【摘要】：膜生物反應(yīng)器(Membrane bioreactor,MBR)工藝從成熟到推廣應(yīng)用已經(jīng)歷了25年的時(shí)間,但膜污染問(wèn)題卻一直難以解決,并阻礙著該技術(shù)的發(fā)展。在微生物研究領(lǐng)域,微生物群體感應(yīng)的概念幾乎與MBR工藝于同一時(shí)間被提出,并同時(shí)經(jīng)歷了快速的發(fā)展。微生物群體感應(yīng)即細(xì)菌通過(guò)分泌信號(hào)分子(如酰基高絲氨酸內(nèi)酯,Acyl homoserine lactone,AHL),并檢測(cè)其濃度來(lái)感知菌群密度,進(jìn)而觸發(fā)一系列群體行為(如致病性、發(fā)光、抗生素分泌和生物膜形成等)。此前,群體感應(yīng)的研究主要集中在微生物領(lǐng)域,近年來(lái)一些關(guān)于水處理工藝中群體感應(yīng)的報(bào)道也相繼出現(xiàn),并有研究通過(guò)抑制MBR中的微生物群體感應(yīng)(即群體感應(yīng)猝滅)取得了良好的膜污染控制效果。這為膜污染控制提供了一條新思路。但關(guān)于MBR中的群體感應(yīng)及其猝滅的研究尚處于探索階段。MBR的運(yùn)行參數(shù)(如污泥停留時(shí)間,Solid retention time,SRT)對(duì)反應(yīng)器中群體感應(yīng)的影響尚未被深入探討,已報(bào)道的群體感應(yīng)猝滅措施過(guò)于復(fù)雜且其穩(wěn)定性也有待加強(qiáng),此外基于群體感應(yīng)猝滅的膜污染控制措施對(duì)MBR除污染效能的影響也尚未被仔細(xì)考察過(guò)。本論文擬針對(duì)上述問(wèn)題展開研究,以期獲得對(duì)MBR中群體感應(yīng)及群體感應(yīng)猝滅更深入、全面的了解,并開發(fā)出更簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的基于群體感應(yīng)猝滅的膜污染控制措施。論文首先考察了不同SRT下MBR中的群體感應(yīng)及膜污染情況。結(jié)果表明,SRT在4-40天范圍內(nèi),隨著SRT的增大,MBR中的群體感應(yīng)猝滅菌(AHL降解菌)豐度增大,群體感應(yīng)菌(AHL生成菌)豐度減小。MBR中的活性污泥對(duì)AHL的降解效能隨SRT的增大而增強(qiáng),因此,MBR中AHL濃度隨SRT增大而減小。MBR中胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)及溶解性微生物產(chǎn)物(Soluble microbial products,SMP)濃度隨SRT增大而減小。在長(zhǎng)SRT下,由于更弱的群體感應(yīng)(生物污染)及更少的EPS和SMP(有機(jī)污染),MBR中膜污染更輕。以上結(jié)果同時(shí)也證明了MBR中存在群體感應(yīng),且其與MBR中的膜污染密切相關(guān)。參考馬鈴薯培植中為控制黑脛病而采取的群體感應(yīng)抑制手段,論文提出了MBR中原位刺激群體感應(yīng)猝滅菌的措施,考察了其對(duì)膜污染的控制效果。群體感應(yīng)猝滅菌的刺激物——γ-己內(nèi)酯(Gamma-caprolactone,GCL),能夠有效地富集活性污泥中的群體感應(yīng)猝滅菌,其中最主要的功能細(xì)菌為Rhodococcus。GCL富集菌能有效地降解AHL,其主要通過(guò)Rhodococcus的qsdA酶將AHL中的內(nèi)酯環(huán)水解以實(shí)現(xiàn)AHL降解。向MBR中投加GCL富集菌后再連續(xù)投加GCL(生物刺激措施)能夠有效維持反應(yīng)器中AHL降解基因qsdA的含量,降低反應(yīng)器中信號(hào)分子C8-HSL的濃度,從而抑制EPS的分泌,進(jìn)而減輕微生物在膜表面的粘附,最終持久有效地控制膜污染。已有研究報(bào)道亞硝化單胞菌(Nitrosomonas europaea)能夠分泌AHL,且其亞硝化活性受到群體感應(yīng)的影響。但以前的報(bào)道及本論文中的研究都表明常規(guī)條件下微生物群體感應(yīng)猝滅不會(huì)影響MBR中的硝化。為進(jìn)一步考察MBR中群體感應(yīng)猝滅措施的適用條件,論文研究了當(dāng)處于不利于硝化的情況下(短水力停留時(shí)間、存在硝化抑制劑(烯丙基硫脲、甲醇、乙腈)及低溫(10℃)),該措施對(duì)硝化作用的影響。結(jié)果表明,微生物群體感應(yīng)猝滅措施在以上條件下仍能夠很好地控制膜污染,但會(huì)使硝化變得更為脆弱。在以上不利條件下,采用了微生物群體感應(yīng)猝滅措施的MBR中的硝化作用更易受到影響或沖擊,其出水氨氮更易超標(biāo)。因此,為保證出水氨氮濃度達(dá)標(biāo),采用群體感應(yīng)猝滅措施的MBR適于在較長(zhǎng)水力停留時(shí)間(如6h)、進(jìn)水中硝化抑制劑較少且溫度較適宜的情況下運(yùn)行。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X703
【圖文】：

后：萬(wàn)噸每天處理量的大型 MBR 實(shí)際工程。 在中國(guó)的應(yīng)用也已名列前茅，其規(guī)模也越來(lái)越大，水廠規(guī)模在國(guó)際上已處于領(lǐng)先水平。中國(guó)區(qū)域性缺理排放標(biāo)準(zhǔn)（污水廠標(biāo)準(zhǔn) GB/T18918-2002、再生水標(biāo)標(biāo)準(zhǔn) GB/T18920-2002、景觀環(huán)境用水標(biāo)準(zhǔn) GB/T18B/T19772-2005、工業(yè)用水水質(zhì) GB/T19923-2005、007），不斷惡化的水體環(huán)境，及城市發(fā)展對(duì)污水處 MBR 工藝在中國(guó)的迅速發(fā)展。此外，中國(guó)的膜市巨大優(yōu)勢(shì)。方面，MBR 技術(shù)也吸引了大量的科研人員及大量us 對(duì) 1990 年以來(lái)發(fā)表的以 MBR 污水處理為主題的關(guān)于這一主題文章的趨勢(shì)如圖 1-1 所示。直至 2主題的文章4483篇，從1990年開始即呈逐年遞增的鍵詞中“膜污染”出現(xiàn)的頻次為 628 次，為出現(xiàn)次數(shù)

圖 1-3 群體感應(yīng)及 MBR 的發(fā)展（MBR：膜生物反應(yīng)器；AHL：信號(hào)分子；QS：群體感應(yīng)；AI2：第二類信號(hào)分子）Fig. 1-3 Development of quorum sensing and MBR (MBR: membrane bioreactor, AHL: acylhomoserine lactone, QS: quorum sensing, AI2: autoinducer 2)但以上 MBR 中的微生物群體感應(yīng)猝滅技術(shù)仍需要復(fù)雜的固定化前處理，這限制了它的工程應(yīng)用。此外，微生物群體感應(yīng)猝滅技術(shù)用于 MBR 中膜污染控制剛被提出來(lái)不久，其仍處于起步探索階段，仍存在很多問(wèn)題有待研究與探討。1.4 課題的研究目的及主要研究?jī)?nèi)容1.4.1 課題的研究目的MBR 技術(shù)從成熟到廣泛應(yīng)用已有 25 年的時(shí)間，但膜污染依舊是阻礙其發(fā)展最主要的問(wèn)題。微生物群體感應(yīng)機(jī)理的出現(xiàn)及其與生物膜形成之間的關(guān)系為膜污染控制提供了新的思路。近年來(lái)，雖已有一些研究對(duì)水處理工藝中的群體感應(yīng)進(jìn)行了探討，并有研究采用群體感應(yīng)猝滅措施獲得了良好的膜污染控制效果。但關(guān)

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