典型废水处理生物膜可逆粘附过程群感效应及其强化成膜研究

The biofilm process is widely used in upgrading and reconstruction as well as load improvement in wastewater treatment plants, but the tardiness and even starting failure of wastewater treatment biofilm process are well-known engineering technical difficulties. This study is concerned with the essential rate-limiting step of wastewater treatment biofilm forming, i.e., microbial reversible adhesion. According to current research data and previous experimental studies, based on practical engineering carriers and non-biodegradable organic industrial wastewater, the reversible adhesion behavior of typical wastewater treatment microbes on carrier surface will be investigated using ultrasound time domain reflection (UTDR) and other nondestructive on-line monitoring technologies, and the microbial reversible adhesion process will be defined based on the characteristic factors of biofilm on temporal scale. The factors that significantly affect microbial reversible adhesion will be obtained by single factor test and orthogonal test. Based on established signal molecular analysis technology and according to the analysis of microbial population structure of typical wastewater, the intervention mechanism and influencing pathway of signal molecular and quorum microorganism to reversible adhesion biofilm forming will be extensively studied, and the inner scientific principle restricting microbial from reversible adhesion to irreversible adhesion will be explored. In addition, based on the abovementioned results, effective methods that shorten microbial reversible adhesion based on quorum sensing and enhance biofilm forming on carrier surface will be developed to provide novel technical methods for efficient rapid starting of wastewater treatment via biofilm process.

生物膜工艺广泛应用于废水处理厂提标及提升负荷改造中，但废水处理生物膜工艺启动缓慢、甚至失败是普遍面临的工程技术难题，本项目重点关注废水处理生物膜挂膜的关键限速步骤—微生物可逆粘附过程。根据目前的研究资料及前期的实验基础，基于实际工程填料和难降解有机工业废水，利用超声时域反射技术及其他无损监测技术，研究典型废水处理微生物在填料表面的可逆粘附行为，在时间范畴上基于生物膜特征因子界定微生物可逆粘附过程；基于单因素及正交实验获取对微生物可逆粘度的显著影响因子；在构建的信号分子分析技术基础上，通过解析典型废水群感微生物种群结构，深入研究信号分子、群感微生物对可逆粘附成膜的介入机制和产生影响方式，探索环境因子制约微生物由可逆粘附转向不可逆粘附的内在科学原理，并基于上述研究结果，研发有效基于群感效应缩短微生物可逆粘附过程，从而促进填料表面成膜的方法，以期为生物膜法处理废水有效快速启动提供新的技术方法。

微生物可逆粘附阶段是生物膜形成的限速及决定步骤，是决定生物膜工艺启动的关键阶段。本项目聚焦微生物在工程化填料上可逆粘附过程中群感效应及其强化成膜作用机制，重点研究结果如下：. 1、界定了生物膜可逆粘附过程。构建了典型废水处理微生物可逆粘附过程的监测方法，基于超声及阻抗监测原理在时间尺度上界定了微生物的可逆粘附过程。系统解析了不同废水处理厂微生物在填料表面的可逆粘附过程，首次揭示了废水处理系统微生物在填料表面形成生物膜的可逆粘附时间在8.85±1.53到17.06±0.64小时之间，揭示了水质参数及环境因子对微生物可逆粘附的影响机理，阐明了微生物可逆粘附阶段决定了生物膜反应器的有效启动。. 2、明晰了可逆逆粘附阶段群感效应机制。系统开发了机器学习识别群体感应微生物、非靶向分析方法获取了活性污泥中典型高丝氨酸内酯类信号分子的方法，揭示了微生物在可逆粘附阶段群感信号分子的分布特征，阐明了群体感应细菌通过加强微生物之间的交流合作，促进了其在填料表面达到不可逆粘附过程。生物膜可逆粘附阶段，微生物之间的相互作用以正作用为主导，比例达70.67%-92.80%；拓扑结构关键OTU丰度较低(0.02%-6.78%)，但对于构建生物膜群落、维持生物膜群落稳定性至关重要。微生物的可逆粘附过程除了受高丰度OTU影响外，网络拓扑结构中的低丰度群感功能微生物起至关重要作用。. 3、构建了强化可逆粘附过程技术方法。不同污水生物处理系统中功能群体感应信号分子的种类及阈值差别显著，浓度在10ng/L-10μg/L之间，且同一生物处理系统中不同群感信号分子的作用阈值差别显著，浓度差异性可达1000倍。低浓度的AHLs(10ng/L-10μg/L)可显著缩短微生物的可逆粘附时间，但是高浓度的AHLs（100μg/L-1mg/L）则对微生物的初始粘附具有显著抑制作用。选择合适的群感信号分子种类及其浓度可显著提升生物粘附量达2.7倍以上，有效提升生物膜反应器的启动时间和对典型污染物的削减能力。