论文摘要
好氧生物处理工艺在国内外最广泛应用于城镇污水和工业废水处理，系统运行性能和稳定性很大程度上取决于工艺反应器的传质传递、流体动力学以及降解菌生物量、活性与污泥微生物种群多样性。为实现生物反应器高活性生物量持留、多样化微生物菌群富集，强化生物处理工艺系统运行高效性和稳定性，本论文以序批式好氧生物反应器（SBR）和序批式气提生物反应器（SABR）为平台，以苯胺和氯苯胺类为模式有机物，开展了降解苯胺（AN）和氯苯胺（ClAs）好氧污泥颗粒化及其微生物分子生态机理研究，取得如下研究结果：1、通过梯度增强SABR反应器水力选择压（增大表面气速）与生物选择压（逐步增加目标污染物负荷、缩短污泥沉降时间），在以AN为唯一碳能源、负荷1．2kg·m-3·d-1条件下好氧污泥发生颗粒化现象，成熟颗粒污泥平均粒径为1．2 mm、比AN降解速率达0．84 g·gVSS（-1）·d-1。不同结构序批式反应器处理对氯苯胺（4-ClA）废水过程污泥颗粒化研究结果表明，反应器结构及其水力学特征影响污泥颗粒化进程与颗粒污泥活性，高径比（H／D）较大的SBR、SABR反应器易发生好氧污泥颗粒化，成熟颗粒污泥粒径分别为1．68mm和1．25 mm，比4-ClA降解速率达0．21～0．27 g·g-1·d-1，该两组反应器具有较高的污染物降解能力与运行稳定性。结果揭示反应器结构及其水力学特征影响污泥颗粒化进程与颗粒污泥活性。处理含多种ClAs和AN有机废水SABR反应器同样可实现好氧污泥颗粒化，获得的成熟颗粒污泥粒径在0．9～2．0 mm，污泥最小沉降速率达60 m·h-1以上，苯胺和氯苯胺类比降解速率为0．1 8 g·gVSS-1·d-1；颗粒内外分布有丰富的类球菌、类短杆菌，与胞外多聚物交织共存；相对而言，进水含AN和ClAs的SABR反应器具有较高目标污染物去除性能、耐冲击能力和运行稳定性。2、反应器在进水ClAs负荷0．6～0．8 kg·m-3·d-1、表面气速2．4～3．6 cm·s-1、污泥沉降时间5～10 min、HRT 11．4～17．2 h、曝气前兼氧1 h、新生污泥或全混污泥适时排放等条件下运行，可获得结构致密、沉降性能优异的好氧颗粒污泥。短期营养元素缺失对颗粒污泥特性影响结果表明，碳源缺失时污泥颗粒强度和表面疏水性有所增强，C、K元素缺失时污泥EPS含量减少，C、N、P元素缺失时污泥SOUR明显下降，而C、Fe元素缺失时微生物生长受限。结果可为好氧颗粒污泥工艺设计与运行调控提供理论依据。氯苯胺负荷冲击下不同结构颗粒化反应器运行稳定性分析发现，H／D较大的R2、R3反应器抗基质负荷冲击能力较强。反应器剪切率试验结果表明，R3、R2反应器总剪切率较高，分别为（1．14～2．31）×105s-1和（0．56～2．23）×105s-1，而H／D较小的R1反应器剪切率仅为（0．34～1．27）×105s-1。结果证实可提供较强水力剪切条件的反应器具有较高的耐冲击能力和运行稳定性。灰色多因素数学法分析好氧颗粒污泥特性与颗粒化影响因素的关联度发现，污泥沉降速率（SV）与总生物密度(dtm)关联度为0．828，污泥沉降速率（SV）与污泥体积指数（SVI）、颗粒污泥粒径（D）与总生物密度(dtm)关联度依次为0．804、0．779，而污泥体积指数（SVI）与总生物密度(dtm)关联度仅0．664。根据对好氧颗粒污泥特征指标的关联度分析，确定有机负荷率（OLR）、水力剪切力（HFS）、污泥沉降时间（SST）为好氧污泥颗粒化主控因子。研究结果有望为好氧颗粒污泥工艺长期稳定运行提供技术支撑。颗粒化过程污泥胞外多聚物（EPS）中蛋白（PN）含量和蛋白／多糖比值（PN／PS）明显增大，并与疏水性、表面电荷等污泥表面特性指标呈正相关；表面气速提高至2．4 cm·s-1时污泥EPS中PN含量与PN／PS比值明显增加，缩短污泥沉降时间（小于10 min）有利于颗粒污泥EPS中PN含量增加。研究结果揭示EPS及其PN组分在颗粒污泥形成过程中扮演重要角色。结合已有研究结果，综合考虑本实验确立的污泥颗粒化过程主控因子，提出如下好氧颗粒污泥形成机理：在一定的水力与生物选择压下，微生物代谢过程分泌过量EPS，通过对微生物表面特性影响促使菌体间相互吸引、粘连成菌胶团，进而在EPS吸附、包裹与丝状菌、高价阳离子架桥作用下形成污泥聚集体与颗粒亚核；多样化菌群在颗粒亚核上按功能区系规则分布、结构优化，最终形成结构致密的颗粒化污泥；传质限制或环境条件变化时大粒径污泥发生解体，形成的碎片可作为“二次核”实现污泥快速颗粒化。3、好氧颗粒降解AN和ClAs符合Haldane动力学，最大比基质降解速率(Vmax)大小顺序依次为：AN>4-ClA>2-ClA>3-ClA>3，4-DClA，抑制常数（Ki）顺序依次为：AN>3-ClA>4-ClA>2-ClA>3，4-DClA，苯胺和氯苯胺类化合物的空间参数、热力学参数与其生物降解性相关性较好。不同粒径好氧颗粒的污染物降解动力学研究发现，粒径为1．25-2．0 mm的好氧颗粒污泥具有较大的Vmax和Ki值，粒径增至2．0 mm以上时颗粒污泥Ki值继续增大，但Vmax呈下降趋势。结果揭示污泥颗粒形成有利于改善反应器处理有毒有机物性能，但控制颗粒污泥大小对工艺高效运行十分重要。成熟好氧颗粒污泥具有较高的诱导型C23O酶活；4-ClA降解过程依次形成4-氯邻苯二酚、5-氯-4-草酰巴豆酸、2-羟基-5-氯-粘糠酸半醛、5-氯-4-羟基-2-酮戊酸等典型间位途径中间代谢产物，证实4-ClA通过间位代谢途径开环裂解，并提出颗粒污泥降解4-ClA代谢途径。好氧颗粒污泥生长动力学分析结果表明，颗粒污泥工艺具有较高的衰减系数（Kd）和较低的产率系数（Y），颗粒污泥EPS和PHB可在好氧饥饿期作为“二次基质”被微生物所利用，应用Luedeking-Piret模型可较好拟合比EPS生成速率(qEPS)、比PHB生成速率(qPHB)与微生物生长速率（μ）之间的关系。4、降解苯胺和氯苯胺污泥颗粒化过程微生物种群结构演替显著，随着污泥颗粒化而出现特异性条带。降解4-ClA污泥颗粒化过程，污泥小颗粒快速形成的R2、R3反应器污泥DGGE图谱条带较为丰富，污泥菌群结构相似性较高，主要菌群分属β-Proteobacteria、γ-Proteobacteria、Planctomycetales、Flavobacteriales、Clostridiales、Acidobacteria等类群，特异性条带大部分与Thauera sp．菌属具有较高的相似性，推测该菌属可能是好氧颗粒污泥所持留的4-ClA降解菌。降解AN颗粒污泥主要菌群分属Proteobacteria、Flavobacteriales、Cytophagales、Bacteroidete等，特异性条带大部分与Thauera sp．、Pseudomonasputida sp．、Acinetobacter sp．菌属有较高相似性。降解ClAs、AN的两组SABR反应器内颗粒污泥共有的优势功能降解菌为Pseudomonas sp．、Flavobacterium sp．；相比较而言，降解ClAs和AN颗粒污泥特异性条带所属类群较为复杂，其颗粒污泥微生物种群结构更为丰富。RTQ-PCR定量分析结果表明，降解4-ClA污泥颗粒化过程Thauera sp．、AOB、β-Proteobacteria菌群数量均呈现不同程度的增加，其在成熟颗粒污泥内分别占细菌总数的21．55％、10．79％和61．28％；降解AN好氧污泥颗粒化过程Thauera sp．、AOB、β-Proteobacteria含量同样明显增加，其占细菌总数的比例最终稳定在28．83％、15．6％和50．64％。结果揭示污泥颗粒化可实现功能降解菌柔性化富集、结构化持留。