【摘 要】
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移动床生物膜反应器（moving-bed biofilm reactor,MBBR）因其具有较高的微生物多样性和丰富度,已被广泛应用于强化污水生物处理中。然而,低温季节（≤15℃）会抑制反应器内硝化菌的活性,影响硝化过程并限制系统的脱氮量。磁场能通过影响微生物来提高污染物生物降解率,但在实际应用中存在磁粉易流失和磁铁规模小等问题。本研究采用共混挤出技术,以聚乙烯颗粒和钕铁硼磁粉等原料制备了磁性载体
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移动床生物膜反应器（moving-bed biofilm reactor,MBBR）因其具有较高的微生物多样性和丰富度,已被广泛应用于强化污水生物处理中。然而,低温季节（≤15℃）会抑制反应器内硝化菌的活性,影响硝化过程并限制系统的脱氮量。磁场能通过影响微生物来提高污染物生物降解率,但在实际应用中存在磁粉易流失和磁铁规模小等问题。本研究采用共混挤出技术,以聚乙烯颗粒和钕铁硼磁粉等原料制备了磁性载体,并构建了基于磁性载体的MBBR工艺。首先分析了不同强度磁性载体对污水处理能力的影响。然后探究了低温下磁性载体对生物膜硝化性能及生长特性的影响,并对其生物膜微生物特征的变化进行了分析,从微观生物学角度解析了磁性载体的作用机理。主要研究成果如下:（1）以聚乙烯为基料,通过添加不同比例的钕铁硼磁粉（2和4质量份）和相同比例的聚合物聚季铵盐-10粉末（2质量份）,采用共混挤出技术制备出2种强度磁性载体。经测定磁性载体表面的平均磁感应强度分别为0.3 m T（2质量份磁粉）和0.5 m T（4质量份磁粉）。在相同条件下并列运行3个投加不同载体的MBBR,结果表明,磁性载体能提高反应器的污水处理效果、生物膜量和好氧微生物活性,且与磁场强度呈正相关。投加0.5 m T磁性载体的反应器对COD和氨氮平均去除率比商用载体分别提高了7%和20.8%。反应器运行稳定阶段,0.5 m T磁性载体的生物膜量和比耗氧速率分别是商用载体1.2倍和2.4倍。（2）通过对载体的表征,发现磁性载体具有更好的生物亲和性,有利于生物膜形成初期微生物的附着生长。相比商用载体,磁性载体表面呈现正电性（0.7 m V）,亲水性和粗糙度均得到了提高。在低温下并列运行2个MBBR,结果显示,在9℃±1℃时,磁性载体MBBR的出水COD和氨氮平均浓度分别为37和7.60 mg/L,对COD、NH4+-N和TN的平均去除率比商用载体分别提高了3.6%、16.2%和12.1%,NH4+-N去除效果的提升尤为显著。磁性载体改变了各层EPS的成分和含量,其生物膜Total-EPS的含量较商用载体提高了1.04倍。更多EPS的分泌维持和改善了生物膜的形貌结构,并抵御了低温环境从而保证微生物代谢活动。（3）高通量测序结果显示,低温下磁性载体生物膜的微生物多样性和丰富度更高。由于不同微生物的磁化率不同,导致两种载体生物膜微生物群落结构存在显著差异。磁性载体生物膜中硝化菌属（如:Nitrosomonas、Nitrospira）和反硝化菌属（如:Sphaerotilus、Zoogloea）的相对丰度显著增多。PICRUSt2功能预测分析显示,磁性载体生物膜的整体基因功能表达水平更高,在信号传导机制和细胞内运输、分泌和囊泡运输等方面优势更明显。同时,磁性载体可以改善生物膜绝大多数的功能代谢通路,且对物质运输和信号传导相关通路的提升程度更为显著。而有关EPS合成和转运相关基因的增多,也说明磁性载体会通过增强细胞间的信号传导调节群体行为,提高EPS分泌的潜能。大多数与氮代谢相关基因在磁性载体生物膜中丰度更高,如涉及硝化过程的基因amo、hao和反硝化过程基因nap、nor等,使得生物膜的低温脱氮潜力增强。
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