随着社会和工业的快速发展,越来越多的水体中出现不同浓度的铁锰离子。目前,它们在废水生物处理中的影响研究主要集中于活性污泥体系,而对生物膜系统的影响研究较少。生物膜法因其具有复杂的微生态系统、高有机负荷率和强抗冲击能力等诸多优势而获得广泛应用,胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances, EPS)作为微生物聚集体的重要组成部分,对保持生物膜微观结构和功能的完整性起着关键作用。水中不同浓度金属离子的存在可能会刺激微生物产生应激反应,短时间内改变胞外聚合物组分特性,使生物膜的微观形态结构发生明显变化,进而影响生物膜系统的传质性和稳定性。因此,本文通过自主设计固定床生物膜反应器(Fixed Bed Biofilm Reactor, FBBR),以金属离子Fe3+和Mn2+为研究对象,并结合扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)等技术手段,系统研究Fe3+和Mn2+对生物膜的微观形态结构、降解活性及其EPS组分的作用规律,探索生物膜及其EPS与Fe3+和Mn2+间的作用机制。研究结果表明：(1)采用间歇运行方式在FBBR中进行挂膜,反应器pH、DO、CODcr和NH3-N的监测结果表明,该设计能在PVC载体上成功培养出生物膜,反应器运行1 0天左右完成挂膜,挂膜期间反应器运行效果稳定,pH和DO分别保持在6.8～7.8和2-6mg/L, CODcr和NH3-N去除率可以分别稳定在80%和75%以上。镜检结果显示生物膜具有丰富的生物相,反应器呈现良好的挂膜效果。(2)Fe3+可以通过直接影响微生物生理或者间接影响EPS组分对生物膜的形成和活性产生重要作用。生物量和降解活性的结果显示,2 mg/L Fe3+有助于生物膜的形成,而16 mg/L Fe3+明显抑制了生物膜的生长和活性。扫描电镜结果显示16mg/L Fe3+使生物膜上丝状菌的数量明显减少,并刺激EPS的大量分泌。生物膜EPS组分分析表明,2 mg/L Fe3+有利于溶解性EPS(SEPS)和松散附着型EPS(LB-EPS)的增加并促进微生物的聚集,而16mg/L Fe3+会刺激紧密粘附型EPS (TB-EPS)的大量分泌,这为微生物提供保护层但也引起了生物膜的阻塞。FTIR和XPS结果显示铁离子对EPS中蛋白质(PN)的-CONH-、多糖(PS)的C-O以及核酸中的磷酸基团产生重要影响,并与EPS基团的碳原子或氧原子产生架桥作用。(3)Mn2+可以通过其营养学作用,Mn2+与EPS间的架桥作用以及含锰化合物作为载体和诱导核心的作用,促进生物膜形成,增强生物膜致密性,并加速生物膜成熟。在生物膜成熟期连续投加10mg/L Mn2+对一个周期内生物膜的降解活性影响很小,反应器CODcr和NH3-N去除率分别达到85.4±1.5%和76.3±1.9%。生物膜不同类型EPS含量的变化表明,Mn2+不仅能够促进生物膜产生更多的TB-EPS,保护微生物免受伤害,而且还会加速生物膜的成熟和提高生物膜去除有机物的稳定性。锰离子对EPS官能团的作用与铁离子类似,其会与EPS基团O=C或C-O中的氧原子产生架桥作用。