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铝矿开采、电解工业和铝盐絮凝剂等生产和使用过程中,将会产生大量含铝废水,这些含铝废水进入污水生物处理系统,阻碍细胞膜的形成,减慢细菌的生长速度,改变微生物群落结构,进而影响活性污泥的絮凝性和脱氮效果。本研究考察Al3+浓度对污染物去除效率的影响,研究污泥絮凝沉降性的变化,通过三维荧光光谱(three-dimensional excitation emission matrix,3D-EEM)和红外光谱(Fourier transform infrared spectrometer,FTIR)分析胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)的组成和结构,采用扫描电子显微镜(scanning electron microscopy-energy dispersive spectrometry,SEM-EDS)测定污泥微观结构,利用高通量测序技术分析微生物群落结构的演变规律,揭示Al3+浓度对A20污泥性质的影响规律,为提高脱氮效率和促进污泥絮凝性能提供技术支持。结果表明:低浓度的Al3+(<10 mg/L)促进絮体聚集,提高了污泥活性和絮凝性,有利于COD、TN和氨氮的去除。当Al3+浓度为10 mg/L时,COD、TN和氨氮去除效率最高,分别为94.5%、86.7%和99.5%;污泥活性最强,厌氧区、缺氧区和好氧区脱氢酶活性分别为38.7、41.3和40.9 mg TF/(L·h),污泥硝化活性为12.12mg O2/g(MLSS)·h,重絮凝能力(flocculation ability,FA)分别为36.0%、45.0%和44.7%。当Al3+浓度为30 mg/L时,厌氧区、缺氧区和好氧区Zeta电位最高,分别为-18.2、-17.3和-25.4 mV。添加Al3+可促进松散结合型EPS(loosely bound EPS,LB-EPS)和紧密结合型EPS(tightly bound EPS,TB-EPS)的分泌,增加蛋白质(protein,PN)和多糖(polysaccharid,PS)浓度。当Al3+浓度为10 mg/L时,厌氧区、缺氧区和好氧区LB-EPS的PN/PS比值分别为6.3、10.7和1.9,TB-EPS的PN/PS比值分别为0.51、0.53和0.47。在未添加Al3+的情况下,LB-EPS和TB-EPS层中检测到类色氨酸荧光峰。当Al3+浓度为10 mg/L时,类富里酸和类色氨酸荧光峰开始出现。通过FTIR分析发现,Al3+的投加对LB-EPS和TB-EPS官能团结构的影响较小,但是改变了污泥的理化性质和物理结构。当Al3+浓度由0增加到10 mg/L时,污泥颗粒变得紧密,粗、中和细颗粒的共存更为明显,活性污泥的吸附位点增加。污泥主要为介孔结构,当Al3+浓度为10 mg/L时,厌氧区、缺氧区和好氧区污泥的比表面积最小(分别为5.0、7.1和9.8 m2/g),Al3+的加入代替了微生物中含有微量的原子半径较大的Fe3+。在厌氧、缺氧和好氧条件下污泥的微生物群落结构有一定的相似性。当Al3+浓度为0 mg/L时,好氧区和缺氧区相似度最高;当Al3+浓度为10 mg/L时,厌氧区和好氧区相似度最高;当Al3+浓度为40 mg/L时,厌氧区和缺氧区相似度最高,铝盐的加入直接影响微生物群落结构。变形菌门和拟杆菌门是优势菌门,β蛋白杆菌目和根瘤菌目为优势菌目,这些细菌在去除废水中污染物方面发挥重要作用。pH的改变显著影响EPS的组成成分,碱性条件比酸性条件更有利于COD、TN和氨氮的去除,较高和较低的pH均可以促进EPS、PN和PS的分泌,Al3+的存在可能刺激了微生物的生长,提高了微生物抗pH冲击的能力。