中文摘要：

生物膜法对废水中难降解有机污染物具有突出的降解去除能力，且可耐受贫营养环境，是一种极具潜力的废水深度处理工艺。胞外多聚物作为生物膜结构骨架和传质通道的主要承载体，常因受到废水中不同金属离子的影响而发生物理化学性质的改变，进而导致生物膜脱落和降解活性下降，这严重制约了生物膜处理的推广应用。本研究以废水中常规金属（钙、镁、铝）、重金属（铜、铅、镉）和辅助金属（铁、锰）三类金属离子为研究对象，研究其对生物膜上胞外多聚物的微观形态、结构强度、化学组分、传质性能和吸附能力的作用规律，分析重金属和铁锰在生物膜上的物理化学形态变化规律，阐明不同金属离子对胞外多聚物和生物膜之间的内在联系，为生物膜反应器快速启动和优化调控提供理论依据，为生物膜反应器应对重金属冲击负荷探索解决方案，为含重金属和难降解有机污染物的复合型水污染治理提供理论依据和技术支撑。

结论摘要：

生物膜法是一种极具潜力的废水处理方法，胞外多聚物作为生物膜结构骨架和传质通道的主要承载体，常因受到废水中不同金属离子的影响而发生物理化学性质的改变，进而导致生物膜脱落和降解活性下降，这严重制约了生物膜法的推广应用。本研究以废水中常规金属（钙镁铝）、重金属（铜铅镉）和辅助金属（铁锰）三类金属离子为研究对象，研究其对生物膜上胞外多聚物的微观形态、结构强度、化学组分、传质性能和吸附能力的作用规律，分析重金属和铁锰在生物膜上的物理化学形态变化规律，阐明不同金属离子对胞外多聚物和生物膜之间的内在联系。钙镁离子浓度的适度增加可促使生物膜分泌更多TB-EPS，有助于生物膜的形成，并增加膜内部孔洞及传质通道。过高钙镁浓度会使细胞胶粒表面的正电荷层紧密；与水相中碳酸根结合生成碳酸盐，降低传质效率。钙镁的投加不改变生物膜中化学基团的组成，但是能增加生物膜的抗剪切能力和机械强度。铝的三价离子及胶体态有助于扩大EPS表面积，对对生物膜空间结构进行调控。铜铅镉离子强度对生物膜吸附重金属有显著影响，是物理吸附和化学吸附共同作用的结果；共存体系中生物膜的吸附能力遵循Pb2+＞Cd2+＞Cu2+的顺序，影响生物膜吸附官能团主要有羟基和胺基；吸附重金属后，生物膜的网状结构变粗，说明重金属刺激了生物膜上的胞外多聚物的分泌。活性抑制主要是对胞外多糖的抑制，应激表现为生物膜会分泌更多的胞外蛋白。生物膜分泌EPS量与重金属富集率成明显线性正相关。EPS中羟基、胺基对吸附贡献最大，胞外蛋白对吸附贡献显著，以胞外吸附为主。铁锰离子通过与胞外聚合物的架桥等作用，促进生物膜形成，增强生物膜致密性，加速生物膜成熟。高浓度铁锰离子会影响生物膜的降解活性，并且能够刺激生物膜分泌更多的紧密粘附型EPS，其中的蛋白质和多糖可以通过络合等方式为微生物提供了保护作用，但也会导致生物膜内部的阻塞。铁锰离子会对EPS中蛋白质的–CONH–、多糖中的C–O以及核酸中的磷酸基团产生显著影响，这表明铁锰离子与EPS间存在离子架桥等作用。通过金属离子对生物膜胞外多聚物的研究，为生物膜反应器快速启动和优化调控提供理论依据，为生物膜反应器应对重金属冲击负荷探索解决方案。