基于微生物产物的城市污水颗粒态有机物生物反应特性研究

Particulate organic matter has been reported to be an important fraction of total COD present in municipal wastewater. The implications of particulate organic matter on treatment efficiency has been a topic of major interest in the field of biological wastewater treatment. Because only monomers and oligomers are able to cross the bacterial membrane via specific active transports, particulate organic matter cannot be directly assimilated by microorganisms, which differ the transfer, diffusion, storage and degradation of substrate in microbial aggregates. On the other hand, the production of microbial products in biological wastewater treatment systems is an important life activity of microorganism during pollutants degradation, as well as a crucial response to the live condition changes. Microbial products are of high importance to bacteria aggregation, effluent quality and process dynamics in biological wastewater treatment systems. Therefore, this project takes the microbial products as a breakthrough point to identify the role of particulate organic matter in biological wastewater treatment systems. Based on the evaluation of biological response characteristics of typical particulate organic matter (polysaccharide, protein and lipid), the research try to answer that how the particulate organic matter affect the treatment performance, activated sludge characteristics, microbial community structure and process dynamics of biological wastewater treatment systems. The research results will promote us to understand the important implications of particulate organic matter on biological wastewater treatment, as well as to provide a theoretical and technical support for the design and operation of the biological wastewater treatment systems.

颗粒态有机物在城市污水总COD中占有重要比例，其对污水生物处理的影响是近年来研究者关注的焦点。颗粒态有机物无法被微生物直接吸收利用，所以其会影响活性污泥对基质的运输扩散、吸收储存、分解利用等生化反应过程。另一方面，污水生物处理系统中微生物产物的产生是微生物在降解污染物过程中的一种生命活动行为，也是应对环境变化的一种响应，对活性污泥特性、出水水质乃至整个系统的工艺过程都有重要影响。因此，本项目提出了以微生物产物为切入点进行颗粒态有机物对污水生物处理影响机理研究的新思路。通过系统研究代表性颗粒态有机物（多糖、蛋白质和脂肪）在污水生物处理系统中的各项生物反应特性，试图从微生物产物的角度来回答颗粒态有机物对污水生物处理系统的处理性能、污泥特性、微生物群落结构以及工艺动态等方面的重要影响。该研究将丰富现有颗粒态有机物对污水生物处理的作用机理，为处理系统的设计与运行提供更广泛的理论和技术支持。

颗粒态有机物在城市污水总有机物中占有重要比例，由于其无法被微生物直接吸收利用，所以会影响活性污泥对基质的运输扩散、吸收储存、分解利用等生化反应过程。本项目通过系统研究代表性颗粒态有机物在污水生物处理系统中的生物反应特性，旨在揭示颗粒态有机物对系统的处理性能、污泥特性、功能微生物活性以及微生物产物方面的影响特征。通过考察进水中不同颗粒态有机物占比对活性污泥硝化特性的影响，发现颗粒态有机物占比的增加会降低异养菌的生长速率，减缓其在氮源和溶解氧方面对硝化菌的竞争，间接的促进硝化菌在活性污泥中的增殖，进而促进了活性污泥的硝化活性。通过考察不同聚合程度蛋白质类基质培养条件下，活性污泥系统处理性能、污泥特性、微生物产物产生及化学组成的不同特征，发现高聚合程度蛋白质类基质培养条件下的污泥絮体边界粗糙但结构相对密实，沉降性能相对较好，但是由于基质水解过程缓慢，其整体的COD降解、氨化和硝化过程也相应的减缓。此外，随着基质聚合程度的提高，活性污泥胞外聚合物中蛋白质类和腐殖酸类物质的含量显著增加，而多糖类物质的含量显著降低，且胞外聚合物的分子量分布和官能团分布特性发生显著改变。由于聚合态基质的降解主要发生在絮体内部，减少了与水相的物质交换，导致活性污泥系统溶解性微生物产物的产生随着基质聚合程度的提高而减少。通过研究亲水性酸性氨基酸培养条件下的污泥颗粒化现象，发现带负电荷特性的亲水性基质会促使活性污泥产生大量胞外多糖以改变絮体表面特性，而大量胞外多糖的产生也直接促使微生物相互交联和聚集，并出现颗粒化现象。以上研究结果将有助于厘清颗粒态有机物在决定污水生物处理系统生物反应活性及出水水质方面所扮演的重要角色，丰富现有颗粒态有机物对污水生物处理系统作用机制的认识，为污水生物处理系统（尤其是其中关于颗粒态有机物处理单元）的设计与运行提供重要的参考价值。