生物膜工艺具有高有机负荷、高有机物去除率、低剩余污泥产量、运行管理方便等优点,在未来污水处理“提标增效”、“节能降耗”的要求中,将引发新一轮需求热潮。本研究针对污水处理生物膜法中成膜机理不清、定量评价机制缺乏等问题,以典型污水处理系统和实际工程填料(固定和悬浮式)为研究对象,深入研究了生物膜的形成机制和基于分子水平、生物群落和细菌种群等三个尺度响应生物膜活性的基本规律。研究结果可为生物膜法污水处理工艺的高效稳定运行提供理论指导,并为实现生物膜相关过程的高效调控提供技术支撑。本研究选取生活污水、精细化工废水和化工园区综合废水等3种实际废水,并以此为依据设计12种不同有机污染、盐度特性和离子组成配置组合的模拟废水;选取典型填料材质——聚苯乙烯和聚酰胺,采用石英晶体微天平检测技术,系统研究了填料亲疏水性和水质特征对填料表面薄膜形成过程的综合影响;在此基础上,设计开展典型污水水质条件下固定和悬浮式填料表面生物膜形成及其活性研究;运用磷脂脂肪酸(PLFA)分析技术,解析生物膜在分子水平和生物群落的分布特征,建立生物标志物/群落与生物膜活性的定量关系式;进一步运用16S rRNA高通量测序技术,对生物膜细菌种群及其分布进行鉴定,深入研究细菌种群对生物膜活性的响应规律。论文的总体结论如下:1、关于生物膜的形成(1)填料亲疏水性对生物膜的形成具有显著影响。亲水性表面更利于水溶性污染物的沉积和薄膜的形成,从而加快生物膜的形成。(2)水质特征对薄膜和生物膜的形成具有重要且复杂的影响。有机物浓度越高,薄膜越易形成,且其影响要高于离子及其强度。Ca2+对薄膜形成的影响与离子强度有关,表现为“低促高抑”,即在低离子强度下促进薄膜形成,而在高离子强度下抑制薄膜形成。高盐度有利于生物膜的快速形成,对于同一类型的污水,高悬浮污泥浓度也能显著提高挂膜速度。(3)对填料表面薄膜形成机理的研究表明,大分子的沉积不仅受压缩双电层作用控制,而且还受非DLVO过程的综合影响。(4)采用石英晶体微天平监测污(废)水中溶解性污染物在不同有机填料基质表面的微观沉积,可快速判定填料的生物亲和性。2、关于生物膜的活性(1)生物膜STOUR、SHOUR、ATP/VS和AEC四种活性指标间均呈现极显著正相关性;本研究提出,当AEC小于0.6时,生物膜处于老化状态,需要进行活化。(2)填料类型对生物膜的活性有重要影响。软性和组合填料生物膜更易变成“粘泥”而老化,时间约为60天;在同一水质条件下,悬浮填料生物膜STOUR、SHOUR、ATP/VS和AEC均高于软性和组合填料生物膜,其老化速率较慢,一般需要70天以上。(3)生物膜的活性受污水有机物浓度影响较大,氮、磷次之,并与系统中悬浮污泥活性密切相关。实验条件下,高盐度和有机物含量、高悬浮污泥浓度可加快生物膜老化进程。(4)基于PLFA的分析表明,不同来源生物膜PLFA中,C16:00、C18:00、C16:1 w7c、C18:1 w7c、C12:00和C18:1 w9c是相对丰度最高的6种标志物;生物膜中细菌相对丰度最高,而革兰氏阴性菌相对丰度又显著高于革兰氏阳性菌;真菌含量一般大于放线菌和原生动物;C16:00对STOUR的量化响应最为理想,复合、生长或指数曲线方程为最优模型;真菌对AEC的量化响应最为理想,三次曲线方程为最优模型;老化生物膜真菌等真核微生物含量增加;高有机污染废水生物膜中,真菌等真核微生物含量相对较低;老化组合填料生物膜中革兰氏阳性菌和放线菌含量相对较高。(5)16S rRNA高通量测序结果表明,生物膜中相对丰度较高的细菌主要有变形菌、拟杆菌、放线菌、酸杆菌和厚壁菌;进水水质对生物膜细菌种群的影响大于填料类型,高有机污染高盐度废水生物膜中易富集α-变形菌,而高溶解氧高悬浮污泥浓度体系生物膜中γ-变形菌为优势种群;产生生物膜活性的属水平细菌主要有:动胶菌属、不动杆菌属、Dechloromonas、硝化螺菌属等,与生物膜活性呈负相关的细菌主要包括:暖绳菌属、束缚杆菌属、大理石雕菌属、陶厄氏菌属和特吕珀菌属等;软性和组合填料生物膜老化时,暖绳菌属含量相对较高;悬浮填料生物膜老化时,除暖绳菌属外,不动杆菌属含量也较高。