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1、附件2论文中英文摘要作者姓名：倪丙杰论文题目：好氧颗粒污泥的培养过程、作用机制及数学模拟作者简介：倪丙杰，男，1981年11月出生，2006年9月师从于中国科学 技术大学俞汉青教授，于2009年7月获博士学位。中文摘要好氧颗粒污泥是活性污泥微生物通过自固定最终形成的结构紧凑、外形规则的生物聚集 体。它具有相对密实的微观结构、优良的沉淀性能、较高浓度的牛物体截留和多样的微牛物 种群。因此，好氧颗粒污泥技术作为一种新型的废水牛物处理形式，在城市污水和工业废水 处理中具有非常广阔的应用前景。好氧颗粒污泥的形成过程非常复杂，它的作用机制涉及到 微生物的生长与竞争、氧的传质、底物的扩散及微生物产物的形成
2、等各个方而。本论文系统 地研究了好氧颗粒污泥的形成过程、作用机制和数学模拟，探索了颗粒污泥在好氧和缺氧条 件下的胞内储存过程机理，深入阐明了颗粒污泥中胞外聚合物和溶解性微牛物产物的形成规 律，并首次成功地以低有机物浓度城市污水为基质在中试规模反应器中培养出性能优良的好 氧颗粒污泥。主要研究内容和研究结果如下：1. 分别采用豆制品加工废水和混合酸废水在SBR反应器中培养好氧颗粒污泥，基于实 验结果和形成机理的分析，实现了好氧颗粒污泥形成过程的定量描述。粒污泥在形成过程中 粒径逐渐增大，沉降速度提高到40 mh ,污泥体积指数SVI减小至20 mLg1, COD去除效 率高于98%；模型能够很好地
3、定量描述好氧颗粒污泥的形成过程及基质在颗粒内部的扩散； 好氧颗粒污泥的形成过程可分为适应期、快速生长期和成熟期。2. 通过好氧颗粒污泥的间歇实验，探索了颗粒中自养微生物和异养微生物的生长与竞 争；根据实验结果修正了 ASM3模型，用以描述好氧颗粒SBR反应器中自养菌和异养菌的 同时牛-长，并分析两类微牛物对于溶解氧的竞争和在颗粒中的空间分布；发现氨氮和COD 在颗粒SBR反应器运行周期的前1.5小时内分别被自养菌和界养菌消耗完毕，且异养菌消耗 更多的溶解氧；自养菌主要位于颗粒的外层，而异养菌则分布于颗粒的外层或者中心。；3.通过McCarty建立的生物热能学方法估算出活性污泥的微生物产率，分析
4、了反应器；:中关键化学和牛物组分的总体计量学；与牛化反应和电子平衡相耦合，建立了分析反应器中： 各种重要化学组分的动态变化的热力学新方法，并同修正后的ASM1模型相结合，解析了豆； 制品废水活性污泥处理系统中G6H24O5N4、CH2O细胞(C5H7O2N)、H NH4 HCO3-和 ：CO2浓度的动态变化规律。；4.通过不同初始条件下的颗粒污泥储存实验，探索了好氧条件下颗粒污泥的胞内储存机:：制和电子转移途径，实现了好氧颗粒污泥胞内储存过程的准确描述。当系统中外源底物过剩; 时，底物被微牛物快速利用并形成一定量的储存物质；在外源底物消耗完之后，微牛物则会: 1利用胞内储存物质进行生长。:：5
5、.采用好氧和缺氧条件下的呼吸速率实验结果对反硝化条件下颗粒污泥的储存机理进j:行了探索，发现其生化机理过程主要包括反硝化条件下的水解、缺氧同时储存和生长、缺氧维持以及牛物衰减。动力学分析结果表明，好氧颗粒污泥的反硝化胞内储存过程NUR包括: ：4个不同的硝酸盐利用线性阶段；根据缺氧储存机理，建立了缺氧校正系数的估算方法，并： :解析出好氧颗粒污泥在反硝化条件下的胞内储存过程。:6.采用凝胶渗透色谱(GPC)和三维荧光光谱(EEM)对活性污泥胞外多聚物(EPS)匚 的产生过程进行了表征。EPS的形成量及其组分分子量分布依赖于外源底物的利用，EPS量: 在底物利用过程中逐渐增加；EPS中的荧光物质
6、主成分有两种：最大激发发射波长位于： ；280/340 nm的蛋白类物质和最大激发发射波长位于320/400 nm的类富里酸物质。；:7.提出了一套估算活性污泥EPS形成动力学参数的新方法。在该方法中利用非线性最:小二乘法建立冃标函数，而采用蒙特卡罗法优化冃标函数；参数估计结果表明，此方法能够; ：准确、简便地获得活性污泥微生物降解有机物过程中EPS的形成动力学参数值及其相应的可： :靠性信息；外源底物电子的分布途径为：61%的电子用于细胞生物量的合成，21%的电子转： ；移到电子受体溶解氧用于牛物呼吸产牛能量，而剩下的18%的电子则用于EPS的形成。 ；&集成运用凝胶渗透色谱、耗氧速率分析、
7、多糖和蛋白测定、三维荧光光谱、傅立叶变: 换红外光谱和溶解性有机碳测定等技术，全而分析了活性污泥SMP的分子量分布、化学特匚 性及其分类，对污泥微生物降解底物过程中SMP的形成及其分类划分进行了定性和定量研： :究。发现UAP产牛于底物利用阶段，其分子量低于290 kDa,而BAP为290-5000 kDa范围： ；内的生物大分子物质，BAP则可进一步分为生长相关BAP (GBAP)和内源相关BAP : ；(EBAP)oj9. 提出了分析SMP、UAP和BAP产生动力学的新方法，并建立了描述SMP形成过程及其划分的数学模型。基于底物利用积分方程分别建立了 UAP和BAP日标函数，运用规划: 求
8、解法优化目标函数使其最小化，从而得到活性污泥SMP形成的相关速率系数”、Ks、kBAP 以及产率系数Yh、紇肋的最佳估计值；在此基础上描述了 3种SMP的产生与底物利用之间； 的联系以及SMP的形成机理。:10. 采用实验分析和数学模拟相结合的方法阐明了好氧颗粒污泥系统中EPS、SMP和Xsto的形成和消耗过程，在将这3种不同微生物代谢产物的屯子转移途径相耦合的基础上，! 建立一套统一的EPS、SMP和Xsto的形成动力学模型,分析了反应器污泥停留时间(SRT)对: EPS、SMP和Xsto形成的影响，并提出了基于EPS、SMP和Xsto动力学模型调控颗粒反应! 器的新方法。j11. 对好氧颗
9、粒污泥自养菌微生物产物的产生规律、成分特性及数学模拟进行了系统的：研究，阐明了自养菌微生物代谢产物的形成机理，并对自养微生物体系中产生的EPS和SMP ! 进行了表征；探索了自养微牛物体系中异养微牛物利用自养微牛物代谢产物的牛长规律；发 现NOB在好氧条件下以亚硝酸盐作为电子供体进行生长，并产生新的NOB细胞、UAP、 EPS和硝酸盐；这些自养微生物的代谢产物是自养体系中异养菌细胞合成的唯一电子供体来 源。；12. 首次利用低浓度实际城市污水在中试规模反应器中培养出性能优良的好氧颗粒污;泥，探索了低浓度有机废水作为底物条件时污泥颗粒化的关键因素，并H实现了中试颗粒污 泥反应器的数学模拟。好氧颗
10、粒污泥粒径适中、沉降性良好、生物活性高；颗粒污泥主要以： 丝状菌为骨架，由结构密实地杆状细菌和球菌组成；分析表明体积交换率和沉降时间是低浓 度废水条件下SBR反应器中污泥颗粒化的关键参数。j13. 采用好氧颗粒污泥为接种物，在上流式厌氧污泥反应器(UASB)中实现厌氧氨氧化(ANAMMOX)过程的快速启动，并对所形成ANAMMOX颗粒污泥的结构和物化特性以及： 反应器运行工况进行表征；在此基础上，采用16S rRNA基因扩增和PCR-DGGE等分子生 物学技术对启动过程中颗粒污泥的微生物种群结构变化进行定量分析，为拓展好氧颗粒污泥i 的应用领域提供了新的思路。:关键词：好氧颗粒污泥；数学模拟；
11、微生物产物；序批式反应器(SBR)；中试颗粒污泥反应器Formation process, function mechanism and mathematical modeling ofthe aerobic granular sludgeNi Bing-JieABSTRACTAerobic granular sludge is a type of microbial aggregate through self-immobilization and granulation of the microorganisms in activated sludge. Aerobic granule u
12、sually has regular shape, good settling ability, compact structure, high biomass retention, and diversity of microbial population. It ensures a higher substrate removal efficiency, less excess sludge disposal, less area consumption and lower costs for capital construction, compared with activated sl
13、udge flocs. Therefore, this process has been regarded as a promising wastewater treatment system. However, aerobic granulation is a very complex phenomenon. There are numerous internal interactions among process variables, such as growth, storage, microbial products formation and endogenous respirat
14、ion, and sludge characteristics, including biomass detachment, oxygen transfer and diffusion. In this thesis, the formation, the function mechanism and the mathematical modeling of aerobic granular sludge were systematically explored. The storage processes of aerobic granules under both aerobic and
15、anoxic conditions were investigated. The production of extracellular polymeric substances (EPS) and soluble microbial products (SMP) in aerobic granular sludge were also explored. Furthermore, this work was the first attempt to cultivate aerobic granules on low-strength municipal wastewater in a pil
16、ot-scale sequencing batch reactor (SBR). Main contents and results are as follows:1. Aerobic granules were successfully cultivated in SBRs fed with both soybean-processing and fatty-acids-rich wastewaters. Based on experimental observations and formation mechanism analysis, the aerobic granulation process in terms of mean radius profiles was quantitatively charac
