低强度超声波辐照可提高微生物活性,促进污水生物处理效率,因而被认为是一项很有发展前景的新技术。厌氧生物处理低浓度污水存在一些急需解决的问题,例如:在低温下厌氧微生物生长慢,对基质的降解速率低;由于产气量小,导致固液传质效率低;产甲烷菌的生存条件苛刻,反应器的启动周期长。研究表明:低强度超声波辐照技术能促进微生物代谢过程中酶与底物的接触,并能改变酶分子的构象以增加酶的生物活性,因而可以显著提高生物活性从而强化污水生物处理。因此,论文研究了频率为20 kHz的低强度超声波辐照作用下,不同的超声参数对促进厌氧污泥活性的效果;考察了周期性低强度超声波辐照对反应器内厌氧污泥生物活性的影响,阐明了低强度超声波辐照污泥提高污水有机物降解效率的作用机制;借助分子生物学手段,揭示了低强度超声波辐照对污泥微生物群落结构的影响。其主要研究内容及结果如下:首先,通过小试试验,以厌氧折流板反应器(Anaerobic Baffled Reactor,ABR)工艺中的厌氧污泥为研究对象,采用辅酶F420及脱氢酶活性为表征,研究了厌氧污泥在超声波输入功率密度为0.02~0.4 W/mL、辐照时间0~60 min处理后活性的变化。研究发现,超声波辐照优化参数对不同特性污泥的促进均有一个比较窄的适用范围,合适强度的超声波辐照能够强化厌氧污泥的初期吸附能力,并对污水厌氧生物处理降解有机物有明显的促进作用。对不同性质的厌氧污泥进行超声波辐照研究,发现辐照污泥浓度达到40 g/L时会提高混合液空化阈值从而减弱强化效果,低底物浓度比高底物浓度更有利于提高厌氧污泥的活性,但当底物浓度低于200 mg/L时,会削弱污泥活性强化效果,超声过程中的间歇搅拌能够提高厌氧污泥辐照效果。在前期优化试验的基础上,采用两组自制ABR工艺并行启动运行,控制进水COD浓度约600 mg/L,超声组ABR选择辐照间隔周期为24 h,辐照污泥比例为10%的条件下,通过与对照组ABR比较试验发现,超声组比对照组能更快适应环境的变化,低强度超声波辐照可以缩短ABR处理污水的启动时间,提高污水COD去除率。持续周期性的超声作用使污泥胞外聚合物组成成分发生变化,超声作用抑制了微生物代谢过程中转化多糖的途径,可能是超声导致微生物菌群发生变化而造成EPS中多糖含量的降低;超声的机械效应及稳态空化效应使污泥细胞表面瞬间造成损伤,低强度、短时间辐照产生的伤口小,易被微生物自身修复,修复过程中导致蛋白酶的分泌增加,污泥活性增强;周期性的超声作用使得超声组微生物胞内释放的DNA大于对照组,主要是持续的超声造成部分微生物更快的衰亡从而能释放出更多的DNA。为了更进一步优化超声波耦合ABR处理污水的工艺运行参数,在稳定运行的反应器中,采用不同的辐照间隔周期和辐照污泥比例进行组合处理污水研究,发现辐照间隔周期为16 h,辐照污泥比例为7%时,COD去除率达81.6%,比对照组提高约6个百分点。通过抗冲击负荷试验研究,结果表明超声组比对照组具有更好的抗有机负荷冲击能力,但是其抗水力冲击负荷能力稍弱。采用为期12 h的硝基苯毒物冲击性试验,证明周期性的超声波辐照可以使反应器内微生物产生更多的EPS,并刺激其分泌出更多的胞外水解酶,使得超声组反应器有更强的抵御有毒物冲击的能力。在较低温度(10~13℃)条件下运行一个月,发现超声组COD去除率比对照组高出了8.63个百分点,说明在低温条件下超声对微生物活性有更大的促进作用,低温条件使得微生物酶催化功能减弱,而超声能使酶分子构象更合理,刺激酶活性,使反应加速,能更好的强化厌氧污水生物处理。最后,通过研究超声波辐照过程对厌氧污泥特性的改变,探寻了超声污泥活性的促进作用机制。结果显示,通过显微镜及扫描电镜观察,发现超声作用使污泥颗粒的平均粒径下降,絮体结构分散,整体变小,表面相对粗糙,边界不再清晰可见,絮体表面较多突起及凹陷现象,但絮体之间的空隙减少,絮体表面大多都有多糖类透明胶状粘质物;经过超声作用后的30 min内其沉淀性能下降,但是随着时间延续特别是2 h以后其沉淀性能要高于对照组;超声作用使污泥表面Zeta电位先下降后又上升。低强度超声过程产生的热效应对促进微生物活性的作用不明显;低强度超声作用使污泥絮体释放出EPS及其它物质,增加污水有机底物浓度对促进污泥活性起到的贡献很小;低强度超声过程产生的机械振动效应及稳态空化效应使污泥絮体分散,强化其吸附性能和传质效果是促进污泥活性的重要因素。采用PCR-DGGE技术对厌氧微生物菌群结构进行分析,结果表明直接超声波辐照不会改变污泥优势菌群组成,但持续周期性的超声波辐照可以使反应器中部分对超声敏感的菌群微生物被淘汰,而部分优势菌群得到富集,从而改变了反应器内整个微生物菌群的结构,进而影响其对有机物的降解速率。