摘要
膜曝气生物膜反应器（MABR）是当前新兴的污水处理技术，系统具有氧化性强和无吹脱的优点，广泛应用于含有难降解和易挥发物质的污水处理过程。但是在运行过程中，对于营养元素的去除能力尤显不足。菌藻共生光生物反应器（ABS）也是当前研究的热点，系统内的微藻具有较强的营养元素同化能力。然而，其实际运行中仍需要外加曝气，而普通的曝气方式会导致溶解氧（DO）过高限制光合作用。本论文通过外加光源，以菌藻污泥代替普通污泥定植于膜曝气生物膜反应器内，构建膜曝气菌藻生物膜反应器（MABAR），解决ABS供氧及MABR营养元素去除不佳的问题，以此协同强化MABR和ABS。 在控制相同DO浓度的前提下，对三个菌藻共生反应器进行不同强度（20mL/min、50mL/min和100mL/min）的曝气供氧，监测45天的运行过程中二氧化碳吹脱和溶解性无机碳（DIC）的保留情况，并检测藻类积累量。结果表明，随着曝气强度的增加，二氧化碳的吹脱量上升，出水中的DIC减少，在强度100mL/min下二氧化碳的吹脱量可以达到306.29mL/d，是曝气强度20mL/min下的4倍。微藻积累方面，20mL/min的反应器中藻类的积累量和菌藻比例分别是强度100mL/min下的3倍和2.6倍。通过以上结论明确了曝气导致的碳氧失衡是造成菌藻共生系统内菌藻生长失衡的主要诱因。通过仅在无光阶段曝气，昼间利用光合作用自供氧的间歇曝气方式降低曝气对菌藻生长平衡的消极影响。结果表明，在相同曝气条件下，相对于连续曝气，进水污染物的变化并不会对间歇曝气系统产生负面影响。在该系统内，20mL/min为曝气量最佳。NH4+-N、TN、磷酸盐和总有机碳的去除率分别可以达到99.18%、90.30%、89.16%和96.59%，藻类的积累量达到最高，为5893.19μg/L，菌藻比例上升至2689.32μg/g。 利用膜曝气为菌藻共生系统供氧，构建膜曝气菌藻生物膜反应器。与曝气头曝气（HABAR）比较，评估在不同进水有机碳条件下，膜曝气对藻类生长的积极作用。结果表明，随着进水有机物的增加，膜曝气强氧化能力和无吹脱能力为藻类保留了更多的DIC，碳氧失衡限制被打破。在400mg/L的有机碳条件下，MABAR中的藻类积累量可以达到20.95mg/cm2，是没有外加有机碳的7倍，是同运行条件下的HABAR中的2倍。分别建立MABR和MABAR，变换COD/N比为2、5和8，考察两类反应器在TN去除方面的差异。结果表明，低有机碳时反硝化受限和高有机碳时硝化受限的现象在MABAR中被弱化，甚至随着有机碳的增加，TN的去除率可以达到87.63%。与MABR相比，COD/N比为2、5和8时出水TN浓度分别下降了14.34mg/L、0.50mg/L和12.10mg/L。硝化抑制试验表明，藻类同化对MABAR中NH4+-N的去除有明显贡献（至少18.18mg/L）。此外，冗余分析（RDA）表明MABAR与硝化菌门呈负相关，但与NH4+-N去除负荷呈正相关。这些结果与动力学结果一致：藻类同化，而非硝化-反硝化，主导MABAR中的氮去除。菌藻积累平衡提升了MABAR对更广泛C/N污水的适应潜力，氮元素去除路径的转变成为MABAR弱化C/N对TN去除影响的内在机制。 考察原水水质变化对MABAR、HABAR和MABR的影响，评估耦合系统中污染物去除效能及稳定性。结果表明，MABAR中NH4+-N、TN、磷酸盐和COD的去除效能在各个阶段都远优于其他两类反应器，最高可以达到：99.34%（阶段1）、86.43%（阶段3）、78.63%（阶段5）和97.48%（阶段5）。即使在低营养阶段内，出水水质同样可以达到一级A标准。在低营养物质条件下（阶段1），MABAR通过藻类同化氮元素降低系统因反硝化受限而TN去除停滞的现象。另外，MABAR系统依靠膜曝气的强大氧化能力在高污染物冲击下（阶段5）维持稳定的COD出水浓度。与此同时，微藻对氮元素的吸收弥补硝化菌丰度锐减导致氨氮去除不足。MABAR中检测到大量有益于藻类繁殖积累的菌属，包括Acidovorax、Rhodobacter和Acinetobacter，其丰度都远高于HABAR。另外，对于水体有害的蓝细菌的生长受到大量增殖的放线菌门的抑制，降低了因藻类引入带来二次污染发生的可能性。五个阶段内蓝细菌的丰度都低于7%,只有HABAR中的三分之一。 本论文旨在通过耦合膜曝气生物膜反应器和菌藻光生物膜反应器两种高效率供氧的反应器，解决了曝气下因碳氧失衡导致的菌藻积累失衡和单污泥系统中总氮去除受到有机物浓度限制的问题，揭示了耦合系统菌藻积累平衡的内在机理，为污水厂好氧单元降低能耗提供借鉴。
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