摘要
我国每年数百亿吨工业含盐废水的排放及沿海地区的海水代用问题，加剧了污水治理工作负荷及难度。好氧颗粒污泥因结构致密、沉降性能好、生物量高、功能菌组成丰富及抗外界不利环境因子能力强等优势，使其在含盐废水的生物处理工艺中备受青睐。然而好氧颗粒污泥的形成受诸多因素牵制，操作条件较为苛刻，且耗时普遍较长;在应对工业上不同生产季节含盐废水水质波动大的问题时，好氧颗粒污泥自身调控较为滞后;加之我国北方地区冬季寒冷气候会进一步抑制生物酶活性，限制了好氧颗粒污泥在实际含盐废水处理应用中的推广。针对以上问题，本研究首先开发了以铁基修饰的塔宾曲霉菌丝球辅助絮状活性污泥造粒的好氧颗粒污泥简易培育方法，研究了其理化性质、生物活性、尺寸效应及形成机理;经盐梯度驯化形成耐盐颗粒后，探究外源添加Fe3O4促进系统应对高盐废水C/N波动冲击的可行性及机制;分离筛选出多株不同种属耐盐功能菌，按比例进行复配，形成低温下仍具较高脱氮效能的复合菌剂，投加至耐盐颗粒污泥系统，并探究了其对实际海产品加工废水生物强化处理效能提升的可行性与机理;研究结果能够为解决好氧颗粒污泥在实际含盐废水处理应用中的瓶颈问题提供理论指导与技术支撑。 (1)铁基修饰AT菌丝球构建好氧颗粒污泥性能及形成机理研究 针对原生菌丝球内部菌丝缠绕相对疏松、生物絮凝性能较低的问题，本文采用不同Fe3O4纳米材料对塔宾曲霉（Aspergillustubingensis，AT）菌丝球进行修饰，发现经Fe3O4@SiO2-QC纳米粒子修饰后的AT菌丝球内部结构变得更加致密，表面疏水性和表观粘度较未修饰前分别增加了45.41％和42.38％，生物絮凝性能提高。针对目前好氧颗粒污泥形成条件苛刻和耗时久的问题，本文构建了利用铁基修饰的菌丝球与絮状活性污泥共培养的简化培育方法，在优化条件下初步聚集在AT菌丝球上的活性污泥生物量可达1.54g/g，初步形成的以AT为骨架(AT-based)的好氧颗粒污泥(AT-AGS)的比耗氧率(SOUR)可达58.03mgO2/gVSS.h。初始AT-AGS经筛分后独自继续培养至第9天，便可形成具有较高生物活性（64.45mgO2/gVSS·h的SOUR）和较优沉降性能（58.22m/h的沉积速率）的成熟好氧颗粒污泥。结合污泥表面性质、XDLVO数学理论模型及群体感应信号分子调控等分析，揭示了颗粒污泥形成机理;表面带正电的AT菌丝通过静电吸附作用及三维网状骨架结构促使了絮状活性污泥的初始聚集，菌丝球和初步聚集的污泥微生物互作下，增加的c-di-GMP群体感应信号分子刺激分泌更多的疏水性及粘性胞外聚合物(EPS)，促进了后期絮状活性污泥在菌丝表面聚集，聚集在菌丝表面的污泥微生物生长繁殖，进一步增加颗粒生物量，形成成熟的AT-AGS。在高进水负荷条件下，AT-AGS对总氮和总磷的去除率分别比接种絮状活性污泥的高出12.24％和16.29％。高通量测序表明，AT-AGS的负责碳氮磷去除的功能物种的丰富度及多样性均高于接种的絮状活性污泥。 (2)AT-AGS的尺寸效应研究 针对不同尺寸的传统AGS在污染物去除性能及结构稳定性方面存在较大差异的问题，本文通过研究颗粒内部孔隙、细胞EPS组成与空间分布及颗粒表面特性等，分析了颗粒内部微环境对功能菌定植及丰度的影响。研究结果发现:随着粒径的增大，AT-AGS的总孔体积先减小后增大，而平均孔径则是先增大后减小;EPS分泌整体随着粒径的增加呈先增大后减小的趋势，但小尺寸颗粒(0.5-1.5mm)GS的胞外蛋白含量最大(67.53mg/gVSS)，而中等尺寸颗粒(1.5-3.0mm)GM的胞外多糖含量最大(65.02mg/gVSS)，导致了微生物表面特性的差异，以此形成了不同尺寸颗粒不同的微环境。原位荧光杂交分析技术表明，AT-AGS的内部微环境差异调控着功能物种的空间分布。GS和GM降解有机物菌属的相对丰度比大尺寸颗粒（3.0-5.0mm）GL约高出11％。GM硝化菌属和反硝化菌属的相对丰度比GS和GL高出1.09％～11.54％。生物酶活性方面的分析结果表明GM的脱氢酶、氨单加氧酶、亚硝酸盐氧化还原酶、硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶的活性高出GS和GL1.32～3.09倍。实时定量PCR结果显示，GM的amoB、hao、nxrA、nxrB、narG和nirS等功能基因的表达水平是GS和GL的1.31～37.55倍。 (3)耐盐AT-AGS的形成及抗逆特性研究 针对高盐胁迫因子严重抑制功能菌生长代谢、破坏菌种间稳定的相互作用的问题，本文采用盐梯度驯化方法培育耐盐功能菌，发现AT-AGS在6.25、12.5、25、37.5和50gNaCl/L盐度条件下达到性能稳定状态的耗时比絮状活性污泥分别少4、5、8、7和8天，表现出更高的耐盐驯化效率。形成的耐盐AT-AGS在50gNaCl/L盐度条件下的COD和氨氮去除率比耐盐絮状活性污泥分别高出11.83％和7.18％。耐盐的AT-AGS显示出更强的生物量截留能力(7.92g/L的MLVSS)和更高的代谢活性(48.06mgTF/gVSS·h的脱氢酶活性)。耐盐AT-AGS总胞外多糖含量(80.7mg/gVSS)接近于耐盐絮状活性污泥(46.3mg/gVSS)的2倍，在维持系统稳定中起着关键作用。高通量测序分析表明，耐盐驯化后AT-AGS保持了较高的微生物丰富度和多样性，耐盐的Marinobacterium(相对丰度为32.04％)演替为最主要的菌属。针对含盐废水同时存在水质C/N波动的问题，本文提出了利用铁元素协同抵抗双重胁迫的应对策略。通过向耐盐AT-AGS系统外源添加1.5g/LFe3O4，发现污泥响应高盐废水C/N波动冲击后达到性能稳定的耗时大幅缩短，各阶段COD、氨氮和总氮去除率较对照组高出2.27％～8.55％。Fe3O4的添加提高了系统在应对C/N波动时的功能菌截留能力，维持了污泥较高的絮凝活性，保障了系统较高的稳定性。此外，Fe3O4提高了污泥在C/N波动条件下的电子传递系统活性，促进了细胞维持较高的生物酶活性。 (4)耐盐AT-AGS耦合复合菌剂生物强化的性能研究 针对实验室培养的耐盐多菌体系很难高效处理成分复杂且多变的实际含盐废水的问题，本文通过从海产品加工企业周围土壤分离筛选出2株耐盐氨氮利用菌、2株耐盐亚硝氮利用菌和3株耐盐硝氮利用菌，并依据环境因子耐受性试验结果，按比例复配，制备形成在低温(15℃)条件下具有较高综合脱氮性能的复合菌剂。将5％(w/w)复合菌剂分批次（在第1天和第10天分别投加2.5％）投加至耐盐AT-AGS系统，用于强化处理实际海产品加工废水，发现稳定状态下生物强化组的氨氮和总氮去除率较对照组分别高出12.13％和17.20％，氨单加氧酶、亚硝酸盐氧化还原酶、硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶的活性也比对照组分别高出60.00％、66.39％、61.97％和95.24％。 (5)菌丝球辅助絮状活性污泥造粒的普适性及性能研究 最后考察了黑曲霉、烟曲霉、黄孢原毛平革菌和白色链霉菌等具有不同代表性的菌丝球辅助絮状活性污泥造粒的可行性，发现4种菌丝球在优化条件下初步聚集的污泥生物量可分别达1.24、1.73、1.75和1.89g/g，形成的初始颗粒的SOUR可分别达36.52、54.11、45.36和56.95mgO2/gVSS。筛分后继续培养都可以形成性能稳定的成熟的好氧颗粒污泥，呈现出较好的沉降性能、较高的生物酶活性和较强的污染物去除性能，表明利用菌丝球辅助絮状活性污泥造粒具有普适性。
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