一种新厌氧氨氧化菌的16S rRNA基因序列测试

运用序批式试验测定厌氧氨氧化污泥的氨氮和亚硝态氮消耗量,求得厌氧氨氧化活性为9.84×10-4 mg·(mg·h)-1,厌氧氨氧化菌消耗NO-2-N与NJ 4-N之比为1.311;采用分子生物学方法从EGSB反应器颗粒污泥中提取细菌总DNA,经纯化、特异引物PCR扩增、克隆、测序等过程,得到厌氧氨氧化菌部分16S rDNA序列;通过系统发育树分析可以发现,在EGSB反应器中富集得到的厌氧氨氧化菌种(anaerobic ammonium-oxidizing Planctomycete cquenviron-1)与Candidatus"Anammoxoglobus propionicus"和Candidatus"Jettenia asiatica"同属,arnaerobic ammonium-oxidizing Planctomycete cquenviron-1与其他厌氧氨氧化菌基因序列的同源性最大为93%.结果表明,前期EGSB反应器富集得到了一种新型厌氧氨氧化菌,该菌株命名为anaerobic ammonium-oxidizing Planctomycete cquenviron-1.     

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.     

厌氧氨氧化启动过程及微生物群落结构特征

采用UASB反应器以体积比1∶2接种实验室培养的具有厌氧氨氧化(ANAMMOX)功能的厌氧污泥和城市污水厂的好氧污泥,耗时17 d成功启动ANAMMOX反应,启动阶段分为菌体水解期、活性提高期和稳定运行期.稳定运行后,逐步提高反应器容积负荷富集厌氧氨氧化菌,当容积负荷由0.10 kg·(m~3·d)~(-1)增至0.44 kg·(m~3·d)~(-1)时,总氮(TN)去除负荷也随之由0.09 kg·(m~3·d)~(-1)提高到0.42 kg·(m~3·d)~(-1),反应器污泥逐渐由浅红色加深,粒径大于0.2 mm的污泥所占比例由10.90%增至38.37%.采用高通量测序对接种污泥和负荷提高期的污泥进行检测,其中绿曲挠菌门(Chloroflexi)、变形菌门(Proteobacteria)、WWE3门、放线菌门(Actinobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)等占据主导.随着厌氧氨氧化菌富集程度的增大,脱氮功能菌中的变形菌门所占比例逐渐减少,从21.60%降至14.20%,而浮霉菌门随之增多,相对丰度由0.73%升至15.50%.当反应器的容积负荷增到0.44 kg·(m~3·d)~(-1)时,浮霉菌门中,Candidatus Brocadia属、Candidatus Jettenia属和Candidatus Kuenenia属是主要菌属,Candidatus Brocadia属占13.40%,是主要的厌氧氨氧化菌属.     

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%.     

一体化厌氧氨氧化反应器工艺运行优化研究

文章以上流式厌氧氨氧化反应器为基础,通过接种亚硝化污泥并提高溶解氧(DO)来启动一体化厌氧氨氧化反应器。考察了一体化反应器启动稳定过程中脱氮效能的变化,同时通过高通量测序技术对反应器内微生物群落演替进行了研究。结果表明:一体化反应器在总氮负荷0.75 kg/(m~3·d),DO含量2 mg/L的条件下,氨氮去除率和总氮去除率稳定在85%和80%以上。反应器中参与亚硝化反应的是亚硝化单细胞菌属,厌氧氨氧化反应是Candidatus kuenenia和Candidatus brocadia 2个属参与,反应器内还检测到少量Denitratisoma属的反硝化细菌。除此之外还有许多其他种类的细菌存在。     

EGSB反应器中厌氧颗粒污泥的脱氮特性研究

以厌氧污泥为接种物,启动膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器,经过3个月的连续运行,反应器中出现了颗粒污泥,表现出持续去除氨氮的能力,并出现了厌氧氨氧化现象.为了验证EGSB反应器中厌氧氨氧化反应的存在,并探讨厌氧颗粒污泥的生物脱氮特性,从EGSB反应器中取出颗粒污泥,并与亚硝化反应器中的活性污泥进行了对比研究.结果表明,好氧污泥反应器对TN、氨氮和亚硝酸盐氮的去除率分别为45 5%、13 4%和99 9%;厌氧颗粒污泥反应器对TN、氨氮和亚硝酸盐氮的去除率分别为54 3%、21 7%和99 9%.厌氧颗粒污泥反应器中NH+4 N的去除速率比较稳定,约为3 17mg·L-1·h-1(以N计).上述结果充分表明,EGSB反应器中发生了厌氧氨氧化反应.     

全程自养脱氮污泥颗粒化及其脱氮性能的研究

利用厌氧颗粒污泥作为种泥,启动SBR反应器,旨在培养全程自养脱氮颗粒污泥以及研究全程自养脱氮过程中污泥理化性质的变化.结果表明,先在厌氧条件下富集厌氧氨氧化微生物,然后在曝入的氮气中添加一定量空气,控制反应器的DO在0.3～0.5 mg/L,实现全程自养脱氮颗粒污泥培养是可行的,总氮去除率最高达到75.3%.实验用水中过高的钙盐和磷盐会形成钙盐沉积物,并在污泥中积累,导致污泥中有机组分减少,污泥脱氮性能变差.降低试验用水中Ca盐的投加量,经过驯化,污泥中的有机组分会逐渐增加,污泥脱氮性能逐渐恢复.     

盐度对中试厌氧氨氧化脱氮特性的影响及其恢复动力学

采用中试ASBR反应器(530 L),以逐步提高Cl~-浓度的方式考察了厌氧氨氧化菌(An AOB)处理高盐废水的脱氮特性.结果表明,采用逐步盐度驯化的方式,An AOB可适应高盐度(Cl~-浓度10 000 mg·L~(-1))环境进行高效脱氮(TN去除率高达92. 3%).其中,在Cl~-浓度6 000 mg·L~(-1)和10 000 mg·L~(-1)两个梯度内,反应器脱氮性能受到了较大影响,但随着驯化过程的持续进行可逐步恢复.修正的Boltzmann模型能较为准确地拟合An AOB受到不同盐度抑制后的活性恢复过程,相关系数R~2均在0. 96以上.得到的Cl~-浓度6 000 mg·L~(-1)和10 000 mg·L~(-1)时的恢复中间值tc分别为28. 765 d和44. 495 d,NRRmax分别为0. 145 kg·(m~3·d)~(-1)和0. 212 kg·(m~3·d)~(-1),NRRmin分别为0. 021 kg·(m~3·d)~(-1)和0. 085 kg·(m~3·d)~(-1).高盐度驯化后,厌氧氨氧化菌仍主要为Candidatus Brocadia和Candidatus Jettenia(其丰度分别是14. 76%和2. 7%),且污泥颗粒化程度和污泥密度均有不同程度的提高,污泥呈红褐色.     

利用填料式EGSB反应器启动厌氧氨氧化研究

对EGSB反应器进行改型,采用填料覆盖式出水富集培养厌氧氨氧化菌,并考察了反应器的脱氮能力,厌氧氨氧化现象,污泥颗粒化情况以及微生物变化情况。从第80天开始,反应器运行稳定,出现厌氧氨氧化现象,经过160多天的连续培养,总氮容积负荷达到0.88 kg/(m3·d),氨氮、亚硝酸氮去除率均在85%以上,污泥颗粒化明显,大部分污泥颗粒粒径在0.2~2 mm。反应器富集培养物中厌氧氨氧化菌含量明显增长,优势菌种为Candidatus_Brocadia属。     

厌氧颗粒污泥自启动厌氧氨氧化反应特性研究

采用上流式厌氧反应器分别培养厌氧颗粒污泥（R1）及厌氧颗粒污泥与成熟厌氧氨氧化anammox混合污泥（R2）,对比分析2个系统的脱氮性能和微生物菌群特性。结果表明:R1总氮去除率在99 d时可达到74%,而R2仅需48 d即可维持在70%以上。进水氮负荷提升的同时,R1污泥中胞外聚合物（extracellular polymeric substances,EPS）含量上升更为明显,从而促进污泥颗粒化。高通量测序分析结果表明,R1中主要厌氧氨氧化细菌AnAOB为Candidatus Kuenenia（7.92%）,R2中优势AnAOB为Candidatus Brocadia（15.64%）,而Candidatus Kuenenia占3.02%。R1在较低厌氧氨氧化细菌丰度的情况下仍能保持相当的脱氮效率,更具有长期培养的潜力。     

EGSB反应器中实现完全自营养脱氮与运行优化

同时接种好氧氨氧化污泥和厌氧氨氧化污泥启动EGSB反应器,培养完全自营养脱氮颗粒污泥,总氮去除速率达0.101 kg·(m³·d)^-1.基于边界层假设模拟颗粒污泥与液相主体间的传质过程,并将其与颗粒污泥内传质过程以及好氧氨氧化、厌氧氨氧化和亚硝酸盐氧化过程相耦合,建立了颗粒污泥完全自营养脱氮模型,应用实验结果对模型进行了验证.根据模拟结果对EGSB反应器运行条件进行优化,总氮平均去除效率由52%提高到61%,平均去除速率由0.103 kg·(m³·d)^-1提高到0.114 kg·(m³·d)^-1.     

颗粒-絮状污泥耦合单级自养脱氮系统的脱氮性能分析

在SBR（Ⅰ）反应器中快速启动颗粒-絮状污泥耦合单级自养脱氮系统,研究启动前后颗粒、絮状污泥脱氮性能的变化。取启动前和系统构建成功后的污泥进行批试实验,通过甲醇抑制厌氧氨氧化菌（AAOB）活性来研究厌氧氨氧化和反硝化比例的变化。絮状污泥总氮去除率（NRE）从启动前的10.14%提高至启动成功后的89.70%,其中厌氧氨氧化脱氮占比从2.23%提高到83.70%,反硝化脱氮占比从7.91%减少到5%~6%;颗粒污泥的NRE从启动前3.90%提高至启动成功后的83.20%,厌氧氨氧化占比从不足1%提高到80.20%左右,反硝化占比从7.72%减少到2%~3%。     

EGSB反应器中耦合厌氧氨氧化与甲烷化反硝化的研究

将好氧活性污泥接种于膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器中,经过120 d的启动运行,形成颗粒污泥.在启动好的EGSB反应器进水中添加亚硝酸盐和氨盐,反应器内温度控制在32～35 ℃,pH为7.5～8.3,氧化还原电位为-150～-40 mV;水力停留时间4.2 h,上升流速4.86 m/h,经过270 d运行,逐步富集和耦合产甲烷菌、反硝化菌和厌氧氨氧化菌.在进水ρ(COD_Cr)为500 mg/L,有机容积负荷速率为4.800 kg/(m3·d)(以COD_Cr计)和1.152 kg/(m3·d)(以N计)的条件下,出水ρ(COD_Cr)维持在80 mg/L以下;COD_Cr,氨氮,亚硝态氮和总氮去除率分别为85%, 35%, 99.9%和67%;其去除速率分别稳定在6.12,0.202,0.575和0.777 kg/(m3·d);其中氨氮和总氮的去除速率分别是传统活性污泥法硝化/反硝化(0.05 kg/(m3·d))的4和15.5倍. pH,温度,溶解氧,氧化还原电位,亚硝酸盐和COD_Cr对EGSB反应器中厌氧氨氧化与甲烷化反硝化的耦合和颗粒污泥的特性均有影响.      

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.      

泥膜混合MBBR系统自养脱氮工艺的启动研究

为了加速厌氧氨氧化菌(AnAOB)富集,解决自养脱氮工艺启动缓慢的问题,在短程硝化絮状污泥反应器中投加含有少量AnAOB的悬浮填料,构建泥膜混合移动床生物膜反应器(MBBR)系统,探讨该系统在自养脱氮启动中的作用. 结果表明:①在温度为20~30 ℃、pH为7.8~8.2、DO浓度为0.2~0.9 mg/L的条件下,经45 d的运行,成功富集AnAOB. 通过调整运行模式和曝气量,TN去除率提高至70%左右,成功启动自养脱氮工艺. ②在运行过程中,曝气阶段主要发生短程硝化反应,缺氧阶段主要发生厌氧氨氧化反应. ③泥膜混合MBBR系统中优势的好氧氨氧化菌(AOB)和AnAOB分别为Nitrosomonas和Candidatus_Kuenenia. Nitrosomonas主要分布于絮状污泥中,其相对丰度从42.95%减至30.98%;而Candidatus_Kuenenia主要分布于填料生物膜中,其相对丰度从5.88%增至25.90%. ④泥膜混合MBBR系统中还检测出Ignavibacteriales_bacterium_UTCHB1、Pseudomonas、Denitratisoma等多种反硝化细菌,说明部分TN损失是通过内源反硝化途径实现. 研究显示,基于短程硝化絮状污泥的泥膜混合MBBR系统,可以维持稳定的短程硝化,快速富集AnAOB,也可以有效缩短自养脱氮工艺的启动时间.