生物硝化受抑制与恢复过程中的硝化菌群结构演变分析与调控策略研究

城市污水厂或工业废水处理厂在进水毒物冲击负荷下，生物硝化活性会受到严重抑制且短期难以恢复，成为困扰污水厂运行管理的难题。以往的研究主要集中在各种抑制剂对硝化效果及代谢活性的影响，而对抑制与恢复阶段微生物生态学机理研究较少。本研究利用实时定量PCR技术、荧光原位杂交技术（FISH）等分子生物学手段，对生物硝化活性受抑制与恢复的不同阶段，硝化主要功能菌群进行克隆测序、定量分析和比较, 原位观察菌种的空间分布，对微生物种群结构进行相似性和聚类分析。分析硝化活性受抑制与恢复不同阶段的硝化菌种群结构的演替规律、硝化反应动力学变化、硝化效果的差异及其三者之间相互作用关系，依据微生物生态学理论揭示硝化活性受抑制与恢复的机理。研究投加生物促进剂结合硝化菌强化增长工艺及运行参数优化控制技术对硝化能力恢复的促进作用，提出硝化能力快速恢复的综合调控策略。研究成果对于污水厂生物脱氮稳定达标具有重要意义。

许多城市污水厂或工业废水处理厂，在进水毒物冲击负荷下或其他不利条件下，活性污泥活性和生物硝化活性会受到严重抑制且短期难以恢复，成为困扰污水厂运行管理的难题。本研究以废水处理生物硝化系统为试验研究对象，研究生物硝化正常—受抑制—能力恢复的完整周期内，污泥中微生物种群结构的演替规律、硝化反应动力学变化、硝化效果差异及其三者之间的相互作用关系；研究促进硝化能力恢复的关键技术。本研究的结果对于污水处理厂脱氮工艺的稳定运行具有重要理论意义与指导价值的研究成果。本项目研究涉及的有毒物质和不利条件包括：高氨氮浓度，典型重金属（Cr、Cu和Cd）负荷，和低温环境。. 研究发现高自由氨浓度可以抑制活性污泥活性和硝化效果，该过程中pH和碱度是决定抑制程度的关键。. 重金属在活性污泥分为溶解态、可洗脱吸附态和不可洗脱吸附态，其中不可洗脱吸附态是产生毒性作用的关键。研究发现在不同反应器中(静态试验、SBR、A/O)典型重金属（Cr、Cu和Cd）不同的冲击模式中毒性效应不同，通过测试系统的硝化效果、硝酸盐（包括亚硝酸盐和硝酸盐）产生速率、比耗氧速率（SOUR）等变化，建立硝化抑制反应动力学模型，揭示硝化能力受抑制与自然恢复过程中硝化反应动力学与硝化活性变化规律。. 通过荧光原位杂交（FISH）技术、变性梯度凝胶电泳（DGGE）、Illumina高通量测序分析技术、利用实时定量PCR技术的分析，揭示了活性污泥活性和硝化反应受抑制与恢复过程中主要功能菌群群落结构演替规律和功能基因表达，探讨了反应器内微生物种群多样性的演替规律及其与硝化效果之间的相互关系。. 探索了回流污泥旁路强化A/O反应系统的工艺运行方式及其对硝化活性恢复的效能；研究回流污泥旁路强化反应系统的微生物特点及其和生物活性的关系。研究发现回流污泥旁路工艺在低温下有利于硝化过程。研制了可以促进受抑制的硝化能力快速恢复的促进剂配方，并筛选最佳的硝化菌生长促进剂种类、投加量以及投加方式。. 针对低温不利环境，采用了高通量测序技术研究了实验室内和某实际污水处理厂的A2/O处理工艺中微生物群落特点，分析了微生物机构与污泥活性和污泥膨胀的关系。发现微生物结构变化是活性污泥活性变化和污泥膨胀的主要原因。