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好氧颗粒污泥工艺是极具应用潜力的新型污水生物处理技术，相比于传统活性污泥法具有物理结构致密、沉降性能优异、生物持留量大、功能菌群耦合等优点，在改善泥水分离、强化去污性能、降低工程投资等方面具有明显技术优势，有望解决现有污水生物处理工艺面临的出水水质不稳定、运行能耗偏高、占地面积较大等问题。然而，结构易失稳、运行受限制是目前好氧颗粒污泥技术工程化应用面临的主要瓶颈。鉴于功能微生物高效聚集和稳步代谢生长是颗粒污泥形成与结构稳定的基础，有必要从功能菌群富集、胞外多聚物(EPS)分泌强化、底物转化产能等角度探索污泥颗粒化及其结构稳定化的微生物学机制。
论文以强化好氧颗粒污泥形成和结构稳定为目标，研究群体感应对颗粒污泥EPS分泌、底物转化和代谢生长的调控作用，获得的主要研究结果如下：
1.不同污泥停留时间(SRT)条件下形成的好氧颗粒污泥物理特性、关键EPS组分与菌群结构演替规律研究表明，控制SRT为6d时形成的好氧颗粒污泥粒径稳定在500μm以上，系统TN去除率高达85%，均优于剩余污泥随出水排出、SRT不严格控制和SRT为12d的对照组。同时，SRT为6d条件下污泥颗粒化过程胞外蛋白(PN)含量由151.6±10.5mg/gVSS增至247.3±12.7mg/gVSS，其关键蛋白组分为类色氨酸蛋白；而胞外多糖(PS)由初期的38.4-48.3mg/gVSS增至96.8±6.7mg/gVSS，关键多糖组分为类藻酸盐(ALE)。分析颗粒污泥微生物菌群结构发现，Rhodobacteraceae(28.6%)、Xanthomonadaceae(18.6%)、Hyphomonadaceae(3.9%)为稳定颗粒污泥的优势菌科，在短泥龄条件下高度富集，其相对丰度显著高于其他两组反应器(p＜0.05)。
定量分析颗粒污泥系统N-酰基高丝氨酸内酯(AHLs)发现，辛酰基高丝氨酸内酯(C8-HSL)、3-羟基辛酰基高丝氨酸内酯(3OHC8-HSL)、3-羟基十二烷基高丝氨酸内酯(3OHC12-HSL)的浓度随着污泥颗粒化逐渐上升，且在SRT为6d的反应器中长期维持较高水平，最终分别达6285.9±320.7ng/L、1325.0±148.5ng/L、256.6±15.5ng/L，是稳定好氧颗粒污泥系统的主要AHLs。尤其是C8-HSL、3OHC8-HSL等酰基侧链含8个碳原子的AHLs，其浓度与污泥EPS中类色氨酸类蛋白呈显著正相关(p＜0.01)，初步认为Rhodobacteraceae、Xanthomonadaceae等AHLs产生菌富集生长利于EPS分泌与颗粒污泥形成。
2.从关键EPS-钙结合强化污泥凝胶性能角度出发，研发了基于EPS强化分泌的曝气回流好氧污泥颗粒化新工艺。研究表明，新工艺的MLSS高达6800mg/L，形成的颗粒污泥结构密实，完整性系数＜0.1，Ca2+含量维持在45-57mg/gVSS，显著高于对照组的27-42mg/gVSS。污泥ALE中聚古罗糖醛酸(GG)嵌段比例达60%以上，高于对照组的45.3±0.1%。分析污泥微生物菌群结构发现，unclassifiedRhodobacteraceae、Rhodobacterspp.、unclassifiedXanthomonadaceae等AHLs产生菌在曝气回流工况下得到大量富集，相对丰度分别达2.5%、17.1%、11.7%。同时，前期所述的C8-HSL、3OHC8-HSL、3OHC12-HSL等AHLs主要信号分子含量明显增加。分析认为，通过气体回流可实现ALE-Ca有效结合、主要信号分子产生持留，利于功能菌群有效定殖、EPS分泌增强、颗粒污泥结构稳定。
3.群体感应对好氧颗粒污泥系统EPS产量和底物转化的调控作用研究表明，复杂有机物(可溶性淀粉)为主要碳源时，颗粒污泥EPS含量高于乙酸钠为主要碳源组，其PN含量由初始的93.9±1.6mg/gVSS增至172.0±1.2mg/gVSS，PS含量则相对稳定在84.6-97.9mg/(g?VSS)。主成分分析(PCA)发现，不同碳源条件下C8-HSL、3OHC8-HSL、3OHC12-HSL仍为影响颗粒污泥结构稳定的主要因素，与污泥MLSS和EPS含量呈显著正相关(p＜0.05)。AHLs批次投加试验发现，投加C8-HSL、3OHC8-HSL后污泥的底物降解速率和EPS各组分增长率均显著提升，尤其是以可溶性淀粉为主要进水碳源时，其底物降解速率为0.024-0.029mgCOD/(L?min)，高出对照组65%-85%，同时AHLs投加后PN和PS增长率分别为30%-36%和25%-29%，表明AHLs型群体感应可强化复杂底物水解和EPS生成(PN为主)，促进颗粒污泥结构稳定。
4.群体感应对微生物产能、EPS分泌、颗粒结构稳定的强化机制研究表明，颗粒污泥失稳后体系C8-HSL、3OHC8-HSL、3OHC12-HSL等主要AHLs浓度以及ATP水平、EPS含量均显著降低，Xanthomonadaceae_unclassified、Rhodobacterspp.等AHLs产生菌率先流失。AHLs分批投加试验发现，AHLs投加组的污泥ATP含量高达2.6±0.2μmol/gVSS，相比于对照组(ATP含量仅为0.2±0.01μmol/gVSS)显著提高。同时，AHLs投加组的污泥EPS含量大幅提升(p＜0.05)，其中类色氨酸蛋白为主的PN荧光强度达745.3(对照组仅为456.3)；当ATP合成受抑制时，AHLs投加组的污泥EPS产生受明显抑制，污泥PN、PS含量最高分别仅为39.2±1.2、22.5±4.3mg/gVSS，均小于ATP合成未受抑制组(PN，41.2±1.9mg/gVSS；PS，25.3±0.3mg/gVSS)。由此认为，AHLs型群体感应系统通过强化ATP合成促进EPS功能蛋白分泌，实现颗粒污泥结构稳定。
综上所述，群体感应通过调控好氧颗粒污泥底物转化、代谢产能有效强化EPS分泌，进而促进功能微生物的高效定殖、实现污泥颗粒化及其结构稳定化。本研究从微生物代谢角度揭示了群体感应对好氧污泥颗粒形成和结构稳定的强化机制，可为好氧颗粒污泥稳定运行和工程化应用提供新的观点和思路。
论文以强化好氧颗粒污泥形成和结构稳定为目标，研究群体感应对颗粒污泥EPS分泌、底物转化和代谢生长的调控作用，获得的主要研究结果如下：
1.不同污泥停留时间(SRT)条件下形成的好氧颗粒污泥物理特性、关键EPS组分与菌群结构演替规律研究表明，控制SRT为6d时形成的好氧颗粒污泥粒径稳定在500μm以上，系统TN去除率高达85%，均优于剩余污泥随出水排出、SRT不严格控制和SRT为12d的对照组。同时，SRT为6d条件下污泥颗粒化过程胞外蛋白(PN)含量由151.6±10.5mg/gVSS增至247.3±12.7mg/gVSS，其关键蛋白组分为类色氨酸蛋白；而胞外多糖(PS)由初期的38.4-48.3mg/gVSS增至96.8±6.7mg/gVSS，关键多糖组分为类藻酸盐(ALE)。分析颗粒污泥微生物菌群结构发现，Rhodobacteraceae(28.6%)、Xanthomonadaceae(18.6%)、Hyphomonadaceae(3.9%)为稳定颗粒污泥的优势菌科，在短泥龄条件下高度富集，其相对丰度显著高于其他两组反应器(p＜0.05)。
定量分析颗粒污泥系统N-酰基高丝氨酸内酯(AHLs)发现，辛酰基高丝氨酸内酯(C8-HSL)、3-羟基辛酰基高丝氨酸内酯(3OHC8-HSL)、3-羟基十二烷基高丝氨酸内酯(3OHC12-HSL)的浓度随着污泥颗粒化逐渐上升，且在SRT为6d的反应器中长期维持较高水平，最终分别达6285.9±320.7ng/L、1325.0±148.5ng/L、256.6±15.5ng/L，是稳定好氧颗粒污泥系统的主要AHLs。尤其是C8-HSL、3OHC8-HSL等酰基侧链含8个碳原子的AHLs，其浓度与污泥EPS中类色氨酸类蛋白呈显著正相关(p＜0.01)，初步认为Rhodobacteraceae、Xanthomonadaceae等AHLs产生菌富集生长利于EPS分泌与颗粒污泥形成。
2.从关键EPS-钙结合强化污泥凝胶性能角度出发，研发了基于EPS强化分泌的曝气回流好氧污泥颗粒化新工艺。研究表明，新工艺的MLSS高达6800mg/L，形成的颗粒污泥结构密实，完整性系数＜0.1，Ca2+含量维持在45-57mg/gVSS，显著高于对照组的27-42mg/gVSS。污泥ALE中聚古罗糖醛酸(GG)嵌段比例达60%以上，高于对照组的45.3±0.1%。分析污泥微生物菌群结构发现，unclassifiedRhodobacteraceae、Rhodobacterspp.、unclassifiedXanthomonadaceae等AHLs产生菌在曝气回流工况下得到大量富集，相对丰度分别达2.5%、17.1%、11.7%。同时，前期所述的C8-HSL、3OHC8-HSL、3OHC12-HSL等AHLs主要信号分子含量明显增加。分析认为，通过气体回流可实现ALE-Ca有效结合、主要信号分子产生持留，利于功能菌群有效定殖、EPS分泌增强、颗粒污泥结构稳定。
3.群体感应对好氧颗粒污泥系统EPS产量和底物转化的调控作用研究表明，复杂有机物(可溶性淀粉)为主要碳源时，颗粒污泥EPS含量高于乙酸钠为主要碳源组，其PN含量由初始的93.9±1.6mg/gVSS增至172.0±1.2mg/gVSS，PS含量则相对稳定在84.6-97.9mg/(g?VSS)。主成分分析(PCA)发现，不同碳源条件下C8-HSL、3OHC8-HSL、3OHC12-HSL仍为影响颗粒污泥结构稳定的主要因素，与污泥MLSS和EPS含量呈显著正相关(p＜0.05)。AHLs批次投加试验发现，投加C8-HSL、3OHC8-HSL后污泥的底物降解速率和EPS各组分增长率均显著提升，尤其是以可溶性淀粉为主要进水碳源时，其底物降解速率为0.024-0.029mgCOD/(L?min)，高出对照组65%-85%，同时AHLs投加后PN和PS增长率分别为30%-36%和25%-29%，表明AHLs型群体感应可强化复杂底物水解和EPS生成(PN为主)，促进颗粒污泥结构稳定。
4.群体感应对微生物产能、EPS分泌、颗粒结构稳定的强化机制研究表明，颗粒污泥失稳后体系C8-HSL、3OHC8-HSL、3OHC12-HSL等主要AHLs浓度以及ATP水平、EPS含量均显著降低，Xanthomonadaceae_unclassified、Rhodobacterspp.等AHLs产生菌率先流失。AHLs分批投加试验发现，AHLs投加组的污泥ATP含量高达2.6±0.2μmol/gVSS，相比于对照组(ATP含量仅为0.2±0.01μmol/gVSS)显著提高。同时，AHLs投加组的污泥EPS含量大幅提升(p＜0.05)，其中类色氨酸蛋白为主的PN荧光强度达745.3(对照组仅为456.3)；当ATP合成受抑制时，AHLs投加组的污泥EPS产生受明显抑制，污泥PN、PS含量最高分别仅为39.2±1.2、22.5±4.3mg/gVSS，均小于ATP合成未受抑制组(PN，41.2±1.9mg/gVSS；PS，25.3±0.3mg/gVSS)。由此认为，AHLs型群体感应系统通过强化ATP合成促进EPS功能蛋白分泌，实现颗粒污泥结构稳定。
综上所述，群体感应通过调控好氧颗粒污泥底物转化、代谢产能有效强化EPS分泌，进而促进功能微生物的高效定殖、实现污泥颗粒化及其结构稳定化。本研究从微生物代谢角度揭示了群体感应对好氧污泥颗粒形成和结构稳定的强化机制，可为好氧颗粒污泥稳定运行和工程化应用提供新的观点和思路。