可能和α-Fe2O3与细胞色素的高亲和性相关;宏基因组分箱结果表明,与bin.74相关的反硝化关键基因Nir S、Nos Z以及脱氢酶基因在R1中的相对丰度较高,与该bin相关的微生物Zoogloeaceae可能在氢自养反硝化中起关键作用。
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