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好氧颗粒污泥工艺因其具有泥水分离效果好、耐负荷冲击能力强、剩余污泥产率低等特点,在废水生物处理领域应用潜力巨大,并已在荷兰、南非等地得到工程化应用。然而,好氧颗粒污泥作为一种特殊的微生物聚集体,多样化功能菌群富集持留赋予生物处理系统高效运行性能的同时,颗粒结构不稳定、形成机制不明晰仍成为制约该工艺推广应用的技术瓶颈。论文从胞外多聚物(EPS)主要组分解析、污泥功能菌群鉴定角度出发,以PCR-DGGE、454高通量测序、qPCR及FISH等为技术手段,开展好氧颗粒污泥反应器启动与工艺强化过程污泥EPS组成变化、微生物群落结构演变、重要功能菌群解析等研究,获得以下主要结论：1、以序批式生物反应器(SBR)的研究平台,模拟城镇污水、氯苯胺废水(p-ClA)为处理对象,开展好氧颗粒污泥反应器启动过程颗粒特性与EPS组成变化研究。结果表明,两组SBR在生物选择压的逐步增强下微生物团聚、污泥颗粒化,颗粒形成初期污泥EPS含量明显增加,尤其是胞外蛋白(PN)含量分别由67.21±1.41、89.36±2.71mg·-1VSS增至287.20±4.55、348.43±7.82mg·g-1VSS。相比而言,处理城镇污水颗粒污泥的胞外多糖(PS)变化不大,而高p-ClA负荷下污泥PS含量最高增至482.6±5.37mg·g-1VSS,随着颗粒污泥结构降至333.57±20.18mg·g-1VSS。值得关注的是,处理不同水质的两组SBR在颗粒污泥形成阶段污泥PN/PS比增加,分别由1.25、2.04增至5.40、5.33,颗粒污泥稳定运行阶段PN/PS比有所降低,保持在3.70-3.90之间,分析认为PN定向分泌增强污泥表面疏水性、促进微生物团聚,有利于好氧污泥颗粒化。2、研究处理不同水质污泥颗粒化过程微生物群落结构发现,两组SBR污泥颗粒化过程均发生明显的菌群丰富度递增。其中,处理城镇污水SBR污泥颗粒化过程优势菌群分属β-Proteobacteria, γ-Proteobacteria, Bacterioidetes等,由初期的Sphingobacteria spp.占优势转变为稳态颗粒污泥中Zoogloea spp.高度富集。处理p-C1A废水SBR污泥颗粒化过程Proteobacteria占总菌比例由50%增至66%(以β-Proteobacteria为主,占39.8%),其中编码苯胺双加氧酶及C23O酶的Thauera spp.占总菌比例由19%增至45%,Zoogloea spp.亦在稳态颗粒污泥内高度富集(占总菌比例达10%)。结合污泥颗粒化阶段EPS分析认为,具有PN分泌功能的Zoogloea spp.、Sphingobacteria spp.等菌株在生物处理系统内高度富集,利于颗粒污泥形成。3、从好氧颗粒污泥工艺强化与节能降耗角度出发,应用分段曝气方式强化颗粒污泥反应器运行性能。研究发现,直接降曝调控后颗粒污泥工艺在基质丰富期和好氧饥饿期的DO分别为6.37mg.L"1、3.72mg.L-1,污泥产率由1.13kgMLSS9kgCOD-1增至1.96kgMLSS·kgCOD-1,污泥解体并大量流失。分析污泥EPS发现,调控前后污泥PN含量由210.56±7.22mg·gVSS-1降至109.74±5.71mg·gVSS-1, PN/PS比值由3.95降至2.22。推测直接降曝后体系DO过低、低水力剪切条件下PN分泌减少不利于颗粒结构稳定。为此,研发梯度降低好氧饥饿期曝气强度的颗粒污泥强化工艺,体系DO缓慢降低并最终保持在4.5-5.0mg-L-1,系统脱氮性能提升,颗粒疏水性及强度增加。分析污泥EPS发现,调控过程污泥PN含量适度增加、PN/PS匕最终稳定在3.88,实现颗粒结构稳定、污泥产率下降、系统高效运行。4、分析强化工艺的颗粒污泥微生物群落结构发现,直接降曝后系统Shannon index由稳态的4.7620降至3.9185,大量微生物随颗粒不可逆解体而被排出体系；其中,Proteobacteria比例降至23%、Bacteroidetes比例则由31%增至63%；其中,Leadbetterella spp.属Sphingobacteria,其在颗粒结构失稳阶段出现并成为绝对优势菌株(45%),推测直接降曝调控导致污泥原有优势菌群结构发生变化,Leadbetterella spp.大量增殖,该类微生物的高度富集并不能赋予颗粒污泥稳定的EPS组成比例,最终导致颗粒结构不可逆失稳、污泥大量洗出系统。采用梯度降曝调控策略后,污泥Chao index. Shannon index分别增至3925和5.79,微生物群落多样性得到恢复,优势菌群分属Zoogloea spp.、Thauera spp.、Microlunatus spp.、Nitrospira spp.等。进一步应用qPCR.FISH等技术揭示Zoogloea spp.等EPS分泌菌在颗粒内部定向富集,分布与EPS包裹位置基本一致,证实其在颗粒污泥结构稳定中具有重要作用。