有机物对厌氧氨氧化生物膜反应器脱氮效能及微生物群落的影响

为考察有机物对厌氧氨氧化生物膜反应器脱氮效能的影响,采用MPN（most probable number）法和高通量测序技术,结合处理效果数据,对比分析了有无有机物影响下生物膜中微生物群落差异.试验表明：在进水有机物（COD）为30和60 mg·L^-1作用下,总氮去除率与进水COD为0 mg·L^-1时的84.10%相比较分别提高了5.08%和10.41%;COD为90 mg·L^-1时,总氮去除率降至89.05%.由MPN法和高通量测序结果可知,相对于无有机物,60 mg·L^-1有机物使反应器中反硝化菌数量增加,浮霉菌门和变形菌门丰度明显提高,且微生物群落更加丰富.有机物能影响反应器中厌氧氨氧化、反硝化脱氮效能及微生物菌落丰度,适宜的有机物浓度可使厌氧氨氧化与反硝化作用有效耦合,提高反应器的脱氮效能.本研究可为厌氧氨氧化生物膜反应器处理含有机物的实际污水提供参考价值.     

高溶解氧条件下不同曝气量对短程硝化性能及微生物特征的影响

短程硝化过程是短程生物脱氮工艺中的限速步骤,在保证稳定亚硝化率的前提下,提高曝气量能够提高好氧氨氧化菌的活性,进而提高氨氧化速率.本文在序批式反应器中,通过改变曝气量,在高溶解氧条件下,考察不同曝气量对短程硝化的性能及微生物的影响.结果表明,随着曝气量的增大,氨氧化速率不断升高.单位体积曝气量为0.8、1.7、3.3、5.0 L·min^-1·L^-1时,氨氧化率维持在50%左右,亚硝酸盐氮积累率稳定在99%以上,平均氨氧化速率分别为0.88、0.96、1.29和1.32 mg·L^-1·min^-1.高通量测序分析表明,不同曝气量条件下,反应器中好氧氨氧化菌的优势菌属均为Nitrosomonas,而亚硝酸盐氧化菌都被有效抑制,Nitrospira丰度很低.此外,检出Acidovorax、Denitratisoma、Hyphomicrobium、Ignavibacterium等多种反硝化细菌,这些反硝化菌能够与好氧氨氧化菌共同作用,使系统发生少量内源同步硝化反硝化.综合考虑曝气能耗和反应速率,曝气量为3.3 L·min^-1·L^-1时,可实现控制短程硝化工艺的低耗高效运行.     

温度对一体式厌氧流化床膜生物反应器运行效能及微生物群落结构的影响

本研究采用一体式厌氧流化床膜生物反应器（integrated anaerobic fluidized-bed membrane bioreactor,IAFMBR）处理含苯并噻唑的高浓度合成废水,考察了温度变化（35、25和15℃）对反应器运行效能,膜污染情况和微生物群落结构的影响.结果表明,温度下降对反应器运行效能和膜污染情况产生不利影响.当温度从35℃下降到15℃时,COD去除率下降7.4%,苯并噻唑去除率下降49.2%,挥发酸总量上升225.66 mg·L^-1,甲烷产率（以CH₄/COD_removed计）下降0.118m³·kg^-1.膜污染周期从5.2 d下降到2.5 d.对于滤饼层而言,达到膜污染时,SMP（soluble microbial product）的质量浓度从42.47 mg·L^-1上升到70.62 mg·L^-1,EPS（extracellular polymeric substance）的含量（以VSS计）从46.30 mg·g^-1上升到82.22 mg·g^-1;对于混合液而言,SMP的质量浓度从36.46 mg·L^-1上升到69.35 mg·L^-1,EPS的含量从47.47 mg·g^-1上升到81.63 mg·g^-1.蛋白质是EPS和SMP的主要成分,约占总成分的80%.微生物群落结构表明,Firmicutes（厚壁菌门）和Chloroflexi（绿弯菌门）始终是最优势的菌门,占全部菌门相对丰度的42.6%~61.0%.随着温度的下降,优势菌属分别是Clostridium（13.7%）,Levilinea（15.2%）和Lactococus（17.9%）.产甲烷古菌的优势菌属始终是Methanosaeta.     

基于甲烷氧化菌的城镇污水厂尾水极限脱氮系统构建及机制

好氧甲烷耦合反硝化（AME-D）在城镇污水厂尾水深度脱氮方面具有巨大的应用潜力,研究采用改良型反硝化生物滤池,利用低浓度甲烷构建出AME-D极限脱氮系统.研究发现该系统在间歇式运行方式下,出水中总氮和氨氮的平均浓度能达到1.05 mg·L^-1和0.54 mg·L^-1,其平均去除率分别为94.77%和93.30%.拉曼光谱分析结果显示,由NO₃^-对称伸缩引起的峰明显消失,由醇COH面外弯曲或C—H面外弯曲振动吸收引起峰明显增强,甲烷被氧化形成的中间产物可能主要为醇类物质.16S rRNA基因测序结果表明,系统中的甲烷氧化菌主要为Methylocystis（0.27%）、Methylosarcina（0.10%）和Methyloparacoccus（0.12%）,反硝化菌主要为Pseudomonas（56.92%）、Paenibacillus（3.52%）和Lysinibacillus（3.00%）,硝化菌主要为Nitrospira（0.1%）,说明AME-D极限脱氮系统的脱氮功能是由好氧甲烷氧化菌、反硝化菌和硝化菌协同实现.     

硫磺/硫铁矿自养反硝化系统脱氮性能

基于硫自养反硝化作用,寻求一种经济、快速、高效地污水脱氮工艺,采用硫磺/硫铁矿组合进行自养反硝化脱氮试验,以低C/N市政污水为处理对象,分别考察温度,硫磺与硫铁矿体积比和HRT等理化因素对反应器脱氮性能的影响.结果表明,在进水TN质量浓度约40 mg·L^-1条件下,1号反应器最佳HRT为2.5 h,TN去除率平均稳定在72.2%,出水TN约10.55 mg·L^-1;2号反应器最佳HRT为3.5 h,TN平均去除率约67.8%,出水TN平均稳定至12.90 mg·L^-1;3号反应器最佳HRT为3.5 h,TN平均去除率60.6%,出水TN稳定在15.00 mg·L^-1左右.硫磺/硫铁矿自养反硝化系统比硫铁矿自养反硝化系统启动快;该系统脱氮效率随着硫磺与硫铁矿体积比减小而降低;该系统脱氮性能对温度的变化并不敏感,脱氮性能优于单独以硫铁矿为硫源的自养反硝化系统;系统中硫自养反硝化过程的主要功能菌属是Sulfurimonas和Thiobacillus,在3个反应器所占比例为1号 > 2号 > 3号.     

低总氮浓度下Fe2+促进ANAMMOX生物膜反应器脱氮

在低总氮（TN）浓度条件下考察了Fe²⁺促进串联两级ANAMMOX生物膜反应器脱氮性能的可行性.结果表明,ρ（Fe²⁺）为5、10和15 mg·L^-1能够有效促进厌氧氨氧化反应,ρ（Fe²⁺）为10 mg·L^-1对两级ANAMMOX生物膜反应器的促进程度最大,在进水ρ（TN）约为150 mg·L^-1,总氮负荷（NLR）为0.62 kg·（m³·d）^-1条件下,最高总氮去除率（NRE）可达81.71%.添加Fe²⁺可促进系统胞外聚合物（EPS）的分泌以及亚铁血红素c的合成.批次试验结果进一步验证了ρ（Fe²⁺）为5、10和15 mg·L^-1时对厌氧氨氧化菌活性的促进作用,其中ρ（Fe²⁺）为10 mg·L^-1时的比厌氧氨氧化活性（SAA）是对照组的3.6倍,而当ρ（Fe²⁺）为20 mg·L^-1时,AnAOB活性受到明显抑制.高通量测序结果显示,投加Fe²⁺均促进了反应器中Candidatus_Kuenenia丰度的增加,其中ρ（Fe²⁺）为10 mg·L^-1时两个反应器中Candidatus_Kuenenia的相对丰度分别增至16.18%和4.22%.基于Fe²⁺促进下两级厌氧氨氧化的稳定运行为厌氧氨氧化生物膜工艺处理低总氮浓度废水提供了参考.     

诺氟沙星对地下水中反硝化过程的影响:反硝化酶活性的证据

为探究不同初始浓度诺氟沙星对地下水反硝化过程中NO₃^--N和NO₂^--N降解的影响,选取以乙酸钠为电子供体,硝酸盐为电子受体驯化的反硝化细菌进行厌氧反硝化批实验研究,从反硝化细菌生长特性和反硝化酶活性等方面揭示诺氟沙星对反硝化过程的影响机制.结果表明,浓度为10 μg·L^-1和100 μg·L^-1的诺氟沙星对反硝化细菌的生长及NO₃^--N降解均有抑制作用,100 μg·L^-1诺氟沙星对NO₃^--N降解的抑制程度更大,抑制率为77.3%;且100 μg·L^-1诺氟沙星减少了NO₂^--N积累,最大积累量降低了67.9%.诺氟沙星初始浓度大于10 μg·L^-1时抑制了硝酸盐还原酶活性,在此过程中,亚硝酸盐还原酶活性在一定程度上有所增强.反硝化酶活性与NO₃^--N及NO₂^--N降解规律相符.因此,诺氟沙星对反硝化酶活性的控制作用是其影响反硝化过程的主要原因.     

亚硝酸盐不同生成方式对短程硝化反硝化除磷颗粒系统的影响

为了探究亚硝酸盐生成方式对短程硝化反硝化除磷颗粒系统的影响,采用2组同规格SBR反应器分别在连续和间歇曝气方式下使亚硝酸盐连续生成和间歇生成,考察其运行过程中脱氮除磷效果、污泥物理特性和微生物群落结构.结果表明,亚硝酸盐间歇生成后随即消耗,具有更好和更稳定的脱氮除磷性能,特别在TN去除上,第72 d后TN平均去除率为92.07%.碳源利用效率（以P/COD计）集中在0.21~0.22mg·mg^-1,碳源利用充分,进一步促进反硝化除磷.颗粒粒径分布集中,大小均匀,具有规则的形状和清晰的边界.微生物群落分析表明,亚硝酸盐间歇生成的系统微生物群落丰富度和多样性更高,同时富集了更多DPAOs菌属（Dechloromonas和Pseudomonas）,与Nitrosomonas共同作用使短程硝化与反硝化除磷达到动态平衡,实现系统稳定运行.     

ANAMMOX培养物中硫酸盐型氨氧化生物转化机制

厌氧条件下,ANAMMOX培养物中发生的硫酸盐型氨氧化（SRAO）现象被认为是由ANAMMOX细菌（AnAOB）介导的自养生物转化过程.在这个过程中,作为电子供体的氨被电子受体硫酸盐氧化.在某一些自然环境中观察到的氨与硫酸盐转化现象也被认为是由于上述生物转化作用而导致的.然而,在不同研究中,关于氨与硫酸盐的转化摩尔比（N/S）、硫酸盐还原的中间产物和最终产物的认定均有存在较大差异.因此,氨和硫酸盐在ANAMMOX培养物中的转化机制仍不明确.为探明ANAMMOX污泥中SRAO现象背后的基质转化途径,在不同厌氧状态（微氧：-100 mV < ORP < 0 mV,0.5 mg·L^-1 < DO < 1 mg·L^-1;缺氧：-300 mV < ORP < -100 mV,0.2 mg·L^-1 < DO < 0.5 mg·L^-1;厌氧：ORP < -300 mV,DO < 0.2 mg·L^-1）以及不同污泥组成（ANAMMOX污泥和混合污泥）的条件下开展连续流实验和批次实验.结果表明,SRAO现象只能在缺氧条件且存在异养硫酸盐还原细菌（SRB）的混合污泥中发生;在ANAMMOX污泥中无论处于哪种厌氧状态,均不会发生SRAO现象.微生物群落变化与功能基因表达分析表明,ANAMMOX污泥和混合污泥中均存在以Nitrosomonas和Nitrosospira为主的携带amoA基因的氨氧化细菌（AOB）,可将氨氧化生成亚硝酸盐,为AnAOB代谢提供底物.Desulfomicrobium、Desulfovibrio以及Desulfonatronum等携带apsA基因的SRB只存在于混合污泥中,它们利用微生物衰亡释放的有机物将硫酸盐还原.AnAOB并不能以硫酸盐为电子受体氧化氨维持代谢.因此,在ANAMMOX污泥中观察到的SRAO现象（即氨与硫酸盐的同步转化）实际上是氨氧化、ANAMMOX和异养硫酸盐还原这3个过程联合的结果,上述生物转化过程分别由AOB、AnAOB和SRB完成.     

鄱阳湖湿地DOM对铁还原菌异化还原水铁矿的影响

湿地土壤和沉积物中的Fe（Ⅲ）还原过程是地球化学循环中重要的一部分,目前有关鄱阳湖湿地DOM的化学组成及其与Fe（Ⅲ）还原作用的构效关系尚不明确.为此,以鄱阳湖湿地沉积物中分离筛选出的铁还原菌作为模式菌,Fe（Ⅱ）的生成量作为考察指标进行Logistic方程拟合分析,并采用紫外-可见光谱、三维荧光光谱及XRD光谱,研究了不同浓度和来源的DOM对水铁矿的还原作用,并对"DOM-铁还原菌-水铁矿"体系中电子转移机制进行了探讨.结果表明,DOM对水铁矿的还原具有促进作用,当苔草DOM浓度为30 mg·L^-1时,可使Fe（Ⅱ）含量增加39.7%;DOM对Fe（Ⅲ）还原的促进作用与水铁矿含量相关,在水铁矿添加量为0~1000 mg·L^-1时,Fe（Ⅱ）含量显著增加,其中1000 mg·L^-1下的Fe（Ⅱ）生成量是50 mg·L^-1的13.2倍.不同浓度DOM对Fe（Ⅲ）还原的促进作用不同,表现为苔草DOM：150 mg·L^-1>100 mg·L^-1≈50 mg·L^-1≈30 mg·L^-1>20 mg·L^-1>0 mg·L^-1,沉积物和根际土DOM对Fe（Ⅲ）还原的促进作用均随着浓度（20、30、50 mg·L^-1）的增加而略有增大.不同来源（苔草、沉积物、根际土） DOM对水铁矿还原的促进作用无显著性差异（p<0.05）.DOM对水铁矿还原的促进作用主要表现为低分子量组分（色氨酸、酪氨酸等）为铁还原菌提供营养物质和大分子量组分（腐殖酸、富里酸）作为电子穿梭物质.这些结果反映了DOM在电子转移反应中的重要性,为DOM的环境属性提出了一个新见解.     

微氧条件下以甲烷为碳源的反硝化实验研究

为探清微氧条件下以甲烷为碳源的反硝化是甲烷好氧氧化偶联反硝化(AME-D),还是甲烷厌氧氧化偶联反硝化(ANME-D),本研究以污水处理厂厌氧污泥为接种物,在微氧条件下以甲烷为碳源进行硝酸盐和亚硝酸盐反硝化的富集培养,考察硝酸盐和亚硝酸盐的反硝化速率,并对富集培养物的微生物群落和甲烷单加氧酶功能基因进行分析.结果表明:微氧条件下硝氮/亚硝氮的还原主要以AME-D过程为主,稳定阶段硝氮和亚硝氮的平均去除速率分别为3.69 mg·L~(-1)·d~(-1)(以N计)和18.04 mg·L~(-1)·d~(-1)(以N计),富集培养物中的优势微生物为甲基球菌科(Methylococcaceae)中的甲基单胞菌属(Methylomonas),相对含量为21.86%.     

亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化过程强化新视角:排泥及其微生物机制研究

亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化(Nitrite-dependent anaerobic methane oxidation, n-DAMO)是微生物在厌氧条件下利用甲烷还原亚硝酸盐的过程.本研究通过排泥的策略对n-DAMO过程进行强化,并比较分析了反应器中微生物的群落结构及功能微生物数量.结果发现,与对照组相比,排泥后实验组反应器的脱氮速率从17.00 mg·L~(-1)·d~(-1)提高到73.10 mg·L~(-1)·d~(-1).排泥后反应器中n-DAMO细菌的相对丰度从38.3%上升到67.7%,功能微生物的基因拷贝数由1.404×10~8 copies·g~(-1)增长到4.854×10~8 copies·g~(-1),污泥比活性提高了2.95倍.与之相反,初始反应器中其余优势微生物Unclassified_GCA004、Unclassified_Rhodocyclaceae、Unclassified_Fimbriimonadaceae与Methylosinu相对丰度分别下降为原来的27.66%、32.65%、4.35%、20.27%.结果表明,排泥可以有效地强化n-DAMO过程,同时促进功能微生物的生长,主要原因在于排泥排出了非目标微生物,使得目标微生物大量生长.本研究为强化n-DAMO过程及加快n-DAMO微生物的富集提供了一条新思路,并为进一步推动n-DAMO过程的工程应用提供了理论基础.     

1株异养反硝化硫细菌的分离鉴定及代谢特性

工业废水中的有机物、硫化物和含氮化合物是废水处理面临的重大挑战.利用生物技术,可以实现在废水处理系统中同时去除这3种污染物.在污水处理反应器中,分离出1株异养反硝化硫细菌HDD1.基于16S rRNA基因的系统进化分析和生理特征显示菌株HDD1为Thauera属的一个种.菌株HDD1能够利用乙酸盐和硫化物作为电子供体,硝酸盐作为电子受体进行呼吸作用.在15h之内,CH3COO-(300 mg·L~(-1))、S2-(200 mg·L~(-1))和NO-3(487 mg·L~(-1))被完全代谢去除.扫描电子显微镜和能量色散谱结果显示硫化物氧化的主要产物为单质硫.菌株HDD1能够同时应用于工业废水处理和硫元素的资源化回收.     

高效反硝化细菌的快速培养及群落结构多样性分析

培养高效的反硝化细菌可提高污水处理效率.本实验为序批式实验,以Ⅰ号、Ⅱ号发酵液为碳源,采用梯度提高硝氮的方式,培养高效的反硝化细菌,从中选择培养更加快速的发酵液.并采用高通量测序技术分析反硝化细菌的生物群落结构和多样性的变化.结果表明,Ⅱ号发酵液能够在第11 d便实现高效反硝化细菌[300 mg·(L·h)-1]的快速培养,比Ⅰ号发酵液提前了17 d,同时,高效反硝化细菌系统对氨氮和总磷有一定的去除效果,最大去除速率分别为34.43 mg·(L·h)-1和2.98mg·(L·h)-1.高通量测序分析结果表明,污泥经过驯化培养,物种丰度和多样性降低,但发挥反硝化作用的优势菌群的类别和比例得到增大;细菌的组成及数量发生了较大的改变,最终发挥高效反硝化作用的核心菌属为Thauera和Pseudomonas.另外,反硝化聚磷菌科(Rhodocyclaceae和Pseudomonadaceae)和异养硝化菌属(Pseudomonas、Alcaligenes、Bacillus和Comamonas)的存在,验证了系统对氨氮和总磷的去除能力.     

甲烷厌氧氧化协同硝酸盐还原菌群驯化及其群落特征

伴随硝酸盐还原的甲烷厌氧氧化是协同减少环境中硝酸盐及甲烷的有效途径.利用实验室废水处理厌氧污泥、污水处理厂厌氧污泥和填埋场覆土驯化富集硝酸盐还原型甲烷厌氧氧化菌群.考察菌群的甲烷氧化效果,结果发现接种污水处理厂厌氧污泥体系甲烷转化量最大,为0.05 mg·d-1.微生物群落结构分析显示,该体系中甲烷微菌和甲烷八叠球菌是甲烷氧化菌,假单胞菌、梭状芽胞杆菌和热单胞菌参与了硝酸盐的还原反应.硝酸盐的量影响甲烷的转化率及菌群结构.当硝酸盐浓度为200 mg·L-1时,体系中的硝酸盐还原菌为假单胞菌和梭状芽胞杆菌;浓度增加至500 mg·L-1时,硝酸盐还原菌则是假单胞菌和热单胞菌.同时,甲烷转化率增加34.7%.研究结果为该菌群应用于含甲烷废气与含硝酸盐废水的协同处理提供科学依据.     

基于PLFA法分析亚硝氮、硝氮和氨氮对厌氧微生物细菌群落的影响

利用磷脂脂肪酸(PLFA)技术研究了亚硝氮、硝氮和氨氮在不同浓度水平下对中温厌氧颗粒污泥中厌氧细菌群落结构的影响.结果表明,高浓度亚硝氮(360 mg·L-1,以N计)、硝氮(300 mg·L-1,以N计)和氨氮(3000 mg·L-1,以N计)使系统COD去除率分别下降至3.49%、10.85%和71.53%,并使污泥表面主要细菌由杆菌变为球状菌;亚硝氮和硝氮引起厌氧细菌和革兰氏阳性菌的含量下降,氨氮引起革兰氏阴性菌的含量下降;PLFA香农-威尔多样性指数随着亚硝氮和硝氮浓度的升高从1.12分别下降至0.96和1.03,氨氮对PLFA香农-威尔多样性指数无明显影响.     

不同诱导模式下CAST工艺的亚硝酸盐型反硝化除磷能力

实验采用改良型CAST工艺,考察了不同诱导模式下系统的除磷脱氮性能.结果表明,在缺氧条件下投加亚硝酸盐对系统反硝化除磷性能的抑制作用较大,投加量为5 mg·L~(-1)时系统除磷性能变差.相比较,好氧投加亚硝酸盐的CAST系统更稳定,当亚硝酸盐投加浓度为5、10、15 mg·L~(-1)时各工况初期除磷性能均有小幅波动,但分别经过10、6、34 d驯化后,除磷率迅速回升并稳定在95%以上,出水磷浓度均小于0.5 mg·L~(-1);投加量为20 mg·L~(-1)时工艺除磷性能急速恶化,但污泥的亚硝酸盐型缺氧吸磷能力是驯化前的10.4倍,说明投加一定浓度亚硝酸盐导致的除磷性能恶化可以解除,且长期投加有利于富集以NO_2~-为电子受体的反硝化聚磷菌.实验还发现,好氧投加一定浓度亚硝酸盐系统污泥沉降性能良好且污泥浓度不断降低,这对污泥减量具有一定指导意义.     

氨氮对反硝化型甲烷厌氧氧化细菌的影响机理研究

反硝化型甲烷厌氧氧化(Denitrifying Anaerobic Methane Oxidation,DAMO)是以甲烷为电子供体和唯一碳源,以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体的一种氧化还原反应,可用于废水脱氮,而氨氮是含氮废水中存在的主要形式.目前的研究认为主导DAMO过程的微生物主要有DAMO细菌和DAMO古菌.本文以DAMO细菌为优势菌种的系统为研究对象,通过短期和长期试验,从宏观和微观上研究了氨氮对该系统短期和长期的影响,并比较了不同pH体系下影响效果差异,揭示了相关影响机理.短期试验研究表明,氨氮对该系统的安全浓度为250 mg·L~(-1).当氨氮浓度为500 mg·L~(-1)时,对该系统的脱氮效率造成明显的抑制作用,并且随着浓度、时间的增加,氨氮对其的抑制效果增强;不同pH条件下抑制效果的差异对比发现,在碱性条件下,真正起抑制作用的是氨氮的质子化形式FA(Free Ammonia),在中性及酸性条件下,真正起抑制作用的抑制因子是离子化的NH_4~+.通过扫描电镜对系统中絮状污泥分析发现,在氨氮的短期抑制后,系统内的微生物出现了明显皱缩,丝状菌的数量增加;采用高通量测序技术分析了长期氨氮抑制后的系统,结果显示,系统内菌群结构发生较大改变,物种的多样性和丰度都大大降低.通过菌属分析认为,系统脱氮效率的降低是由于Methylomonas(甲基单胞菌属)数量的减少引起的.     

基于ABR-MBR组合工艺优化反硝化除磷性能的研究

基于ABR-MBR一体化反应器,以低C/N比生活污水为研究对象,结合厌氧折流板反应器(ABR)微生物相分离的特性,通过优化与ABR优质供碳和脱氮除磷相耦合的膜生物反应器(MBR)硝化液回流比以实现高效反硝化除磷,并对ABR-MBR污泥回流比进行优化.结果表明,在ABR段有机负荷为2.0 kg·(m3·d)-1、系统的水力停留时间(HRT)为9 h、泥龄(SRT)为15 d,系统获得最优的处理效果时的硝化液回流比和污泥回流比分别为300%和100%.其中TN和溶解性PO3-4-P平均去除率分别达84%和94%,ABR中反硝化除磷量可达系统总去除量的87%,平均出水TN和溶解性PO3-4-P浓度分别为12.98 mg·L-1和0.43 mg·L-1.