难降解废水处理中生物填料快速成膜方法研究

Slow biofilm formation on biocarriers is a key technical challenge of biofilm process when treating refractory wastewater. Focusing on the limiting step of initial adhesion and colonization of microorganisms, this study is to systematically investigate the mechanism of biofilm formation on biocarrier surfaces under complex conditions of engineered carrier properties, typical wastewater qualities including actual and synthetic wastewater, and microbial community structures, by a comprehensive application of quartz crystal microbalance detection, high-throughput sequencing and analysis of interfacial characteristics, on the basis of the success of our previous exploring experiments. Both the single factor and response surface experimental designs will be employed. Afterwards, this study is to further study the role of macromolecule adlayer on microorganism attachment, its intervention mechanism and the way it influences, and explore the constraints for rapid biofilm formation and intrinsic scientific principles referring to the associated interface effect force and modes of actions. Finally, based on the above results, technical methods for promoting rapid biofilm formation on biocarriers via enhancing microorganism-related interface interaction, are to be developed.

针对生物膜工艺处理难降解废水填料挂膜缓慢的关键技术难题，项目组聚焦填料表面微生物的初始附着和定殖这一限制性步骤，在前期成功探索性实验的基础上，综合运用石英晶体微天平检测、微生物高通量测序以及界面特性分析与表征方法，采用单因素实验和响应面法，系统研究工程化填料性质、典型废水(实际及模拟废水)水质、微生物种群结构复合条件下填料表面成膜机理，深入研究微生物附着过程中大分子粘附形成薄膜所起的作用、介入机制和产生影响的方式，探究制约生物膜快速形成的条件及内在科学原理(各关联界面效应力及其作用方式)，并基于以上研究结果，研发有效的增强微生物关联界面作用从而促进填料快速成膜的技术方法。

项目针对生物膜工艺处理难降解废水启动缓慢的关键技术难题，建立了难降解废水大分子成膜的快速量化评价方法，突破填料表面微观成膜机理研究的检测技术瓶颈；发现大分子成膜中离子强度影响下钙离子的“低促高抑”效应，揭示大分子成膜中压缩双电层作用及非DLVO过程(如氢键作用、对流作用等)的综合影响规律；揭示初始成膜过渡态中大分子薄膜-微生物间负向反馈调节机制，提出强化界面补偿效应(附着力和微生物空间占位)以加快难降解废水在填料表面快速成膜的创新思路；发明并验证化学法(钙离子和低浓度鼠李糖脂)和生物法(外源信号分子)增强填料表面快速成膜的新方法。.项目执行期内负责人新增主持1项国家自然科学基金面上基金项目，发表IF>3.0的SCI论文13篇，其中项目负责人为第一或唯一通讯作者论文10篇（含环境领域权威期刊Water Research论文1篇）；以第一发明人申请发明专利7项（含美国2项），获授权3项，专利成果在两家环保企业的多项工程获得应用，获南京市优秀发明专利奖1项；指导4名硕士生、4名本科生(其中3人获研究生国家奖学金)；受邀在国家自然科学基金委第七届环境工程青年论坛、第十届全国环境化学大会分会场做报告交流。.项目圆满完成了合同规定的指标和任务，并在贯通废水处理生物膜法“理论-技术-应用”的创新链方面显现特色，取得了系列创新成果，为生物膜法处理难降解废水快速启动和高效稳定运行提供了新的理论指导、技术支撑和应用示范，有力提升我国污水处理大范围提标提负荷改造中生物膜法应用的技术水平和核心竞争力。