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目前,生物膜工艺已被广泛应用于城镇污水处理厂,然而这些工艺存在脱氮效率低、生物膜易脱落等问题。柔性微米级无机玄武岩纤维(Basalt fiber,BF)由于有水力学特性良好、有效比面积大和水中分散性好等特点,可将微生物吸附、富集并固定在纤维表面,从而形成尺寸在10 cm以上的球状微生物聚合体,称之为“生物巢”。将生物巢应用于单一反应器中,不仅极大程度上减少了反应器体积,而且可以将传统活性污泥法中的好氧/缺氧或好氧/缺氧/厌氧功能集成到生物巢内,达到高效的脱氮效果。因此本研究旨在构建一种单一池体的多功能BF生物巢反应器,具体研究内容如下:(1)BF生物巢反应器性能优化。以生物接触氧化反应器和普通活性污泥反应器为对照进行单因素实验,探讨水力停留时间(HRT)、溶解氧(DO)和填料水平间距(Horizontal spacing,简称HS)对BF生物巢反应器去除模拟生活污水中污染物的影响;进而以A/O工艺为对照进行正交实验,确定反应器最佳运行参数。单因素实验结果表明,三组反应器在不同HRT条件下对COD去除效果差别不明显,而对氨氮和总氮的去除率的影响较大;DO对生物巢反应器的运行至关重要,当DO为1.5 mg/L时,氨氮和总氮的去除率较低,分别为57.1%和55.7%,但当DO较高时(3.5 mg/L),不利于氨氮和总氮的去除;HS影响填料的布置密度,不同HS对总氮的去除效果差别显著。正交实验结果可知,HRT为12 h、DO为2.5 mg/L、HS为20 cm为BF生物巢反应器最佳运行参数。(2)BF生物巢反应器脱氮效果及机理研究。以生物接触氧化反应器和A/O工艺为对照,对比分析有机物去除性能,并通过微生物菌群结构探究反应器脱氮机理。结果表明,BF生物巢反应器在最佳运行参数下对COD、氨氮和总氮的平均去除率分别为93.2%、84.9%和73.5%,生物巢外层活性污泥比耗氧速率和脱氢酶活性较高,说明固定的异养微生物较多,增强了有机物的降解能力;高通量测序结果表明,参与硝化作用相关的菌属有亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、丛毛单胞菌属(Comamonas)以及参与反硝化作用的异养反硝化菌属(Ottowia、Candidatus?Saccharimonas、Brachymonas、Rhodanobacter、Limnobacter、Azoarcus)、自养反硝化菌属(Hydrogenophaga)和好氧反硝化菌属(Thauera),这些菌属在BF生物巢反应器生物样品中所占微生物丰度为20.5%,远高于其他两组反应器。(3)BF生物巢反应器实际应用。选用三种实际污废水(生活污水、印染废水、碳纳米管生产废水),评价BF生物巢反应器处理实际污废水的能力。结果表明,BF生物巢反应器对生活污水中污染物去除效果较好,对COD、氨氮和总氮的平均去除率分别为88.0%、86.1%和70.8%;对于处理高负荷的印染废水和碳纳米管生产废水,BF生物巢反应器表现出了较强的抗冲击负荷性和污染物去除能力,对印染废水中COD、氨氮和总氮的平均去除率分别达到85%、90.0%和72.7%;碳纳米管生产废水中氨氮的容积负荷较大,因此对氨氮的去除率较低,最高仅为55.0%,而对COD和总氮的去除率分别在81.0%和68.8%左右。