胞外多聚物对好氧颗粒污泥形成与结构稳定化的影响研究

论文摘要

好氧颗粒污泥是一种特殊的生物聚集体,因具有沉降性能优异、多功能微生物分区定殖、抗污染负荷能力强等特点,在高浓度有机废水处理,脱氮除磷及有毒物质降解等方面具有极大的应用潜力。然而,目前好氧颗粒污泥的形成机制尚不清楚,且在长期运行过程中结构易失稳,一定程度上限制了该技术的工程化应用。本论文鉴于胞外多聚物（EPS）在生物聚集体的形成与结构维持中的重要作用,重点研究好氧颗粒污泥形成过程EPS的变化规律,并在此基础上解析不同水力剪切条件下EPS对好氧颗粒污泥结构稳定性的影响,主要结果如下:1、通过综合比较6种不同的物理、化学提取方法的EPS提取效率及对细胞的破坏程度发现,甲酰胺、甲醛等化学提取方法对EPS组分及TOC含量测定干扰较大;热碱提取法可获得较高的EPS提取量,但其对细胞的破坏程度最大,相应EPS定量及定性分析误差大;相比60℃水浴30min,80℃水浴60min可提取较多的EPS,然而其造成的细胞破坏程度显著增加。为此,最终优选60℃水浴30min污泥EPS提取方法。此外,比较不同提取方法下获得的两种污泥样品EPS主要成分胞外蛋白（PN）和胞外多糖（PS）发现,好氧颗粒污泥的EPS含量高于活性污泥,且PN是其EPS中的优势组分。2、低水力剪切条件下启动序批式气提生物反应器（SABR）,有机污染物得到完全去除,但SABR运行半个月后发生污泥膨胀;通过有机负荷及水力剪切条件的联合调控,污泥膨胀得以有效控制,最终反应器实现完全颗粒化,污泥浓度明显增加、沉降性能有效改善。在好氧颗粒污泥增殖阶段（阶段Ⅲ）,EPS各组分含量均显著增加,尤其是PN由61.8 mg·gVSS-1增至147.7 mg·gVSS-1,同时SDS-PAGE结果表明污泥EPS的PN条带明显增多;在之后的阶段Ⅳ,EPS中PS含量相对增加,PN/PS比值最终稳定在1.0～1.4。推测污泥EPS中PN含量与种类的增加可能对好氧颗粒污泥初期形成具有重要作用,而合适的PN/PS比通过影响微生物表面电荷与疏水性,调控微生物的聚集状态,促进好氧污泥颗粒化进程与维持其聚集性结构。3、水力剪切力对好氧颗粒污泥结构稳定性与EPS产生的影响研究表明,低水力剪切条件(表面气速为0.5 cm·s-1)下启动的R1反应器在运行期间污泥PS含量下降,而PN含量与PN/PS（最高达3.01）比明显增加,随之颗粒污泥迅速瓦解;而在较高水力剪切条件(1.5 cm·s-1和3.5 cm·s-1)下启动的R2、R3反应器,运行过程污泥PN、PS均有所增加,但PN/PS比相对稳定在1.39～1.81和1.15～1.39,其颗粒污泥的结构也较为稳定;相比而言,更高水力剪切条件下获得的低PN/PS比值更有利于好氧颗粒污泥的结构稳定性。周期内EPS监测结果表明,高水力剪切条件下基质消耗较快,产生的PS在相对较长的饥饿期内被微生物代谢利用,最终获得的适当PN/PS比有利于维持颗粒污泥的结构稳定性。颗粒污泥原位荧光染色结果进一步揭示,PS主要分布在颗粒污泥的菌胶团之间,而PN在整个颗粒污泥中均有分布,推测污泥EPS中PN、PS共同构建了好氧颗粒污泥框架结构,控制合适的PN/PS比有利于颗粒污泥结构的维持。对3组反应器内污泥进行PCR-DGGE分析发现,不同水力剪切运行条件下微生物群落演替显著,微生物分属Betaproteobacteria,Alphaproteobacteria、Flavobacteriales等类群,其中低水力剪切条件与高水力剪切条件下污泥优势菌分别与Chryseobacteriumsp.和Balneimonas sp.具有较高的同源性,分析认为不同菌株直接影响EPS组分含量,进而影响污泥的絮凝性能与好氧颗粒污泥的结构特性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 好氧污泥颗粒化技术
• 1.1.1 好氧颗粒污泥理化特性
• 1.1.2 好氧颗粒污泥微生物学特性
• 1.1.3 好氧污泥颗粒化的影响因素
• 1.1.4 好氧污泥颗粒化技术的应用
• 1.2 胞外多聚物研究进展
• 1.2.1 EPS组成与结构特性
• 1.2.2 EPS在生物聚集体形成与稳定中的作用
• 1.3 研究目的与主要内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 实验装置
• 2.1.2 模拟废水
• 2.1.3 接种污泥
• 2.2 分析方法
• 2.2.1 常规项目分析
• 2.2.2 目标污染物分析
• 2.2.3 污泥特性分析
• 2.2.4 分子生物学技术
• 2.2.5 污泥原位荧光染色
• 第三章 污泥胞外多聚物的提取方法
• 3.1 引言
• 3.2 胞外多聚物的提取方法
• 3.2.1 材料与方法
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.3 本章小结
• 第四章 好氧污泥颗粒化过程特性及胞外多聚物的作用研究
• 4.1 引言
• 4.2 反应器主要运行参数
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 好氧污泥颗粒化过程
• 4.3.2 好氧颗粒污泥基本特性
• 4.3.3 好氧污泥颗粒化过程EPS含量变化与分布
• 4.4 本章小结
• 第五章 胞外多聚物对好氧颗粒污泥结构稳定化中的影响研究
• 5.1 引言
• 5.2 反应器主要运行参数
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 不同水力剪切条件下好氧颗粒污泥基本特性的变化
• 5.3.2 不同水力剪切条件下污泥胞外多聚物的变化
• 5.3.3 污泥微生物群落结构的变化
• 5.4 本章小结
• 第六章 主要结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望与建议
• 参考文献
• 附录Ⅰ 修正Lowry法测定蛋白质浓度
• 附录Ⅱ SDS-PAGE过程