不同种泥的厌氧氨氧化反应器的启动及动力学特征

采用2套UBF反应器R1和R2,R1接种好氧硝化污泥与厌氧氨氧化-反硝化污泥的混合污泥,R2接种厌氧消化絮状污泥与厌氧氨氧化-反硝化污泥的混合污泥,采用逐渐提高进水亚硝氮和氨氮的浓度的方式富集培养ANAMMOX菌。结果表明,R1启动时间短,仅耗时36 d就成功启动了厌氧氨氧化反应器,而R2则需要53 d;R1和R2脱氮效果均较好,但R1脱氮效果优于R2且稳定。在稳定运行阶段,R1氨氮、亚硝氮和总氮去除率分别为99.92%、96.64%和81.87%左右,R2氨氮、亚硝氮和总氮去除率分别为97.54%、94.91%和80.98%左右。反应器启动成功后,Candidatus Kuenenia属在所检测出的属中丰度位列前六,在R1和R2中的相对丰度分别为3.22%和2.35%;改进的Stover-Kincannon基质去除模型和二级动力学模型对拟稳态阶段R1和R2的脱氮性能均能进行较好的拟合,经计算,R1的最大基质去除速率Umax稍大于R2,说明R1的脱氮潜力较大。     

不同种泥的厌氧氨氧化反应器的启动及动力学特征

采用2套UBF反应器R1和R~2,R1接种好氧硝化污泥与厌氧氨氧化-反硝化污泥的混合污泥,R~2接种厌氧消化絮状污泥与厌氧氨氧化-反硝化污泥的混合污泥,采用逐渐提高进水亚硝氮和氨氮浓度的方式富集培养ANAMMOX菌.结果表明,R1启动时间短,仅耗时36 d就成功启动了厌氧氨氧化反应器,而R~2则需要53 d; R1和R~2脱氮效果均较好,但R1脱氮效果优于R~2且稳定.在稳定运行阶段,R1氨氮、亚硝氮和总氮去除率分别为99. 92%、96. 64%和81. 87%左右,R~2氨氮、亚硝氮和总氮去除率分别为97. 54%、94. 91%和80. 98%左右.反应器启动成功后,Candidatus Kuenenia属在所检测出的属中丰度位列前六,在R1和R~2中的相对丰度分别为3. 22%和2. 35%;改进的Stover-Kincannon基质去除模型和二级动力学模型对拟稳态阶段R1和R~2的脱氮性能均能进行较好地拟合,经计算,R1的最大基质去除速率Umax稍大于R~2,说明R1的脱氮潜力较大.     

不同培养条件厌氧氨氧化颗粒污泥性质及微生物群落结构差异

采用膨胀颗粒污泥床(EGSB)和上升式厌氧污泥床(UASB)反应器在不同运行条件下培养厌氧氨氧化颗粒污泥,对比分析颗粒污泥性质和微生物群落的差异性.研究表明接种厌氧氨氧化絮状污泥经过EGSB和UASB反应器运行384 d后,均能实现颗粒化,颗粒污泥平均粒径分别达到1.17 mm和1.21 mm,各范围(0.2、 0.2～1.5、 1.5～3和3 mm)的粒径占比为6.06%、 60.05%、 25.25%和8.64%, 7.40%、 58.90%、 32.04%和1.66%.扫描电镜结果表明不同运行条件下的污泥菌群均以短杆菌、球型菌为主.高通量测序结果表明,Shannon指数EGSB反应器为7.52高于UASB反应器为7.18;变形菌门(Proteobacteria)是两个反应器各阶段污泥的主要菌门,浮霉菌门(Planctomycetes)从接种时的3.30%增到第384d的12.30%(EGSB)和13.30%(UASB).EGSB反应器中的主要厌氧氨氧化菌属为Candidatus Brocadia占7.53%,其次为Candidatus Kuenenia属占1.61%;而在UASB反应器中Candidatus Brocadia属和Candidatus Kuenenia属分别占比为3.69%和7.54%,Candidatus Kuenenia是其优势厌氧氨氧化菌属.优势菌群丰度与环境因子变化存在联系,Candidatus Brocadia丰度与上升流速(v)、氮容积去除负荷(NRR)呈正相关而与水力停留时间(HRT)呈负相关,Candidatus Kuenenia与氮负荷去除率(NRE)、NRR、HRT呈正相关,而与v呈负相关.     

4种反应器中厌氧氨氧化菌完整梯烷脂的特异性

完整梯烷脂是存在于厌氧氨氧化菌的厌氧氨氧化体膜上的一类特殊磷脂.分别从厌氧EGSB反应器、好氧SBR反应器、自养脱氮SBBR反应器、以及厌氧氨氧化EGSB反应器中提取了污泥样品中的磷脂混合物,利用高效液相色谱-电喷雾串联三重四级杆质谱法检测了污泥磷脂提取物中完整梯烷脂的种类,分析了完整梯烷脂的特异性,同时利用高通量测序技术测定了自养脱氮SBBR反应器和厌氧氨氧化EGSB反应器污泥中微生物的群落结构.完整梯烷脂的分析结果表明厌氧EGSB反应器和好氧SBR反应器的污泥磷脂提取物中未检测到完整梯烷脂,而自养脱氮SBBR反应器和厌氧氨氧化EGSB反应器的污泥磷脂提取物中检测到了完整梯烷脂.自养脱氮SBBR反应器的污泥磷脂提取物中检测到了5种完整梯烷脂,厌氧氨氧化EGSB反应器的污泥磷脂提取物中检测到了7种完整梯烷脂.高通量测序结果证实自养脱氮SBBR反应器含有Candidatus Brocadia属与Candidatus Jettenia属An AOB,厌氧氨氧化EGSB反应器含有Candidatus Kuenenia属与Candidatus Jettenia属An AOB.结果说明完整梯烷脂为厌氧氨氧化菌所特有的磷脂物质.     

接种单一/混合污泥对厌氧氨氧化反应器快速启动的影响

在两组SBR反应器R0、R1中分别接种单一类型反硝化颗粒污泥和反硝化颗粒污泥与好氧硝化污泥的混合污泥(体积比为2∶1)来启动厌氧氨氧化,旨在探求不同接种污泥对厌氧氨氧化反应器快速启动的影响.结果表明,R0用时64 d成功启动厌氧氨氧化,总氮去除负荷为0.26 kg·(m~3·d)~(-1),R1用时47 d,总氮去除负荷为0.30 kg·(m~3·d)~(-1),比R0缩短了17 d;在富集培养阶段,R1中红色污泥大量出现,系统厌氧氨氧化特征比R0更加明显;反应器启动成功后,R0的化学计量比为1.20和0.34,R1的化学计量比为1.26和0.21,比R0更接近理论值1.32和0.26,R0中污泥的MLSS和MLVSS分别恢复到初始种泥的51%(4.2 g·L~(-1))和38%(2.3 g·L~(-1)),R1中污泥的MLSS和MLVSS分别恢复到初始种泥的54%(4.4 g·L~(-1))和42%(2.6 g·L~(-1)),高于R0,可以推测,R1驯化过程中厌氧氨氧化菌(AnAOB)增殖速率比R0更快.采用混合污泥作为接种污泥能够加速厌氧氨氧化的启动进程,且启动成功之后系统的脱氮性能更加稳定.     

不同形态厌氧氨氧化污泥低温保存的性能差异研究

厌氧氨氧化污泥的保存对其后续在反应器的脱氮过程有着重要的影响,因此,本研究针对不同形态的厌氧氨氧化污泥—生物膜和颗粒污泥的低温保存性能开展研究.结果表明,在64d 4℃的保存后,生物膜和颗粒污泥的厌氧氨氧化比活性分别降至(351.4±14.5),(32.3±2.7)mgN/(gVSS·d),分别为初始活性的62.1%和6.0%.EPS含量分别减少至(18.4±0.3)mg/gVSS和(13.3±1.5)mg/gVSS.生物膜和颗粒污泥中厌氧氨氧化功能菌属Candidatus Kuenenia丰度分别减少为6.1%和1.6%,厌氧氨氧化菌16S rRNA丰度分别降低为(1.48±0.29)×10⁸ gene copies/gVSS和(5.05±1.53)×10⁷ gene copies/gVSS.在后续的活性恢复过程中生物膜相较于颗粒污泥达到NRR为0.54kgN/m³/d花费周期缩短了15d.因此,厌氧氨氧化生物膜是比颗粒污泥更好的保存形态.     

A2/O短程硝化耦合厌氧氨氧化系统构建与脱氮特性

针对现有城市污水处理厂普遍面临进水碳源不足影响脱氮效率的问题,通过调控A²/O系统曝气分区比例、溶解氧（DO）浓度和污泥龄（SRT）构建短程硝化耦合厌氧氨氧化系统,以研究不同工况下该系统的脱氮性能、脱氮途径和微生物种群结构的变化情况.研究结果表明在低C/N进水（C/N=5）情况下,该系统具有稳定优良的脱氮性能.在140 d试验过程中,反应器经历了氨氧化细菌（AOB）、亚硝酸盐氧化细菌（NOB）共培养阶段（阶段Ⅰ）、AOB筛分阶段（阶段Ⅱ~Ⅲ）与厌氧氨氧化细菌（AnAOB）富集阶段（阶段Ⅳ）,系统的脱氮途径也由初始的全程硝化反硝化逐步转化为短程硝化耦合厌氧氨氧化脱氮;系统的脱氮效率在阶段Ⅳ达到最佳状态,此时该系统出水NH₄⁺-N和TN的平均浓度分别为1.20 mg·L^-1和7.03mg·L^-1,其对应的去除率分别为97.69%和87.83%;Illumina MiSeq测序结果表明,短程硝化耦合厌氧氨氧化的系统中Nitrosomonas和Nitrosospira这两类AOB的富集和Nitrospira、Nitrococcus 和Nitrobacter这3类NOB的淘洗是系统发生短程硝化的主要原因,Candidatus Kuenenia和Candidatus Jettenia这两类AnAOB的富集是系统发生厌氧氨氧化的关键所在,对实现深度脱氮具有重要作用.     

基于纯膜MBBR的CANON工艺稳定运行及抗冲击性分析

应用CANON-MBBR系统处理实际污泥厌氧消化脱水液,考察了系统的稳定运行控制策略。结果表明:稳定期间,系统出水ρ（NH₄+-N）稳定低于25 mg/L,去除率>96%;出水ρ（TIN）<70 mg/L,去除率>87%。系统维持纯生物膜运行,无须进行污泥回流与菌种的补投,实现了稳定的自养脱氮过程。运行期间,考察了水量、DO及温度对系统稳定性的影响,结果表明:在进水流量为80 m3/d（为平稳期1.33倍）、ρ（DO）高达2~4 mg/L和24 ℃低温条件下系统依然保持较高的脱氮性能。高通量测序结果表明,系统优势氨氧化菌（AOB）和厌氧氨氧化菌（AnAOB）分别为Nitrosomonas和Candidatus Kuenenia,其相对丰度均值分别为6.5%和30.2%,亚硝酸盐氧化菌（NOB）的相对丰度始终低于0.1%,NOB被成功抑制。悬浮载体生物膜实现了AOB和AnAOB的高效富集,系统较低的AOB丰度限制了系统脱氮能力的进一步提升。     

废铁屑缓解硫化物抑制厌氧氨氧化脱氮性能的研究

在上流式厌氧污泥床反应器(UASB)中研究硫化物对厌氧氨氧化(Anammox)系统的长期抑制以及投加废铁屑后对系统性能的影响.结果表明:低浓度(<10mg/L)硫化物对系统无显著影响,当其浓度升至20,30,40mg/L时,使脱氮负荷(NRR)分别降低了13%,42%和51%;40mg/L硫化物使比厌氧氨氧化活性(SAA)降低了63%;Anammox细菌对硫化物抑制具有适应性;长期硫化物造成污泥颗粒结构恶化、上浮结块.投加废铁屑可以显著缓解硫化物抑制,使污泥沉降性能和系统脱氮效能快速恢复, 19d后NRR比无硫阶段提高20%(达4.43kg/(m³·d));SAA仅降低了16.8%.微生物群落表明,硫化物使Candidatus Kuenenia相对丰度从18.81%下降到7.31%,适应后丰度恢复,反应器底层丰度比顶层高出15倍;同时产生了反硝化菌(Arenimonas和Thiobacill).废铁屑投加后Candidatus Kuenenia丰度略有下降,顶层丰度高于底层;系统Thiobacillus丰度提高3.36倍,底层反硝化细菌的相对丰度上升.     

高效耐海水型厌氧氨氧化污泥的驯化

针对部分含海水废水生物脱氮效能较低的问题,研究了梯度盐度海水对淡水厌氧氨氧化污泥的驯化过程.考察了不同海水盐度对厌氧氨氧化反应动力学、厌氧氨氧化菌细胞形态和反应器中菌群变化的影响.结果表明,梯度盐度废水可以成功驯化淡水厌氧氨氧化污泥,通过145d的驯化,其总氮去除速率为2.80kgN/(m3·d).在海水盐度由0提高至10‰、20‰和30‰的过程中厌氧氨氧化反应速率经历了升高、降低、再升高的过程,其中,海水盐度20‰在淡水厌氧氨氧化污泥的驯化过程中是一个临界点.驯化后,厌氧氨氧化菌细胞结构更加不规则,并在细胞壁上出现了类菌毛状结构,经16S rDNA PCR扩增测序鉴定该优势厌氧氨氧化菌为“Candidatus Kuenenia Stuttgartiensis”.驯化前后反应器中细菌菌群也发生改变.     

复合填料ANAMMOX系统脱氮效能及微生物群落研究

为实现厌氧氨氧化菌(AnAOB)的高效富集,于第26天和第95天在反应器内分别添加活性炭填料和组合填料,构建复合填料ANAMMOX (anaerobic ammonium oxidation,厌氧氨氧化)系统. 通过测定进出水NH₄+-N、NO₂?-N和NO₃?-N浓度变化,考察在不同时期添加填料对反应器脱氮效能的影响,并运用16S rRNA高通量测序技术考察污泥的微生物多样性和群落结构变化情况. 结果表明:①经过160 d的运行,成功构建了具有良好抗冲击负荷能力的复合填料ANAMMOX系统,且其稳定运行期间,TN容积负荷(NLR)和TN去除负荷(NRR)分别可达0.97和0.83 kg/(m3·d),化学计量比接近理论值1∶1.32∶0.26. ②复合填料ANAMMOX系统促进了AnAOB的富集,污泥颜色由初始的黑色逐渐转变为红褐色,并出现ANAMMOX颗粒污泥,复合填料表面有大量AnAOB聚集形成了红色生物膜. ③第160天时,AnAOB在系统中处于主导地位. 门水平分析发现,浮霉菌门的相对丰度由0.77%提至33.17%,绿弯菌门的相对丰度从9.17%提至22.65%,其他菌门的相对丰度降低;属水平分析发现,ANAMMOX菌种Candidatus jettenia和Candidatus brocadia的相对丰度分别为30.56%和1.93%. 研究显示,复合填料ANAMMOX系统可以维持反应器稳定的脱氮效率,同时能实现AnAOB的高效富集.      

AOB与AnAOB在不同生物填料上挂膜效果的研究

针对厌氧氨氧化工艺运行过程中污泥流失严重与启动时间长等问题,本研究通过对多种市售生物填料的挂膜实验,筛选适合好氧氨氧化菌与厌氧氨氧化菌挂膜的生物填料.结果表明,当活性污泥中的好氧氨氧化菌菌属为Nitrosomonas时,AQ1聚氨酯立方体填料最适合其挂膜,挂膜成熟时好氧氨氧化速率可以达到（0.81±0.08）mg N/（L·h）,挂膜生物量为（0.87±0.14）mg VSS.而更适合厌氧氨氧化菌（Candidatus Kuenenia）挂膜的生物填料为K3环形填料,材质为聚乙烯或者聚丙烯.当厌氧氨氧化菌挂膜成熟时,其厌氧氨氧化速率可以达到（3.27±0.10）mg N/（L·h）,挂膜生物量为（2.74±0.40）mg VSS.厌氧氨氧化菌在K3型填料上的挂膜要优于好氧氨氧化菌,其原因是厌氧氨氧化菌分泌的胞外聚合物含量要高于好氧氨氧化菌,而胞外聚合物是形成生物膜的重要因素.     

包埋厌氧氨氧化的脱氮特性及其微生物群落结构

采用聚乙二醇二丙烯酸酯作为载体,分别以N,N,N,‘N’-四甲基乙二胺（TEMED）,过硫酸钾（KPS）作为促进剂和引发剂,对厌氧氨氧化菌进行包埋固定化.采用正交试验优化包埋条件,得到的最佳条件为：10% PEGDA单体,0.25% KPS,0.5% TEMED,最佳的操作条件为：聚合温度20℃,聚合时间控制在5min左右,菌胶比选取1：1.包埋颗粒的连续流实验表明,颗粒经过短暂的活性恢复后,脱氮效果不断提升,并且对水力负荷的提高有一定的抗冲击能力.扫描电镜（SEM）表明本实验包埋材料具有很好的生物相容性,且具有良好的传质性能.高通量测序显示,稳定运行一段时间后,颗粒内微生物多样性略有减小,厌氧氨氧化功能菌Candidatus Kuenenia占整个微生物体系比例由6.58%上升至9.8%,微生物种群的变化说明了包埋后厌氧氨氧化性能能够得到更大的提升.     

不同接种污泥的厌氧氨氧化反应器启动特性及菌群结构演替规律分析

采用两套相同的膨胀颗粒污泥床(EGSB),分别接种城市污水处理厂活性污泥(A)和厌氧颗粒污泥(B)启动厌氧氨氧化反应器,考察了A、B反应器中污泥的形态、脱氮性能、容积氮负荷和氮去除负荷的差异,同时利用高通量测序技术从分子生物学水平分析启动过程中菌群结构演替规律.结果表明:反应器运行119 d后,A、B反应器均成功培养出成熟的厌氧氨氧化颗粒污泥,其中相比于B反应器,A反应器缩短了厌氧氨氧化启动过程的菌体自溶和活性迟滞阶段.微生物群落结构分析结果进一步表明,在活性迟滞和活性提高阶段,A反应器中浮霉菌门(Planctomycetes)的丰度分别为1.18%、5.98%,而B颗粒污泥反应器中浮霉菌门(Planctomycetes)的丰度仅为0.92%、1.41%,说明A反应器Planctomycetes菌在菌体自溶和活性迟滞阶的增长速度大于B反应器.此外,经过119 d的启动,A反应器中Candidatus Brocadia丰度可以达到11.34%,而B反应器中Candidatus Brocadia丰度仅为7.28%.     

Start-up of the anammox process from the conventional activated sludge in a hybrid bioreactor

The anaerobic ammonium oxidation (anammox) process was successfully started up from conventional activated sludge using a hybrid bioreactor within 2 months. The average removal efficiencies of ammonia and nitrite were both over 80%, and the maximum total nitrogen removal rate of 1.85 kg N/(m³.day) was obtained on day 362 with the initial sludge concentration of 0.7 g mixed liquor suspended solids (MLSS)/L. Scanning electron microscope (SEM) observation of the granular sludge in the hybrid reactor clearly showed a high degree of compactness and cell sphericity, and the cell size was quite uniform. Transmission electron microscope photos showed that cells were round or oval, the cellular diameter was 0.6--1.0 μupm, and the percentage of the anammoxosome compartment was 51%--85% of the whole cell volume. Fluorescence in situ hybridization analysis (FISH) indicated that anammox bacteria became the dominant population in the community (accounting for more than 51% of total bacteria on day 250). Seven planctomycete 16S rRNA gene sequences were present in the 16S rRNA gene clone library generated from the biomass and affiliated to Candidatus Kuenenia stuttgartiensis and Candidatus Brocadia sp., a new anammox species. In addition, the average effluent suspended solid (MLSS) concentrations of outlets I (above the non-woven carrier) and II (below the non-woven carrier) were 0.0009 and 0.0035 g/L, respectively. This showed that the non-woven carrier could catch the biomass effectively, which increased biomass and improved the nitrogen removal rate in the reactor.     

有机碳源对启动及运行CANON颗粒污泥工艺的影响

采用两组平行的SBR反应器R1和R2,通过分别添加有机碳源和不添加有机碳源对比实验,研究有机碳源对全程自养脱氮(CANON)颗粒污泥工艺启动的影响,通过改变有机碳源浓度对比实验,研究有机碳源对CANON工艺运行的影响.结果表明,50 mg·L-1有机物的存在可以加快CANON颗粒污泥工艺的启动,R1和R2分别于23 d和32 d成功启动CANON颗粒污泥工艺.适量有机物(不超过150 mg·L-1)的存在会通过增强亚硝化菌(AOB)及厌氧氨氧化菌(An AOB)的活性和促进反硝化作用来提高氨氮及总氮去除率,R1和R2的最高氨氮和总氮去除率分别为92%、88%和89%、80%.进一步实验表明,过量的有机碳源(超过200 mg·L-1)会抑制AOB及An AOB的活性,从而降低氨氮及总氮去除率,但是会促进反硝化反应并提高其对系统脱氮的贡献率.