近年来,药品及个人护理用品(Pharmaceuticals and personal care products,PPCPs)这类新兴污染物在水体中的残留成为新的环境问题,特别是一些地表水和城市污水中PPCPs含量达几十微克/升甚至更高。污水处理过程不能有效去除这类污染物,含有PPCPs的污水排入受纳水体,给生态环境和人类健康带来潜在危害。探寻经济有效的去除污水中PPCPs的处理技术和工艺已成为水处理研究者当前面临的一个新挑战,也是水处理领域非常重要的研究课题。具备高效能、成本低、反应温和等显著优势的生物处理法,正逐渐成为处理污水中该类物质的关键技术。本研究利用微生物造粒固定化技术,对两种生物处理工艺去除污水中5种抗菌消炎PPCPs污染物的效能进行考察,并从微生物分子生态学水平探讨反应体系中微生物群落结构演替和种群多样性特征,对污染物的去除机制进行深入研究。通过优化的工艺条件参数,在序批式颗粒化生物反应器(GSBR)和好氧颗粒污泥-膜生物反应器(GMBR)工艺中培养并获得好氧颗粒污泥(AGS)。在GSBR体系中最终形成表面光滑、轮廓清晰、淡黄色颗粒,生物量累积3.8g/L,粒径1.0~4.0mm的颗粒污泥占污泥总体积的80%,颗粒污泥的沉速与粒径正相关,表现出良好的沉降性,微生物活性高。颗粒污泥中分泌的类蛋白质促进了污泥颗粒的形成和疏水性作用,成熟颗粒污泥含水率保持在96.7%~97.6%之间,明显低于絮体污泥。而在GMBR体系中,最终形成表面光滑、质地柔软、米粒或不规则椭圆状的土黄色颗粒,粒径为1.0~3.0mm的颗粒污泥占污泥总体积的58.6%,生物量累积达5.1g/L,颗粒污泥沉降性能优于普通活性污泥。在已经成功培养获得好氧颗粒污泥的体系中,选取5种抗菌消炎PPCPs作为目标污染物,考察GSBR和GMBR两种工艺对5种物质的去除效能和工艺运行稳定性。结果表明,在含有PPCPs的污水体系中颗粒污泥能够较好地稳定运行,但5种目标物的去除效果存在差异。GSBR工艺泼尼松龙的去除效果明显,平均去除率84%,萘普生、磺胺甲恶唑和诺氟沙星的去除率分别达70.5%、75.7%和79.8%,而布洛芬的去除率仅为45%。GMBR工艺对常规污染物和PPCPs的去除效果均有提高,颗粒吸附、生物降解与超滤膜截留对污水中几种污染物的整体去除率有贡献。其中对泼尼松龙、诺氟沙星、萘普生的去除效果较为理想,去除率分别提高至98.5%、87.8%和84%。对磺胺甲恶唑和布洛芬的去除率较前三种药物去除率略有降低。污泥颗粒化进程提高了GMBR工艺对有机物的去除效率,COD去除率维持在90%左右,TP去除率逐渐提升至92%,TN去除率近95%,NH4+-N去除率保持在90%以上。此外,考察了污泥龄(SRT)与胞外多聚物(EPS)对工艺稳定运行中膜污染的影响,结果表明,GMBR体系有较强的抗膜污染能力,EPS中蛋白质含量的增多维持了好氧颗粒结构的稳定,对反应体系的膜污染有一定的缓解作用。进一步考察了好氧颗粒污泥对两种代表性有机物磺胺甲恶唑(SMZ)和萘普生(NPS)的吸附和降解作用。研究表明,好氧颗粒污泥对两种药物的去除是一个化学吸附和缓慢生物降解的过程。在相同条件下,初始浓度为10mg/L时,SMZ和NPS的生物降解占好氧颗粒去除该物质的比例分别是59.4%和41.3%,表明颗粒污泥对SMZ的生物降解更明显。Freundlich吸附等温模型能较好地描述两种物质与颗粒污泥间的相互作用;准二级动力学模型较好拟合了好氧颗粒污泥对两种物质的吸附过程,可以猜测它们之间的吸附是一个物理-化学吸附过程。利用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)和高通量测序对两种工艺的微生物群落演替和种群多样性进行分析,解析多层次多种微生物的作用规律。结果发现,GSBR和GMBR工艺的微生物群落演替具有明显的差异性,出现各自的功能性优势种群。硬壁菌(Firmicutes)、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)和嗜水气单胞菌属(Aeromonas)是两种工艺降解药物过程起重要作用的关键功能菌群,它们属于抗药性基因的携带者,这些微生物的存在可保证体系较高的污染物去除效率。GMBR工艺在不同水平上微生物的优势菌群数量较GSBR丰富,其物种丰度和多样性有明显提高,说明污水中抗菌消炎PPCPs药物的去除是体系内多种微生物的共代谢协同和增效作用,耐药性强的微生物菌群的出现使得反应体系能够稳定运行。本论文研究成果将对我国城市污水行业由水体单一控制COD向生态安全保障方面的转移发挥积极作用,对有效处理含抗菌消炎PPCPs药物的污水具有重要意义。