【摘 要】
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好氧颗粒污泥（aerobic granular sludge,AGS）技术是一种极具应用前景的污废水处理技术,它具有抗冲击负荷能力强、处理效果好、污泥产量少、运营成本低等极具诱惑的优势。但AGS技术同时也受形成时间冗长的缺点所制约,颗粒化过程也受氧传质、温度、p H值等因素所影响。硝酸盐作为一种广泛存在的常规水体污染物,其可能会对AGS的形成过程具有影响,但具体机理还鲜有报道。本文通过在五个序批式
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好氧颗粒污泥（aerobic granular sludge,AGS）技术是一种极具应用前景的污废水处理技术,它具有抗冲击负荷能力强、处理效果好、污泥产量少、运营成本低等极具诱惑的优势。但AGS技术同时也受形成时间冗长的缺点所制约,颗粒化过程也受氧传质、温度、p H值等因素所影响。硝酸盐作为一种广泛存在的常规水体污染物,其可能会对AGS的形成过程具有影响,但具体机理还鲜有报道。本文通过在五个序批式反应器（SBR）中投加梯度的低浓度硝酸盐,以探究低浓度硝酸盐对好氧污泥颗粒化进程的调控机制以及对微生物群落结构演替的影响。通过监测污泥颗粒化过程中进出水水质变化、AGS的粒径、表面形态、沉降性能、生物量、反硝化速率等生理生化指标,探究低浓度硝酸盐对污泥颗粒化进程的表观影响;通过对AGS的胞外聚合物（EPS）、环二鸟苷酸（c-di-GMP）、元素占比检测,探究低浓度硝酸盐影响污泥颗粒化进程的作用机理;最后通过分析AGS的微生物群落结构,探究低浓度硝酸盐对微生物群落演替的影响。通过对污泥颗粒化进程表观监测的结果表明:低浓度硝酸盐（0-20 mg/L）的投加对污泥颗粒化进程的影响有着两面性。一方面硝酸盐的投加能够促进污泥对有机质的累积,加速污泥颗粒化进程。并且形成的颗粒污泥具有良好的外观形态,颗粒表面更加光滑、形态规则,粒体较为密实,AGS表面主要以球状菌为主。但另一方面,硝酸盐持续的投加会使得无机质增长速度过快,导致形成的AGS中无机质含量偏高,颗粒失稳,颗粒形态发生剧烈变化,表面出现了大裂痕,反应器内剩下颗粒污泥的残骸和躯壳,沉降性能发生恶化,生物量流失。此外,由纯氨氮为氮源培养的颗粒形成为缓慢,但其体系内颗粒的粒径分布较为集中,AGS也更为密实,有着良好的沉降性能。在污染物去除能力方面,相比于以纯氨氮为氮源的培养条件,硝酸盐的投加可以迅速强化接种污泥的适应能力,并且可以提高反应体系的同步硝化反硝化速率,进而有助于提升且稳定整个体系的脱氮能力,即使在发生颗粒解体现象后反应体系的总氮去除效率也未受到影响。通过对低浓度硝酸盐影响污泥颗粒化进程的机理探究分析可得:硝酸盐的投加可以在污泥颗粒化的初期通过刺激c-di-GMP的分泌,来促进菌体EPS的合成和分泌,特别是对EPS中胞外蛋白的促进作用更为明显;同时通过对蛋白二级结构分析中发现,硝酸盐的投加在颗粒化初期也可以促进α-螺旋、β-折叠、3-转角螺旋等有利于聚集的蛋白结构分泌与合成,使得污泥的聚集性增强,从而加速污泥颗粒化进程。但硝酸盐的持续投加也可能会导致EPS分泌过多,容易堵塞颗粒表面的物质传输通道,使得颗粒内部的代谢所需物质缺乏,引起细菌死亡,从激光共聚焦显微镜（CLSM）也观察到AGS中心死细菌分布较多,使得颗粒内部发生水解、颗粒空洞,从而导致颗粒解体现象的发生;另外,硝酸盐的持续投加对有利于AGS结构稳定的β-多糖的合成分泌有抑制作用,同时还会促进无卷曲折叠和反平行β-折叠/聚合链等不利于聚集的结构增加,使得AGS稳定性较差,易于发生解体。此外,在未投加硝酸盐的条件下反硝化作用较低,反应器中存在足够的钙离子,因此钙化物的晶核作用明显,虽然颗粒化速度较慢但其形成的颗粒更为稳定。通过AGS样本的群落结构分析表明:在污泥颗粒化的过程中,未投加硝酸盐的颗粒污泥中微生物群落结构较为丰富,而投加硝酸盐的颗粒污泥中的微生物物种丰富度和多样性都会明显下降。硝酸盐的投加可以在AGS体系中获得更快的群落结构演替速率,使得有利于污泥颗粒化的菌株快速成为优势菌种,从而加速污泥颗粒化进程。同时,硝酸盐对nir型反硝化菌有着很好的促进作用,这既可以提升体系的反硝化脱氮能力,又可能会通过促进EPS产量来加速污泥颗粒化进程。另外,硝酸盐的投加对f＿＿A4b和g＿＿Leptothrix两株丝状菌的生长有着促进作用,这两株菌在污泥颗粒化前期会相互缠绕形成较为紧密的晶核来促进颗粒化;而在颗粒化后期会由于颗粒表面过多的EPS阻碍AGS的传质功能,使得位于颗粒核心的微生物发生死亡并会被具有细菌溶解功能的f＿＿Haliangiaceae的溶解,从而使颗粒内部发生松动,导致颗粒解体现象的发生。对体系进行功能预测后发现,硝酸盐对GDP-甘露糖脱氢酶、谷氨酸脱氢酶等能够调控EPS合成的相关酶具有着积极的促进作用。
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