硝化细菌的培养及包埋固定化中试

为实现硝化细菌规模化富集及包埋固定化技术的工业化应用.以污水厂回流污泥为菌源,利用工业级生物发酵罐,连续投加并逐渐提高底物浓度,控制FA和FNA实现硝化细菌的快速增长,实现了氨氧化速率118 mg·(L·h)~(-1)的高表达.高通量种群分析结果表明,回流污泥生物多样性较大,具有硝化作用的Nitrosomonas比例仅为0.53%;富集培养后污泥多样性明显降低,Nitrosomonas比例上升至10.27%,相较于驯化前,比例提高了20倍.以此为菌源,用PVA(聚乙烯醇)进行包埋固定化,包埋填料填充率为30%,通过连续流的方式进行包埋填料的活性恢复,仅用27 d填料的硝化速率达到62mg·(L·h)~(-1),证明包埋填料活性恢复.     

外源全程硝化污泥对城市污水SPNA系统的影响

为强化城市污水短程硝化-厌氧氨氧化(SPNA)系统脱氮性能与稳定性,在间歇曝气条件下研究投加外源全程硝化污泥对城市污水SPNA系统的影响及机理.结果显示,空白组(SBR3)总氮去除率由35.5%升高至66.3%,短周期分批次投加外源全程硝化污泥(SBR2,投加周期为5d,投加比为2.5%)与长周期分批次投加(SBR1,投加周期为20d,投加比为10%)的SPNA系统总氮去除率分别由31.7%和36.5%升高至76.3%和67.2%,这表明,投加全程硝化污泥有利于提高SPNA系统的脱氮性能,且当投加总量相同时,短周期分批次投加的效果优于长周期分批次投加.功能菌活性结果与脱氮效果一致,SBR1~SBR3的厌氧氨氧化菌(AnAOB)最大活性分别由3.43mg-N/(L·h)升高至7.66,8.19和7.31mg-N/(L·h),氨氧化细菌(AOB)与亚硝酸盐氧化菌(NOB)活性比分别为8.79,9.83和8.78.在间歇曝气条件下投加全程硝化污泥,可选择性抑制NOB、富集AOB,提高AOB与NOB的活性比,利于稳定短程硝化效果,为AnAOB提供稳定的基质,且短周期分批次投加可降低外源硝化污泥中的NOB对系统的冲击,更有利于实现高AOB与NOB活性比,提高系统稳定性.此外,内源短程反硝化菌Candidatus_Competibacter相对丰度明显升高,可为AnAOB提供更多的亚硝酸盐氮,进一步利于AnAOB富集.     

污水处理系统中硝化菌的菌群结构和动态变化

研究分析了4种不同工艺类型的城市污水处理厂中氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的丰度及菌群结构.实时定量PCR结果表明4种工艺中AOB菌群的丰度范围为8.56×106~4.46×107cells/gMLSS;NOB菌群的丰度为3.37×108~1.53×109cells/gMLSS.每个工艺中Nitrospira都是优势NOB,占NOB菌群的88% 以上. A2O工艺冬季AOB和Nitrospira丰度比夏季均有所降低,这是导致冬季生物脱氮效果变差的主要原因.基于 amoA基因的系统发育分析结果显示所有的序列属于Nitrosomonas,其中Nitrosomonas oligotropha cluster 占克隆文库的60.1%,是AOB 种群中的优势菌属,Nitrosomonas-like cluster和 Nitrosomonas europaea cluster次之,分别占克隆文库的29.6%和9.1%.N. europaea cluster只在A2O工艺中出现,且在A2O工艺夏季污泥样品克隆文库中达到44.7%.低DO运行使N. europaea cluster成为优势AOB是A2O工艺夏季出现较高亚硝酸盐积累率的主要原因.研究结果证实了城市污水处理厂中优势AOB和NOB分别为Nitrosomonas和Nitrospira,硝化菌群占总菌群的1%~7%,其丰度、相对含量和菌群结构是影响硝化效果的主要因素.     

城市污水中硝化菌群落结构与性能分析

对西安市第二和第三污水处理厂进水中硝化菌群落结构与性能进行调查分析.荧光原位杂交结果发现,进水中氨氧化菌(AOB)优势菌为Nitrosomonas europaea/Nitrosococcus mobilis lineage;亚硝酸盐氧化菌(NOB)的优势菌均为Nitrospira,次优势菌为Nitrobacter,且与Nitrococcus、Nitrospina并存.二污及三污进水中硝化菌个数占总细菌数(AOB+NOB)/EUB的平均个数百分比分别为(5.35±2.1)%和(6.0±2.8)%;在曝气2~16h后,活性基本恢复,最大氨氧化速率分别为(0.32±0.12)mg·(L·h)-1和(0.43±0.17)mg·(L·h)-1,亚硝酸盐氧化速率为(0.71±0.18)mg·(L·h)-1和(0.58±0.27)mg·(L·h)-1.因此,城市污水中含有活性硝化菌,对活性污泥系统有自然的连续接种作用,根据进水及活性污泥中硝化活性可以估算出城市污水中AOB与NOB对活性污泥的连续接种强度分别为0.08~0.09 g·(g·d)-1和0.11~0.24 g·(g·d)-1.     

亚硝酸盐氧化菌(NOB)的富集培养与其污泥特性分析

为了解亚硝酸盐氧化菌(NOB)特性,以某中试SBR的剩余污泥为接种污泥,以NO2--N为底物,采用逐步提高进水NO2--N浓度的方式,通过控制高游离亚硝酸(FNA)浓度联合高DO浓度对NOB进行富集培养.65d后,荧光原位杂交(FISH)技术分析结果显示NOB占细菌总数的80%以上[Nitrobacter(NOB的一个种,菌体呈杆状或梨状):80%; Nitrospira(NOB的一个种,菌体呈螺旋状):5%],表明成功富集培养出NOB为优势菌种的活性污泥.并且自然形成颗粒污泥,MLSS约为700mg/L,MLVSS/MLSS为0.278,SVI约为6mL/g.富集后污泥SVI较低的原因可能是污泥无机化程度高,污泥以无机盐沉淀为晶核形成颗粒污泥.试验结果表明,该污泥能够处理NO2--N浓度为1000mg/L的污水,比硝化速率为131.03mg/(g MLVSS·h),比耗氧速率为169.5mg O2/(g MLVSS·h).     

污水处理厂冬季硝化强化与微生物种群分析

针对冬季低温抑制微生物活性导致硝化菌流失的问题,在实际污水处理厂通过两组10万m~3/d的反应池平行运行,考察了延长污泥龄对污水处理厂的出水水质、硝化速率和微生物种群结构的影响.研究结果表明,拉前延长污泥龄能够明显提升低温阶段COD、氨氮和TN的去除效率,硝化速率为对照组的3倍.焦磷酸测序结果表明,延长污泥龄后系统的微生物种群丰度和多样性均显著提高;氨氧化功能菌属Nitrosomonas(1.46%)和亚硝酸盐氧化功能菌属Nitrospira(0.13%)较对照组分别提高了12和13倍;反硝化相关菌属Hyphomicrobium、Thauera、Zoogloea等的相对丰度也明显增加.提前延长污泥龄这一方法能够实现硝化菌的富集,进而提升污水处理的硝化和脱氮效率.     

耦合短程硝化反硝化的垃圾渗滤液厌氧氨氧化处理系统构建及微生物群落分析

本研究从某垃圾填埋场计划将现有的垃圾渗滤液短程硝化反硝化脱氮工艺改造为短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化工艺的实际需求入手,以短程硝化反硝化污泥作为接种污泥,在上流式厌氧污泥床反应器(UASB)中完成厌氧氨氧化启动.探究反应器运行中的脱氮效能、氮容积负荷和氮去除负荷情况,并利用16S rRNA基因序列分析技术对长期运行条件下系统中微生物群落结构演替进行分析.结果表明,反应器经历了149 d后成功启动厌氧氨氧化,稳定运行后的进水总氮容积负荷达到4 000. 00 mg·(L·d)-1,总氮容积平均去除速率达到3 885. 76 mg·(L·d)-1,系统氨氮和亚硝酸盐氮的平均去除率均超过了95%.运行第250 d时,系统的生物多样性减少,门水平上厌氧氨氧化主要菌群Planctomycetes的丰度达到了54. 94%;属水平上Candidatus Kuenenia为主要菌属,其相对丰度达到了49. 66%.结果证明,在短程硝化反硝化基础上耦合厌氧氨氧化实现垃圾渗滤液深度处理的升级改造工艺具有可行性.     

外加微量N2H4下SBR中硝化微生物特性

运行实验室规模单级硝化序批式反应器(SBR),研究长期外加微量N_2H_4(约3 mg·L~(-1))对硝化污泥中功能微生物好氧氨氧化菌(AOB)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)的影响.结果表明,外加微量N_2H_4的硝化污泥中,AOB主要属于亚硝化球菌(Nitrosococcu)属和亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)属,另有少部分属于亚硝化螺旋菌(Nitrosospira)属,NOB属于硝化杆菌(Nitrobacter)属.外加微量N_2H_4前后,AOB amoA基因拷贝数(以干污泥计)由1.0×10~9copies·g~(-1)减少为2.09×10~4copies·g~(-1),NOB nxrB基因拷贝数由1.28×10~7copies·g~(-1)减少为2.56×10~5copies·g~(-1).AOB对环境因素较NOB相比更为敏感,N_2H_4对硝化微生物的抑制与毒性作用使外加微量N_2H_4的硝化污泥中AOB流失幅度大于NOB,但定量PCR方法无法准确比较N_2H_4对AOB与NOB活性抑制的强弱.长期外加微量N_2H_4破坏硝化微生物活性,使反应器崩溃.因此在没有厌氧氨氧化菌(AnAOB)消耗N_2H_4的亚硝化系统中,企图通过调控外加N_2H_4浓度水平抑制NOB活性,从而进一步洗脱NOB提高脱氮性能可能无法实现.     

内循环半短程亚硝化工艺运行条件与微生物群落研究

在内循环半短程亚硝化工艺中,污泥浓度为4 000 mg·L-1、溶解氧小于0.2 mg·L-1、温度(15~29℃)、水力停留时间4.6 h条件下,不同的回流比对系统中微生物群落有着明显的影响,回流比75%时,微生物的生物量达到最高值,出水中的亚硝态氮和氨氮的浓度比可控制在1.定量PCR和16S rRNA基因的克隆文库结果表明:在低溶解氧浓度下氨氧化菌是主要脱氮菌群,该菌群促进了半短程亚硝化反应的进行,与传统的硝化系统比较,在内循环半短程亚硝化工艺中没有检测到硝化螺旋菌(Nitrospira)和硝化杆菌(Nitrobacter),在内循环半短程亚硝化系统中浮霉菌属(Planctomycetes)的量也高于传统的脱氮系统.氨单加氧酶基因克隆文库结果表明,系统中的氨氧化菌群主要属于亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas).因此内循环半短程亚硝化工艺在经济和技术上是可行的.     

剩余污泥碱性发酵产物对硝化过程及性能的影响

为探究剩余污泥碱性发酵产物作为碳源对硝化过程及性能的影响,建立了以污泥碱性发酵混合物作为碳源的生物脱氮(BNR)系统.投加初期,氨氧化菌(AOB)和亚硝态氮氧化菌(NOB)活性均受到抑制;16 d后AOB活性开始迅速恢复,NOB活性仍受到抑制,比硝态氮积累速率(SNaPR,以N/VSS计)由初始的0.179 1 g·(g·d)~(-1)下降至0.007 8 g·(g·d)~(-1),系统内亚硝积累率由8.12%上升至91.42%并维持稳定.将污泥发酵混合物分离为污泥发酵液和污泥发酵底泥,考察添加3种不同类型的发酵产物对硝化效果良好的全程硝化污泥硝化活性的影响.结果表明,投加污泥碱性发酵混合物和投加碱性发酵液的实验组,NOB活性皆有所下降,SNaPR由初始的0.179 3 g·(g·d)~(-1)分别下降至0.151 0 g·(g·d)~(-1)和0.161 7 g·(g·d)~(-1);投加发酵底泥的实验组,NOB的活性有所上升,SNaPR由0.179 3 g·(g·d)~(-1)上升至0.186 4 g·(g·d)~(-1).因此,当利用污泥发酵混合物和发酵液作为碳源时,在硝化过程中,能抑制系统内NOB的活性,实现短程硝化过程,有利于加速硝化速率及节省该类型碳源的投加.     

CEM-UF组合膜-硝化/反硝化系统处理低C/N废水及种群结构分析

本研究采用具有氨氮富集分离特性的阳离子交换膜-超滤(CEM-UF)组合膜与硝化/反硝化结合处理低C/N废水,考察该系统不同流量比下低C/N废水的硝化、反硝化脱氮特性,并通过对硝化、反硝化活性污泥进行16Sr DNA高通量测序,分析功能微生物群落结构特征.结果表明,系统进水TN为60 mg·L-1,COD/TN为2.65下,各流量比下硝化均有较好效果,平均氨氮去除率为98.7%,流量比值由1∶2上升到1∶6过程中,反硝化m(COD)/m(NO-3-N)随之升高,1∶6时平均硝氮去除率达到最高,为86.28%,系统总氮去除率由22.56%上升到46.8%.Illumina高通量测序结果表明,硝化污泥中可以固氮的Proteobacteria菌门占30.9%,重要的亚硝酸盐氧化菌Nitrospirae菌门占3.06%,属水平上检测到氨氧化菌(AOB)Nitrosomonas和Nitrosospira,亚硝酸盐氧化菌(NOB)Nitrospira和Nitrobacter,AOB与NOB菌比例较高,与硝化反应器中较好的硝化效果相一致.反硝化污泥中Proteobacteria菌门占主导地位(53.13%),其次是Bacteroidetes菌门(10.93%),在属的水平上检测到Dechloromonas、Thauera、Castellaniella、Alicycliphilus、Azospira、Comamonas、Caldilinea和Saccharibacteria多种具有反硝化脱氮作用的相关菌属,反硝化菌所占比例为25.91%,反硝化污泥中具有反硝化功能的微生物丰富,反硝化效果良好.     

羟胺抑制协同pH调控对人工快渗系统短程硝化的影响

针对人工快渗系统(CRI)总氮去除率低的问题,研究了羟胺抑制协同pH调控对人工快渗系统实现由全程硝化向短程硝化转化的可行性,探讨了其对系统内氮素污染物迁移转化和硝化功能菌空间分布及活性的影响.结果表明,0.5 mmol·L~(-1)羟胺连续添加13 d后可实现CRI系统短程硝化的快速启动,氨氮去除率、亚硝氮积累率分别为91.1%、77.9%,经16 d不添加羟胺运行后氨氮去除率、亚硝氮积累率分别降低3.9%、9.8%,此时调控进水pH至8.4,氨氮去除率和亚硝氮积累率均超过90%,CRI系统短程硝化效果显著且稳定性较高.羟胺对硝化菌具有选择性抑制,对AOB和NOB产生明显抑制的浓度分别为0.7、0.5 mmol·L~(-1),羟胺浓度为1.0 mmol·L~(-1)时AOB和NOB活性均被严重抑制且解抑较难;pH调控对短程硝化的影响主要与游离氨(FA)的抑制作用有关,对AOB和NOB产生明显抑制的FA浓度分别为26.5、5.6 mg·L~(-1),NOB比AOB对FA的敏感性更高.     

碱度对沸石序批式反应器亚硝化的影响

本研究采用沸石序批式反应器(ZSBR)在常温(25℃±1℃)下实现快速稳定的亚硝化,亚硝酸盐氮积累率维持在90.0%以上,并且考察了在进水氨氮500 mg·L~(-1)时,4个不同碱度(以CaCO_3计)对ZSBR亚硝化的影响.结果表明,ZSBR实现快速亚硝化的关键是游离氨(FA)对亚硝酸盐氧化菌(NOB)的抑制作用远大于其对氨氧化菌(AOB)的抑制作用,并且经此过程转化后的含氨氮的废水,可以作为厌氧氨氧化的进水,进一步脱除水中的氨氮与总氮,当系统投加碱度(以CaCO_3计)为2 500mg·L~(-1)时,ZSBR亚硝化效果最好,平均氨氮转化率为66.7%,平均亚硝酸盐氮积累率为98.1%,平均亚硝酸盐氮产率为0.74 kg·(m~3·d)~(-1).高通量测序分析表明ZSBR长时间运行后微生物群落发生显著变化,AOB得到富集,NOB在FA的抑制作用下不断被淘洗出反应器.     

Type 0092丝状菌污泥微膨胀在短程硝化中的实现

利用Type 0092丝状菌不易引发污泥恶性膨胀的特点,本实验采用实际生活污水,以SBR反应器接种短程硝化污泥,考察了短程硝化状态下启动Type 0092丝状菌污泥微膨胀的特性,研究了系统启动与维持期间的污泥沉降性能、亚硝酸盐积累率(NAR)、污染物去除特性以及污泥菌群结构变化情况.结果表明控制DO为0. 3～0. 8 mg·L~(-1),F/M(以COD/MLSS计)=0. 24 kg·(kg·d)~(-1),按照交替缺氧/好氧模式运行(单周期3次,缺氧∶好氧=20 min∶60 min),能够启动Type 0092丝状菌污泥微膨胀与短程硝化耦合,系统SVI值维持在180 m L·g~(-1)左右,NAR一直维持在99%左右,COD和TN去除率能够分别提高约13%和5%,相较于传统全程硝化非微膨胀状态曝气量能节省约62. 5%.当交替缺氧/好氧模式变为单周期交替6次,缺氧∶好氧=10 min∶30 min,亚硝酸盐氧化菌(NOB)的活性会恢复,使短程硝化被破坏;低溶解氧、交替缺氧/好氧、低负荷是实现Type 0092丝状菌污泥微膨胀的关键因素,当负荷(以COD/MLSS计)大于0. 25 kg·(kg·d)~(-1)时,仅靠低溶解氧和间歇曝气无法维持污泥微膨胀状态.     

间歇梯度曝气下缩短SRT强化短程SNEDPR系统脱氮除磷

为了探究间歇梯度曝气下污泥龄对氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）的影响,研究短程硝化内源反硝化除磷系统对于处理低C/N比生活污水的优势作用,本文采用SBR反应器培养好氧颗粒污泥,实验进水采用实际生活污水.结果表明,在SRT由50 d逐渐降低至30 d过程中,比氨氧化速率由3.16 mg·（g·h）^-1增加至4.38 mg·（g·h）^-1,比亚硝酸盐氧化速率由3.4 mg·（g·h）^-1降为1.8 mg·（g·h）^-1左右,可知NOB活性降低约44%,从而使系统实现了短程硝化.当SRT为30 d时,由典型周期实验可知亚硝酸盐最大积累量可达6.93mg·L^-1.由于系统中污泥浓度随SRT的减少而略有降低,因此在反应进行至40 d左右时根据DO曲线采取降低曝气量的策略,最终SRT为30 d时系统出水COD浓度为40.76 mg·L^-1,TN浓度为12.4 mg·L^-1,TP浓度为0.31 mg·L^-1,强化了系统中C、N和P的同步去除,最终得到了稳定运行的短程硝化内源反硝化除磷系统.同时好氧颗粒污泥EPS含量与SRT呈现负相关性,蛋白质含量由污泥龄为50 d的66.7 mg·g^-1升为30 d的95.1mg·g^-1,多糖保持在12.1~17.2 mg·g^-1的范围内,说明SRT的降低对蛋白质含量的影响较多糖大,当SRT为30 d时,PN/PS值保持在6.2左右,好氧颗粒污泥在该条件下仍能保持较好的结构稳定性.     

城市污水处理厂进水氨氧化菌对活性污泥系统的季节性影响

为考察进水氨氧化菌（AOB）对活性污泥系统的季节性影响,对未设置初沉池的西安市第二污水处理厂中进水及活性污泥的氨氧化活性及群落结构进行长期调查分析.结果表明,进水及活性污泥的比氨氧化速率（SAUR）分别为0.48~3.02 mg·（g·h）^-1和0.68~2.25 mg·（g·h）^-1,相关性分析结果显示进水SAUR与次月活性污泥SAUR高度相关（r=0.862,P<0.05）,表明进水硝化菌对活性污泥硝化性能有显著影响.根据硝化活性计算的进水AOB对活性污泥的接种强度为0.21~0.92 g·（g·d）^-1,因此,在优化活性污泥模型及污水厂设计时,有必要考虑到进水硝化菌的迁移作用.qPCR结果显示,进水及活性污泥中AOB丰度分别为1.32×10⁸~2.36×10⁹cells·g^-1和1.12×10¹⁰~1.19×10¹⁰ cells·g^-1,而冬季活性污泥中AOB丰度虽有降低,但仍保持在10¹⁰ cells·g^-1,这说明进水硝化菌的迁移能缓解因温度降低而导致的活性污泥硝化菌丰度下降.Illumina MiSeq测序结果表明,进水和活性污泥中具有共同的优势AOB,分为Nitrosomonas sp.Nm58、Nitrosomonas sp.JL21和bacterium CYCU-0253.     

反硝化-高效部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理老龄垃圾渗滤液

采用反硝化-沸石曝气生物滤池(ZBAF)部分亚硝化及氧氨氧化组合工艺处理老龄垃圾渗滤液,探究ZBAF部分亚硝化特性以及组合工艺的脱氮除碳性能.结果表明通过游离氨(FA)对亚硝酸盐氧化菌(NOB)的选择性抑制ZBAF可以实现老龄垃圾渗滤液稳定高效部分亚硝化,平均亚硝氮积累率(NAR)为93.8%亚硝氮产率(NPR)最高达1.659 kg·(m~(3·d)~(-1);在进水中投加葡萄糖700mg·L~(-1)后,当回流比为2.0 HRT为2.2 d时,由于反硝化与厌氧氨氧化的协同作用,组合工艺脱氮效果最佳,平均氨氮去除率(ARE)、总氮去除率(NRE)和总氮去除负荷(NRR)分别达97.2%、90.0%和0.585 kg·(m~3·d)~(-1),平均COD去除率为45.3%其中厌氧氨氧化平均NRR_(ANA)为1.060 kg·(m~3·d)~(-1)最高达1.268 kg·(m~3·d)~(-1).利用高通量测序技术分析各装置中的微生物群落结构.结果显示,反硝化细菌(Paracoccus和Comamonnas)、氨氧化细菌(AOB)(Nitrosomonas)和厌氧氨氧化菌(Candidatus Kuenenia和Candidatus Anammoxoglobus)分别为反硝化、ZBAF和厌氧氨氧化装置中的优势菌这与组合工艺稳定的脱氮性能相吻合.     

连续流亚硝化中试反应器的启动及其能力提升

通过接种污水处理厂压滤后污泥,添加悬浮填料进行挂膜,采用连续流反应器处理模拟氨氮污水,对反应器的游离氨(FA)、游离亚硝酸(FNA)以及溶解氧(DO)进行调控,实现了中试亚硝化反应器的成功启动.结果表明,通过前期高DO,后期低DO的运行模式,并对反应器运行过程中的FA、FNA进行调控实现了AOB的富集和NOB的淘汰,启动成功后反应器内部亚硝酸盐产生速率(NPR)达到1.27 kg·(m~3·d)~(-1),亚硝酸盐积累率(NAR)也稳定在98%.采用实时荧光定量PCR方法(quantitative real time PCR,q PCR)对启动初期和成功启动后反应器中的功能微生物(AOB、NOB)进行分析,q PCR结果表明反应功能微生物AOB的拷贝数从启动初期的5.3×10~9copies·m L~(-1)增长到1.6×10~(11)copies·m L~(-1),NOB的拷贝数反而从1.1×10~(10)copies·m L~(-1)下降到1.2×10~9copies·m L~(-1),AOB拷贝数的数量级比NOB的要高2个数量级,这也是在启动过程中通过DO、FA、FNA等措施对NOB联合抑制的作用.