复合式生物膜处理技术兼有生物膜和活性污泥的优点,是污水生物处理中有机物高效消减的主要技术之一,其启动进程、微生物的数量及生理生态特性对处理效果影响巨大。复合式生物膜启动阶段生物膜形成所需时间较长,并且形成的生物膜不稳定,导致系统抗冲击负荷能力下降,低温时这种现象尤为显著。在活性污泥或生物膜污水处理工艺中,温度低于15°C时处理效果明显下降,尤其是8°C~10°C之间的范围。北方大部分地区冬天水温会急剧下降,持续时间较长,冰冻期一般持续3~6个月。冬季的温度成为复合式生物膜处理工艺能否达标排放的关键因素。针对低温时反应系统启动阶段周期一般较长、生物膜不稳定容易脱落的现象,论文以序批式生物膜技术(sequencing batch biofilm reactor,SBBR)为依托,分析成熟处理体系中群体感应现象的作用,利用群体感应现象对生物膜的形成进行人为调控,并对低温条件下群体感应对SBBR系统的生物膜形成、生物膜相/活性污泥相微生物(以下简称两相微生物)的影响进行研究,以期达到揭示群体感应对细菌生理行为调控的目的,获得更稳定的基于群体感应的复合式生物膜处理技术调控方式,尤其为低温下的高效稳定运行提供技术支持。在SBBR系统运行参数及填料优化的基础上,运用数学统计手段,分析常温条件下(22±1°C)生物膜形成过程中酰基高丝氨酸(acyl-homoserine lactones,AHLs)的变化特征,考察内源性AHLs对两相微生物的影响,探讨群体感应与生物膜形成的相互作用规律,研究菌群结构与AHLs的相关性。结果表明,内源性AHLs与系统运行状态密切相关,系统进入稳定期时,AHLs浓度达到峰值(98.02±1.03 ng/L),此时生物量也达到最大值(生物膜量964±52μg/g填料,污泥浓度3 622±153 mg/L);AHLs类信号分子与系统中生物膜的形成相关性显著(相关性系数R2>0.95),起作用的信号分子确定为C6-HSL、C8-HSL、3-oxo-C12-HSL和C14-HSL;胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)总量及各组分的比例与群体感应作用有关,AHLs浓度与EPS含量在生物膜形成的活跃期正相关,除松散附着多糖((loosely bound,LB)-多糖)外,其他组分均与AHLs浓度呈指数相关;菌群结构随生物膜的形成发生变化,优势菌属在生物膜生长不同阶段与AHLs浓度密切相关,但附着态微生物与系统群体感应的相关性更明显。基于SBBR体系中群体感应作用的分析结果,利用分子生物学手段监测微生物生理生态变化,考察常温下(22±1°C)外源性AHLs对系统污染物去除特性和两相微生物特性的影响,分析投加不同浓度外源性AHLs时系统菌群结构及功能微生物的变化。结果表明,系统对外源性AHLs的响应与AHLs浓度不是单一的线性关系,表现为低浓度促进而高浓度抑制的现象。低浓度(5nmol/L和50 nmol/L)的AHLs可明显提高系统对污染物的去除效率,增加生物量(>11%),增强微生物活性(>20%);高浓度(500 nmol/L和1 000 nmol/L)的AHLs有较强的浓度依赖性抑制作用,会破坏系统的稳定,减少生物量(>10%),降低微生物活性(>22%)。外源性AHLs可显著调控系统中EPS的组分和细菌菌群结构,低浓度的AHLs会降低LB-EPS的含量,增加紧密粘附EPS((tightly bound,TB)-EPS)含量、促进群体感应相关细菌的生长;高浓度的AHLs会提高LB-EPS含量、减少TB-EPS含量,促进群体淬灭相关细菌的生长。硝化细菌(尤其是氨氧化细菌)对外源性AHLs具有非常积极的响应,低浓度的AHLs会提高氨氧化细菌含量,而高浓度的AHLs会抑制氨氧化细菌的生长,最终确定投加浓度为50 nmol/L时系统运行效果最佳。将利用群体感应人为调控生物膜形成的研究成果,应用于低温条件下(11±1°C,最高温度不超过14°C)SBBR系统的启动阶段,提出添加群体感应信号分子的方法来促进生物膜的形成并维持系统的稳定,考察外源性AHLs对系统污染物去除效能的影响,分析系统低温启动阶段生物膜、活性污泥特性的变化,研究外源性AHLs对低温系统菌群结构及功能菌的作用。结果表明,外源性AHLs的投加对生物活性的提升显著高于生物量,生物膜活性提高了36%以上,污泥活性提高了12%以上,而相应的生物量分别提高约20%和3%。生物活性的提高导致单位质量微生物对污染物的去除能力增强,提高了系统启动阶段的抗冲击负荷能力,加快生物膜形成,使挂膜启动时间缩短25%左右。系统负荷突然增大时,添加AHLs使得污染物去除率在2周内恢复到正常水平,抗冲击负荷能力较强。外源性AHLs通过刺激EPS的分泌、改变EPS组分的方式来促进微生物由悬浮生长向附着生长转变,加速生物膜的生长,同时增强污泥的沉降性和脱水性,从而提高低温启动期系统对污染物的去除效果,污染物去除率提高10%左右。低温条件下,系统的菌群多样性受AHLs的调控而降低,群体感应相关细菌的丰度增加;同时生物膜中群体感应相关细菌的丰度高于活性污泥中,说明此类细菌更适应附着生长方式;硝化过程更易受到AHLs的调控,加入AHLs后硝化细菌丰度显著增加。这一发现为研究AHLs类信号分子对硝化细菌的调控作用提供了新的研究思路。