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膜曝气生物膜反应器(MABR)是一种利用疏水性透气膜进行曝气供氧的污水生物处理装置，在处理高氨氮废水方面具有重要的应用潜力。然而，由于传统生物脱氮过程的好氧硝化、厌氧反硝化作用不平衡，加之传统硝化细菌对高浓度NH4+-N耐受性差，影响了MABR的处理效果。异养硝化-好氧反硝化(HN-AD)微生物可耐受高浓度NH4+-N和有机碳源，能够在好氧条件下对不同形式的含氮污染物进行高效去除，实现同步硝化反硝化脱氮。将HN-AD菌应用于膜曝气生物膜反应器，可以避免传统生物脱氮过程的菌群生长竞争问题，实现“一步式”高效脱氮。研究发现，在MABR富集HN-AD菌处理高氨氮废水的过程中，生物膜层溶氧浓度是影响污染物去除效率的重要因素，但其具体作用和机制尚未揭示。
基于此，本课题拟研究生物膜层溶氧浓度对MABR中HN-AD菌污水处理性能的影响，揭示生物膜层溶氧在MABR富集HN-AD菌处理高氨氮废水中的作用和机制。通过调整曝气压力和液相溶氧，探明不同曝气压力和液相溶氧下生物膜层溶氧的分布规律，并获得生物膜层溶氧对脱氮除碳性能、微生物群落结构及关键基因的影响规律。通过以上研究获得了以下主要结果：
(1)提高曝气压力无法改变生物膜外层溶氧浓度，但可增加内层溶氧浓度、拓宽生物膜内部好氧区域，促使MABR中NH4+-N、TN去除率均随生物膜内层溶氧浓度增加而提升：NH4+-NP=3kPa(43.64%)~NH4+-NP=8kPa(60.06%)~NH4+-NP=12kPa(71.7 9%)，TNP=3kPa(41.72%)~TNP=8kPa(54.62%)~TNP=12kPa(65.90%)。
(2)高通量测序结果显示，曝气压力使生物膜内层溶氧浓度增加，进而提高了HN-AD菌属的总相对丰度，生物膜内层处于低、中、高溶氧水平时的HN-AD菌属相对丰度分别为12.97%、19.05%和22.01%。功能基因预测分析显示，生物膜内层处于高溶氧浓度时的好氧反硝化功能基因(napA，napB)丰度是低溶氧浓度时的462倍，强化生物膜内层溶氧浓度加快了好氧反硝化进程，有利于MABR中HN-AD过程实现。
(3)提高液相溶氧浓度可增加MABR生物膜外层溶氧浓度、拓宽生物膜外层好氧区域，使MABR生物膜内层和外层都形成好氧生物膜层。脱氮性能分析表明：NH4+-NDO=0~0.5mg/L(48.27%)~NH4+-NDO=1~2mg/L(52.26%)~NH4+-NDO=2~3mg/L(63.6%)~NH4+-NDO=3~4mg/L(79.4%)~NH4+-NDO=4~5mg/L(81.7%)，TNDO=0~0.5mg/L(39.5%)~TNDO=1~2mg/L(47.7%)~TNDO=2~3mg/L(58.1%)~TNDO=3~4mg/L(72.1%)~TNDO=4~5mg/L(75.2%)，提高液相溶氧拓宽生物膜外层好氧区，能有效提高NH4+-N、TN的去除效果，但溶氧超过一定浓度后对与NH4+-N、TN的去除影响较小，对于工程应用主要以节能为主，液相溶氧为3~4mg/L更佳。
(4)高通量测序结果表明，液相溶氧对生物膜内层及外层的物种组成影响较小。不同液相溶氧浓度下，产碱菌属(Alcaligenes)和短波单胞菌属(Brevundimonas)均为优势菌属。然而，生物膜外层的反硝化基因narG和nirK的拷贝数在液相溶氧浓度提高后明显提高，液相溶氧浓度为3~4mg/L时，narG和nirK基因的表达量最高；而生物膜内层的narG功能基因的拷贝数在液相溶氧浓度提高后降低，说明提高液相溶氧可能降低生物膜内层的反硝化活性，但能提高生物膜外层的反硝化活性。
基于此，本课题拟研究生物膜层溶氧浓度对MABR中HN-AD菌污水处理性能的影响，揭示生物膜层溶氧在MABR富集HN-AD菌处理高氨氮废水中的作用和机制。通过调整曝气压力和液相溶氧，探明不同曝气压力和液相溶氧下生物膜层溶氧的分布规律，并获得生物膜层溶氧对脱氮除碳性能、微生物群落结构及关键基因的影响规律。通过以上研究获得了以下主要结果：
(1)提高曝气压力无法改变生物膜外层溶氧浓度，但可增加内层溶氧浓度、拓宽生物膜内部好氧区域，促使MABR中NH4+-N、TN去除率均随生物膜内层溶氧浓度增加而提升：NH4+-NP=3kPa(43.64%)~NH4+-NP=8kPa(60.06%)~NH4+-NP=12kPa(71.7 9%)，TNP=3kPa(41.72%)~TNP=8kPa(54.62%)~TNP=12kPa(65.90%)。
(2)高通量测序结果显示，曝气压力使生物膜内层溶氧浓度增加，进而提高了HN-AD菌属的总相对丰度，生物膜内层处于低、中、高溶氧水平时的HN-AD菌属相对丰度分别为12.97%、19.05%和22.01%。功能基因预测分析显示，生物膜内层处于高溶氧浓度时的好氧反硝化功能基因(napA，napB)丰度是低溶氧浓度时的462倍，强化生物膜内层溶氧浓度加快了好氧反硝化进程，有利于MABR中HN-AD过程实现。
(3)提高液相溶氧浓度可增加MABR生物膜外层溶氧浓度、拓宽生物膜外层好氧区域，使MABR生物膜内层和外层都形成好氧生物膜层。脱氮性能分析表明：NH4+-NDO=0~0.5mg/L(48.27%)~NH4+-NDO=1~2mg/L(52.26%)~NH4+-NDO=2~3mg/L(63.6%)~NH4+-NDO=3~4mg/L(79.4%)~NH4+-NDO=4~5mg/L(81.7%)，TNDO=0~0.5mg/L(39.5%)~TNDO=1~2mg/L(47.7%)~TNDO=2~3mg/L(58.1%)~TNDO=3~4mg/L(72.1%)~TNDO=4~5mg/L(75.2%)，提高液相溶氧拓宽生物膜外层好氧区，能有效提高NH4+-N、TN的去除效果，但溶氧超过一定浓度后对与NH4+-N、TN的去除影响较小，对于工程应用主要以节能为主，液相溶氧为3~4mg/L更佳。
(4)高通量测序结果表明，液相溶氧对生物膜内层及外层的物种组成影响较小。不同液相溶氧浓度下，产碱菌属(Alcaligenes)和短波单胞菌属(Brevundimonas)均为优势菌属。然而，生物膜外层的反硝化基因narG和nirK的拷贝数在液相溶氧浓度提高后明显提高，液相溶氧浓度为3~4mg/L时，narG和nirK基因的表达量最高；而生物膜内层的narG功能基因的拷贝数在液相溶氧浓度提高后降低，说明提高液相溶氧可能降低生物膜内层的反硝化活性，但能提高生物膜外层的反硝化活性。