活性污泥法是广泛应用于废水污染控制中的一种生物处理方法,随着活性污泥法的发展,活性污泥的性质和功能化对废水处理过程的影响越来越显著。活性污泥性质、功能识别和分离对于研究活性污泥法的运行都具有重要意义。深入理解活性污泥性质和功能有助于实现污泥分质利用和管理,从而提高活性污泥的水处理效率。因此,非常有必要针对活性污泥的异质性、微生物衰退/功能分布及其应用原理进行研究。为了探索好氧生物处理过程中的活性污泥及微生物的性质/功能变化以及实现基于污泥性质/功能的选择性分离技术的可行性,本文进行了以下研究:首先提出了微生物类凋亡衰退染色及衰退程度的评价方法,通过富集筛选的方法分离得到降解焦化废水中关键污染物苯酚的两株微生物Ochrobactrum sp.和Micrococcus sp.,将其作为模式菌提出了污泥中微生物的类凋亡衰退概念,并创建了以荧光染色及流式细胞术为主的污泥中微生物类凋亡细胞分布的检测方法。其次,为了研究污泥性质在重力场和流体场中的分布,通过重力场及流体场分离焦化废水好氧活性污泥得到性质差异化的样本,通过分析和表征所分离得到的不同污泥样本的污泥体积指数(SVI)、粒径分布、胞外聚合物(EPS)中蛋白多糖组成、污泥比耗氧速率及脱氢酶活、类凋亡衰退程度、微生物群落结构以及微生物功能预测,证明了基于重力场的污泥异质性存在。最后,在污泥异质性研究的基础上,通过计算流体力学(CFD)的方法探究流体力场对不同性质活性污泥的选择分离作用。在流化床分离区的特定深度区域进行了相分布的数值模拟,分析了从特定区域内排出混合液来实现选择性排泥控制的可行性,选择性排泥策略对活性污泥系统处理效率的提高具有重要意义。上述研究工作的主要结论如下:1.通过探索Annexin-V-FITC用于细菌细胞类凋亡染色的可行性实验验证,发现染色过程的屏障在于细菌细胞壁的孔径对AVF分子存在的空间位阻作用,提出了通过乙醇+溶菌酶处理联合AVF染色的微生物类凋亡衰退评价方法。同时发现,微生物或污泥的类凋亡衰退,采用上述染色法结合流式细胞术用于实际污泥衰退的评价也具备有效性。2.发现了污泥聚集能力的异质性、微生物衰退和功能异化分布于重力场的沉降过程中,慢速沉降污泥可能是由快速沉降污泥或中速沉降污泥衰退形成。(1)针对重力沉降分离得到的三种不同沉降速率(<5 m/h,5 m/h-10 m/h,>10 m/h)的污泥S,M及F的平均粒径及SVI差异产生原因,进行了EPS分布组成、污泥活性、污泥表面性质、微粒间的相互作用的实验表征和计算,发现快速沉降泥由于其EPS中具有的高蛋白质/多糖,使得絮体疏水性更强,被水结合的能力弱于粒径小沉降慢的污泥;同时快速沉降泥的微粒间内部相互作用势能相对于慢速沉降泥表现出更强的聚集作用,因此表现出更弱的水结合能力以及更大的粒径,从而导致了污泥的沉降快和结构紧实的特点。实验结果证明了污泥的聚集性分布于重力场中。(2)发现了污泥的污染物去除能力及活性分布于不同沉降速率的污泥絮体中,针对污泥中微生物的生理状态和功能分布,对重力场分离的污泥进行了类凋亡衰退程度分析和微生物群落结构分析。结果发现,慢速沉降泥中微生物类凋亡衰退细胞分布(apopotosis-like decayed cells distribution,ALDCD)达到19.52%,而快速沉降泥泥的ALDCD仅有16.88%;同时,三种重力分离污泥的微生物群落多样性表明:中速沉降泥的微生物分布是快速沉降泥向慢速沉降泥中微生物分布的过渡,污染物的降解和生物氧化高度相关的功能OTUs(operational taxonomic units)在快速沉降泥中的相对丰度比其他污泥高出2.0%-31.6%。类凋亡衰退程度的差异以及微生物群落结构的过渡性分布证实了慢速沉降泥是相对衰退和功能退化的污泥,而快速沉降泥则是相对成熟和高效降解功能的污泥。通过重力场分离得到的污泥在空间上的分布和污泥中微生物衰退、群落结构和功能的分布关系相对应。3.流化床反应器流体力场可以实现活性污泥的性质分离,提高废水处理效率。(1)发现流化床分离区不同深度的污泥的活性、粒径分布、SVI等污泥性质存在异质性。根据污泥粒径的分布,将反应器内污泥假定为仅含三种粒径分布(10.56-81.42μm,81.42-104.63μm和104.63-257.94μm)的组成污泥(a,b,c),并提出取样污泥用组成污泥表示的比例矩阵;而针对污泥活性的差异分布,进行了类凋亡衰退及微生物群落分析,发现了流化床表层污泥的ALDCD在分离区污泥中的占比最高;同时焦化废水关键功能微生物在分离区深层污泥中分布的丰度显著高于分离区表层污泥中相应微生物丰度;微生物群落组成和功能预测证明靠近分离区顶部的污泥已经不再适应焦化废水好氧生物降解的环境,是局部腐坏衰退和功能退化的污泥,应当优先排出。(2)在污泥异质性及微生物衰退在物理场中差异化分布研究的基础上,进行了反应器中实现衰退污泥选择性分离的可行性探索。以前述a,b,c三类组成污泥为计算的固体对象,CFD数值模拟发现在流化床分离区内部存在局部空间处小粒径污泥的相对富集,与旋流分离器联用可以达到小粒径污泥的选择性分离。在恒定SV30的工况控制下评估选择性排泥策略的影响发现,总污泥活性和总污泥浓度将分别提高4.48%和4.77%,与传统无选择性地排泥相比,系统中总的污泥处理污染物的能力将提高9.47%,说明通过污泥的管理可以显著提高反应器的污水处理效率。活性污泥中的微生物对于活性污泥法的废水生物处理过程具有重要影响,随着废水组成的复杂化发展,未来的活性污泥法应当关注活性污泥性质及其中微生物的衰退和功能的变化,通过污泥性质差异实现高活性及功能化的污泥分质管理,从而有效提高污水生物处理效率。