序批式生物反应器填埋场脱氮微生物多样性分析

为探究序批式生物反应器填埋场脱氮过程中的微生物作用机制,本研究采用建立脱氮功能基因(amoA、nosZ)克隆文库及PCR-RFLP技术对序批式生物反应器填埋场垃圾稳定化后期的主要脱氮功能微生物多样性进行分析.结果表明,矿化垃圾反应器中检测到的氨氧化细菌存在高度多样性,大部分为未知类群,且均为不可培养菌或未经分离获得的细菌,经系统发育树分析系统内氨氧化细菌以β-变形菌门中的亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)为主;新鲜垃圾反应器中反硝化细菌种群丰富,主要有β-变形菌纲中的陶厄氏菌属(Thauera)和硫杆菌属(Thiobacillus).Thauera属在好氧条件下具有反硝化特性,Thiobacillus属中的脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)是一种硫自养反硝化菌,可见新鲜垃圾单元稳定化后期以好氧反硝化和自养反硝化的脱氮途径为主.此外文库中检测到的一部分反硝化细菌可能归属于α-变形菌纲的慢生根瘤菌科(Bradyrhizobiaceae).     

生物膜全自养脱氮过程及强化机理研究进展

在限制溶氧的条件下,生物膜表层的好氧氨氧化菌将氨氧化为亚硝酸盐,并传递到生物膜内层缺氧区,厌氧氨氧化菌将氨和亚硝酸盐同步去除。根据生物膜内好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌协作共生开发出的全自养脱氮工艺在生物转盘、SBR及填料床等反应器内实现,大大节省了碳源和曝气量。微量NO2对好氧氨氧化和厌氧氨氧化过程有明显强化作用,能显著提高基质降解速率、微生物生长速率和细胞密度。数学模型对废水处理工艺开发和运行具有重要意义,通过数学模型对微生物活性、分布以及脱氮过程的主要影响因素进行模拟研究,为全自养脱氮工艺的运行管理和优化控制打下基础。     

城市污水厌氧氨氧化脱氮面临的挑战与应对策略

基于厌氧氨氧化(Anammox)的高效自养脱氮技术用于城市污水处理为污水处理厂的能量自给运行提供了可能。首先,简述了污水Anammox自养脱氮的反应过程和技术优势,然后重点从亚硝酸盐氧化细菌(NOB)抑制、厌氧氨氧化细菌(AnAOB)富集截留以及AnAOB与好氧氨氧化细菌(AOB)等之间平衡调控3个方面总结分析了Anammox自养脱氮技术用于城市污水处理面临的挑战及其应对策略。最后展望了城市污水Anammox自养脱氮技术的未来研究方向。     

膜曝气生物膜反应器运行单级自养脱氮工艺功能型菌群特性研究

基于16S rDNA基因的分子生物学方法,对运行单级自养脱氮工艺的膜曝气生物膜反应器（membrane-aerated biofilm bioreactor, MABR)内的2个主要效应菌群(氨氧化菌和厌氧氨氧化菌)之间的协同作用关系和在生物膜上可能的空间分布进行研究.荧光原位杂交结果显示,试验的曝气生物膜主要存在2个明显的功能层,一个是靠近曝气膜和生物膜交界的氨氧化菌聚集层,另一个是靠近生物膜与水体交界的厌氧氨氧化菌聚集层.氨氧化菌和厌氧氨氧化菌群为曝气生物膜上的2个主要功能菌群,它们之间的合作共生和协同作用是膜曝气生物膜实现单级自养脱氮的基础.     

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.     

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.      

全程自养脱氮新技术处理污泥脱水液的研究

以含有高浓度氨氮的消化污泥脱泥污水为基质,在悬浮填料床反应器中实现了稳定的全程自养脱氮过程.在填料表面培养形成了全程自养脱氮混菌生物膜.反应器的主控条件为T=28℃,pH=8.0左右,溶氧为0.8～1.0 mg/L.两级串联反应器的平均表面负荷为NH₄⁺-N 3～4 g/(m²·d),总的全程自养脱氮率达70%左右.对处理高氨氮含量和低C/N比的废水,全程自养脱氮较常规硝化-反硝化脱氮技术可大大降低氧耗并无需外加有机碳源,因此具有很好的应用前景.     

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.     

铁强化厌氧氨氧化脱氮机理研究进展

如何强化厌氧氨氧化细菌生长代谢,提高厌氧氨氧化工艺脱氮效能以及保障工艺长期稳定运行是有关厌氧氨氧化研究的热点之一.铁强化厌氧氨氧化是当前研究最为广泛且最具经济性和实用性的一种措施.本文简述了铁强化厌氧氨氧化技术及其强化脱氮效能;重点从优化厌氧氨氧菌的生长环境、促进胞外聚合物分泌、加速脱氮功能菌群富集、诱导细胞结构演变、调控关键酶和功能基因表达、促进信号分子合成以及强化非生物脱氮反应等方面总结了铁强化厌氧氨氧化菌生长代谢和厌氧氨氧化系统脱氮效能的机理.最后对铁强化厌氧氨氧化技术进行总结展望,并提出废铁屑强化厌氧氨氧化技术的构想.     

矿化垃圾生物反应器中的细菌多样性分析

为探究准好氧生物矿化垃圾床处理渗滤液过程中的微生物作用机理,研究建立了16S r DNA克隆文库及PCRRFLP技术以研究矿化垃圾反应器的细菌多样性。结果表明:矿化垃圾反应器细菌具有高度多样性,反应器内有36种细菌分别属于13个纲,变形菌纲占绝对优势占70%(其中β-变形占56.5%,γ-变形菌纲占10%),拟杆菌纲、鞘氨醇菌纲,芽孢杆菌纲也具有一定优势;3%的Nitrosomonas属是渗滤液氨氮转化成亚硝酸盐氮的主要功能微生物,由于亚硝酸盐氧化菌不存在或丰度极低,因此造成反应器内亚硝酸盐积累;Thauera属(17%)和Thiobacillus denitrificans属(10%)是反应器内主要优势微生物属,是反应器内反硝化脱氮的功能微生物,由于Thauera属在好氧条件下具有反硝化特性,Thiobacillus denitrificans为严格自养反硝化菌,因此反应器脱氮主要途径为好氧反硝化、自养反硝化。     

Community analysis of ammonia-oxidizing bacteria in activated sludge of eight wastewater treatment systems

We investigated the communities of ammonia-oxidizing bacteria(AOB) in activated sludge collected from eight wastewater treatment systems using polymerase chain reaction(PCR) followed by terminal restriction fragment length polymorphism(T-RFLP),cloning,and sequencing of the α-subunit of the ammonia monooxygenase gene(amoA).The T-RFLP fingerprint analyses showed that different wastewater treatment systems harbored distinct AOB communities.However,there was no remarkable difference among the AOB TRFLP profiles from different parts of the same system.The T-RFLP fingerprints showed that a full-scale wastewater treatment plant(WWTP) contained a larger number of dominant AOB species than a pilot-scale reactor.The source of influent affected the AOB community,and the WWTPs treating domestic wastewater contained a higher AOB diversity than those receiving mixed domestic and industrial wastewater.However,the AOB community structure was little affected by the treatment process in this study.Phylogenetic analysis of the cloned amoA genes clearly indicated that all the dominant AOB in the systems was closely related to Nitrosomonas spp.not to Nitrosospira spp.Members of the Nitrosomonas oligotropha and Nitrosomonas communis clusters were found in all samples,while members of Nitrosomonas europaea cluster occurred in some systems.     

Functional relationship between ammonia-oxidizing bacteria and ammonia-oxidizing archaea populations in the secondary treatment system of a full-scale municipal wastewater treatment plant

The abundance of ammonia-oxidizing bacteria and archaea and their amoA genes from the aerobic activated sludge tanks, recycled sludge and anaerobic digesters of a full-scale wastewater treatment plant (WWTP) was determined. Polymerase chain reaction and denaturing gradient gel electrophoresis were used to generate diversity profiles, which showed that each population had a consistent profile although the abundance of individual members varied. In the aerobic tanks, the ammonia-oxidizing bacterial (AOB) population was more than 350 times more abundant than the ammonia-oxidizing archaeal (AOA) population, however in the digesters, the AOA population was more than 10 times more abundant. Measuring the activity of the amoA gene expression of the two populations using RT-PCR also showed that the AOA amoA gene was more active in the digesters than in the activated sludge tanks. Using batch reactors and ddPCR, amoA activity could be measured and it was found that when the AOB amoA activity was inhibited in the anoxic reactors, the expression of the AOA amoA gene increased fourfold. This suggests that these two populations may have a cooperative relationship for the oxidation of ammonia.     

消化污泥序批式驯化中产气性能和微生物多样性变化

利用序批式运行方法探索低活性厌氧接种污泥对新底物的适应过程。研究发现,接种污泥经过1个批次驯化后,后续批次的甲烷产量维持稳定,说明首批次培养实现了有效的代谢调整。分析各发酵批次的pH值和产甲烷动力学参数发现,随着驯化批次的增加,接种污泥产甲烷的延迟期缩短、产甲烷速率升高,且各批次初期酸化程度降低,说明了多批次驯化促进污泥对底物的适应能力。高通量测序技术分析驯化前后微生物群落结构可知,3个批次驯化后污泥菌群的丰富度和多样性均降低。驯化筛选出以Paludibacter属（相对丰度为52.3%）和Methanosaeta属（相对丰度为72.31%）为优势菌属的群落结构。     

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.     

环境样品中亚硝酸细菌amoA基因的克隆与测序

对从环境样品中分离的亚硝酸细菌(Ammonia oxidizingbacteria)amoA基因进行克隆与测序,为构建基因工程菌打下基础。采用亚硝酸细菌选择性培养基,从4个不同的畜牧养殖污水处理厂采集的样品(分别编号为1,2,3,4)在室温下富集培养2个月后,采取酚氯仿抽提的方法提取DNA。根据已报道的亚硝化单胞菌(Nitrosomonassp.)amoA基因序列,设计引物AMOB AMOE,并在AMOB,AMOE的5′-端分别加上了BamHⅠ和HindⅢ的限制性酶切位点,以利于进一步酶切和克隆。用AMOB AMOE对4种样品的DNA进行PCR扩增,PCR产物进行琼脂糖凝胶电泳分析。结果表明,4种样品中1号和3号样品扩增得到预期长度的DNA片段,2号和4号样品扩增没有得到预期片段。回收纯化PCR产物与pGEM-T载体连接,构建amoA基因测序载体,并转化E.coliM15。测序结果提交GenBank进行Blast分析。结果显示,扩增得到的DNA片段均与Nitrosomonassp.GH22的amoA基因有99 7%的同源性,可从环境中分离的亚硝酸细菌中克隆出amoA基因。      

低DO对活性污泥系统碳和氮去除影响的研究

考察了长期低溶解氧（DO）条件下推流式活性污泥系统碳和氮去除的效果,并从微生物群落结构及动力学特征方面进行了机理分析. 结果表明, 将DO浓度从2.0mg/L降低至0.3mg/L,系统仍可有效地去除污水中的碳和氮,但当DO降低至0.3mg/L时, 系统的脱氮性能波动较大. 随着DO浓度的降低, 系统中细菌的总体群落结构发生改变, 但功能菌群仍为Proteobacteria,约占65%.Nitrosomonas oligotropha、Nitrobacter winogradskyi spp.和Group1Nitrospira等是低溶解氧条件下的主要硝化细菌. qPCR结果显示DO从2.0mg/L降至0.5mg/L时硝化细菌（主要是Nitrospira）得到富集, 保证了低DO条件下的完全硝化. 硝化反应动力学分析也表明, 在一定范围内降低DO可以延迟细菌衰亡以维持活性污泥系统中硝化细菌的生物量. 本研究可为污水处理厂降低DO实现节能运行提供理论支持.     

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。     

农业废物好氧堆肥中氨氧化细菌的群落结构

应用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE）技术对农业废物好氧堆肥过程中氨氧化细菌（ammonia-oxidizingbacteria,AOB）种群结构随时间的变化情况进行了研究,结果表明,AOB群落的Shannon-Weaver指数初始值为2.58,堆肥结束时为2.02,多样性整体呈下降趋势.通过对部分优...     

全程自养脱氮颗粒污泥培养及动力学研究

SBR反应器接种厌氧颗粒污泥,经过3个阶段培养,成功培养出全程自养脱氮颗粒污泥,并对颗粒污泥系统进行动力学研究.建立了描述全程自养脱氮的动力学模型.由于溶解氧(DO)在颗粒污泥内呈梯度分布,模型引入DO校正系数.通过模型研究反硝化作用、亚硝酸盐和DO对过程的影响,模拟结果与实测结果相一致.结果说明,异养反硝化菌的存在,在一定程度上影响厌氧氨氧化(ANAMMOX)过程,但是随着启动的进行,反硝化的影响逐渐降低.初始亚硝酸盐浓度为20~30 mg/L时,厌氧氨氧化开始受到抑制,总氮去除率开始降低.DO浓度的过高或过低都会导致全程自养脱氮效果受限制.根据进水氨氮浓度调整DO浓度,可使总氮去除效率达到较佳水平.进水氨氮浓度为80 mg/L时,最佳DO为0.3~0.6 mg/L.     

同步脱氮除磷好氧颗粒污泥培养过程微生物群落变化

本实验利用生活污水培养具有同步脱氮除磷(simultaneous nitrogen and phosphorus removal,SNPR)功能的好氧颗粒污泥(aerobic granular sludge,AGS).采用Illumina Mi Seq PE300高通量测序对AGS培养过程中细菌群落变化进行了研究,以期揭示污泥好氧颗粒化成因.采用实时荧光定量PCR对AGS培养过程中氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)、氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)、亚硝酸盐氧化菌(nitrite-oxidizing bacteria,NOB)和聚磷菌(polyphosphate accumulating organisms,PAOs)的丰度变化进行了研究.结果表明:历时100 d培养出的AGS质地紧实,具有良好的SNPR效果.AGS胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)中多糖含量在培养过程中增加明显,而蛋白质含量保持稳定.AGS培养过程中,AOB的丰度略微下降,AOA的丰度明显下降,NOB的丰度无明显变化,而PAOs的丰度在AGS培养初期明显增加.在AGS培养过程中,细菌群落多样性呈现出先升高后降低的趋势,且细菌群落组成发生了明显的变化.持久型OTUs占样品总序列数的92.70%,其中变形菌门(Proteobacteria,31.07%~53.67%)、拟杆菌门(Bacteroidetes,6.70%~16.50%)和绿弯菌门(Chloroflexi,7.84%~13.36%)是AGS培养过程中的细菌优势门.Candidatus competibacter属在AGS培养过程中大量富集(由种泥中的0.11%增加到35.33%),其可能会分泌胞外多糖,形成黏性EPS,促进絮状污泥团聚成为AGS.