【摘要】： 生物處理是目前水污染控制的主要技術手段。在廢水處理反應器中起重要作用的微生物通常以絮體污泥、生物膜和顆粒污泥三種聚集體的形式存在。這些微生物聚集體的形態(tài)、結構、功能、特性影響并決定著廢水生物處理系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性、處理效率和出水水質。另一方面,微生物聚集體的形成過程卻極為復雜,不僅形成過程時間長,而且影響因素眾多。因此,對微生物聚集體的相互作用以及形成機制的研究是十分必要的。本論文基于大量的試驗研究結果和DLVO理論的拓展應用,系統(tǒng)研究了廢水處理反應器中微生物聚集體的表面特性、相互作用以及形成機制,深入探討了微生物胞外多聚物EPS在微生物相互作用中的作用機制,并成功構建了微觀尺度下微生物聚集體的三維模型。主要研究內容和研究成果如下: 1.基于表面熱力學分析所反映的微生物表面性質的差異,以一株產氫光合細菌(Rhodopseudomonas acidophila)為對象,建立了利用DLVO理論來解析與預測微生物之間的吸附與絮凝行為的理論方法,并探索了導致細菌絮凝性能變化的本質原因。在0.1 mol L~(-1)電解質濃度下以及pH約為7.0時候,體系具有最優(yōu)的絮凝性能;Ca~(2+)的加入可以有效地提高體系菌液的絮凝性能;EPS對體系絮凝性能的變化影響很大;導致光合細菌絮凝性能較差的主要原因是光合細菌自身特殊的表面性質,即較小的Hamaker常數(shù)值(2.27×10~(-23)J)與正的界面吸附自由能(21.75 mJ m~(-2))。 2.通過對真氧產堿桿菌(Ralstonia eutropha)生長周期的研究,成功地對微生物生長周期中表面特性以及絮凝性能的變化進行了定量表征。在生長周期中真氧產堿桿菌的水接觸角與甲酰胺接觸角在24 h內迅速下降,其疏水性在對數(shù)生長期內迅速降低;細菌表面張力中非極性作用項與極性作用項的比值(γ_B~(LW)/γ_B~(AB))在生長周期中先迅速下降,隨之維持在一個較低的水平,這說明在生長周期中細菌表面由疏水性為主變?yōu)橐杂H水性為主,從而導致在培養(yǎng)過程中細菌的穩(wěn)定性逐漸升高;Lewis酸-堿水合作用項在整個培養(yǎng)過程中對總位能貢獻由最初的吸附轉變?yōu)榕懦馐菍е麦w系穩(wěn)定性變化的主要因素。 3.通過對真氧產堿桿菌不同生長條件的優(yōu)化分析,提出了一種能夠快速、有效地定性預測不同底物狀態(tài)下細菌絮凝性能大小的新方法。在30 g/L葡萄糖為底物、初始pH約為8.0的較優(yōu)生長條件下,R.eutropha的生長快速,絮凝性能良好,合成PHAs的量也較多;而在其他條件下,真氧產堿桿菌的生長反而出現(xiàn)抑制現(xiàn)象;同時,在不同底物類型下細菌具有不同的斥力勢壘水準,其絮凝性能的大小可以通過預測其斥力勢壘的高低來判斷。 4.利用快速、靈敏、選擇性高的三維熒光光譜方法,表征了好氧活性污泥與厭氧產甲烷污泥EPS的特性。好氧污泥中存在兩個熒光峰,位置分別在280-285/340-350 nm和340-350/430-450 nm處,分別對應于蛋白與NADH的特征吸收峰;而在厭氧產甲烷污泥中除去出現(xiàn)蛋白特征吸收峰外,還在Ex/Em=400-410/465-475 nm處出現(xiàn)輔酶F_(420)特征吸收峰,它是產甲烷菌所特有的物質;兩種EPS的三維熒光光譜參數(shù)(如峰位置、峰強度、不同峰強度比)都有所不同,說明了兩者在成分和結構上的差異性。 5.通過好氧和厭氧污泥表面EPS的提取實驗,觀察到污泥絮凝性能的變化。研究結果表明:無論是松散結合EPS(Loosely bound EPS,LB-EPS)還是緊密結合EPS(Tightly bound EPS,TB-EPS)都對污泥絮凝性能有著有益的貢獻,且隨著EPS的不斷剝離,污泥的絮凝性能逐漸變差。以DLVO理論為基礎構建了定量表征EPS在微生物相互作用中作用機制的新方法,利用該方法對試驗數(shù)據(jù)的解析結果表明,在活性污泥中TB-EPS對于微生物的絮凝性能變化的貢獻較大。 6.成功建立了微觀尺度下微生物聚集體的三維全局優(yōu)化模型,并利用建立的模型優(yōu)化了微生物聚集體數(shù)目從3增加到100所有的穩(wěn)定最優(yōu)構型。該方法是基于分子力學手段,將DLVO理論作為優(yōu)化體系的勢能函數(shù),從而利用全局優(yōu)化算法建立三維構型的優(yōu)化模型。通過對構型結果的分析,提出了微生物聚集體生長的模型,即微生物粒子以一種多層分布的結構聚集在一起,從外部來看,聚集體結構呈現(xiàn)一種近似球形的分布。
【圖文】：

從而達到凈化污水的目的[7]。微生物附著在介質“濾料”表面進行生長與繁殖[2]。微生物膜主要是由細菌(好氧、厭氧、兼性)、真菌、藻類、原生動物、后生動物以及一些肉眼可見的蠕蟲等組成，其厚度約為 2mm，其形態(tài)如圖1一1所示。圖1一1生物膜形態(tài)的SEM照片生物膜形成大致經(jīng)過如下過程。初期當污水流過濾床時，一部分污水、污染物和細菌附著在濾料表面上，微生物便在濾料表面大量繁殖，不久，形成一層充滿微生物的粘膜，成為生物膜，這個階段通常叫“掛壁”。隨著微生物的不斷繁殖，生物膜逐漸增厚，當超過一定厚度時，，吸附的有機物在傳遞到生物膜內層的微生物以前就已經(jīng)被代謝掉。此時，內層的一些微生物因得不到充分的營養(yǎng)而進入內源代謝，失去其粘附在濾料上的性能，脫落下來隨水流出濾池，而濾料表面再重新長出新的生物膜。 :21.3顆粒污泥顆粒污泥又分為好氧顆粒污泥和厭氧顆粒污泥，通常產生于序批式反應器(sBR)[8]和上流式厭氧污泥床反應器(uAsB)[9]中。與結構松散、不規(guī)則的傳統(tǒng)絮狀污泥相比

在活性污泥絮凝作用中所起到的作用機制進行定量描述。4.2.2好氧和厭氧污泥好氧污泥從合肥王小鄖污水處理廠的氧化溝(圖4一2)中取得;厭氧產甲烷污泥從豐原生化公司的上流式厭氧污泥床反應器中取得(圖4一3)。珊珊 珊撇撇擴擴圖4一2合肥王小鄭污水處理廠氧化溝圖4一3豐原生化上流式厭氧污泥床反應器 4.2.3EPS提取及成分分析好氧污泥和厭氧污泥的LB一EPS采用物理振蕩與超聲結合的方法提取，采用wingende:等[9，‘“]]報道的方法。對于污泥樣品，首先經(jīng)過3000印m離心 15min，然后再用 100mmolL一‘NaCI溶液洗滌兩次，之后將污泥重新懸浮至一定體積，并轉移至一提取容器中，放入玻璃珠若干，在超聲儀中超聲 2min，隨之置于搖床上150印m水平振蕩 10min
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2008
【分類號】：X703

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本文編號：2636143