甲烷为唯一电子供体驱动硝酸盐/亚硝酸生物还原及微生物群落结构分析

反硝化厌氧甲烷微生物生长缓慢、倍增时间长,难以在短时间内成功富集.为快速大量富集以甲烷为唯一电子供体的硝酸盐/亚硝酸盐还原微生物,选择甲烷通量适宜的中空纤维膜材料并设计高效无泡曝气膜生物膜反应器（MBfR）.在反应器运行初期,两个反应器分别手动添加200 mg·L^-1的硝酸盐和亚硝酸盐,两个反应器进行闭合自循环的76 d内,均可在10 d内将200 mg·L^-1的硝酸盐和亚硝酸盐完全去除.稳定后,200 mg·L^-1硝酸盐可在2 d之内全部还原,还原速率略快于亚硝酸盐.在MBfR运行第77~124 d,改为序批式生物反应器方式运行,两个反应器内反硝化速率均可达到50 mg·L^-1·d^-1,表明以甲烷为唯一电子供体驱动的反硝化微生物成功富集并挂膜.在微生物富集过程MBfR出水中均检出挥发性脂肪酸（VFAs）,以硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体的反应器最高VFAs含量分别可达948 mg·L^-1和997 mg·L^-1.高通量测序结果发现,以硝酸盐为电子受体的反应器内产酸菌Propionispora和Proteiniphilum的丰度可以达到39.1%和3.1%,而在以亚硝酸盐作为电子受体时,产酸菌Propionispora和Proteiniphilum丰度分别为80.9%和2.4%,是反应器内部的优势菌属.而异养反硝化菌Pseudomonas在两组微生物富集阶段均具有较高丰度.由此推测在本研究中甲烷为唯一电子供体驱动的硝酸盐/亚硝酸盐生物还原过程由VFAs作为中间产物介导完成.本研究结果可为推进污水脱氮技术的发展提供参考.     

纳米乳化油强化硝酸盐反硝化产气变化研究

为探究纳米乳化油原位修复硝酸盐污染地下水过程中产气对含水介质渗透性的影响,以硝酸盐为目标污染物,采用活性污泥滤液接种,分别以纳米乳化油、吐温80和司盘80为碳源开展硝酸盐降解批实验研究,探讨和评估硝酸盐降解及降解过程中的产气情况.结果显示,纳米乳化油、吐温80和司盘80均能促进硝氮的降解,在实验的100d内,共完成7个周期硝酸盐氮的有效去除,总去除率分别为79.5%、63.8%和68.8%.在硝酸盐氮降解过程中,受厌氧发酵和反硝化作用的影响,各反应体系中均有气体生成,只有活性污泥反应体系中主要产气成分是CO₂,未加碳源和分别加3种碳源的4个反应体系（都添加活性污泥和硝酸盐）中主要产气成分是CO₂、N₂.其中,添加纳米乳化油的反应体系U型管产气量最大,为47.73mL;受碳源厌氧发酵的影响,添加司盘80反应体系总产气量最大,为205.34mL.纳米乳化油反应体系次之,吐温80反应体系最小.根据三氮的变化,结合纳米乳化油反应体系理论与实际产气对比显示,在纳米乳化油强化硝酸盐反硝化过程中,18.8%纳米乳化油厌氧发酵产生CO₂,95.4%硝氮反硝化生成N₂.     

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.     

滇池周边浅层地下水硝酸盐来源及转化过程识别

明确硝酸盐的主要来源及转化过程对地下水氮污染防治和水资源开发利用具有重要意义.为了探明滇池周边浅层地下水中硝酸盐污染现状及来源,于2020年雨季（10月）和2021年旱季（4月）在滇池周边共采集73个浅层地下水样,运用水化学和氮氧同位素（δ¹⁵N-NO₃^-、δ¹⁸O-NO₃^-）识别浅层地下水中硝酸盐的空间分布、来源及转化过程,并结合同位素混合模型（SIAR）定量评价不同来源氮对浅层地下水硝酸盐的贡献.结果表明,旱季浅层地下水中有40.5%的采样点ρ（NO₃^--N）超过地下水质量标准（GB/T 14848）Ⅲ类水质规定的20 mg·L^-1,雨季超过47.2%的采样点ρ（NO₃^--N）超过20 mg·L^-1.氮氧同位素和SIAR模型分析结果证明了土壤有机氮、化肥氮、粪肥和污水氮是浅层地下水硝酸盐的主要来源,以上氮源对旱季浅层地下水中硝酸盐的贡献率分别为13.9%、11.8%和66.5%,对雨季的贡献率分别为33.7%、31.1%和25.9%,而大气氮沉降贡献率仅为8.5%,对该区浅层地下水中硝酸盐来源贡献较小.硝化作用是旱季浅层地下水中硝态氮转化的主导过程,雨季以反硝化作用为主,且反硝化作用雨季比旱季明显.     

盐度条件下ANAMMOX-EGSB反应器颗粒污泥微生物群落

采用高通量测序技术探究了0、15和30 g·L^-1盐度条件下稳定运行ANAMMOX-EGSB反应器中颗粒污泥的微生物群落变化.结果发现,进水盐度提升至15 g·L^-1及30 g·L^-1后,反应器脱氮性能呈现小幅下降,随运行时间延长脱氮性能均可恢复.反应器性能稳定后,3种盐度条件下厌氧氨氧化菌的丰度依次为10.33%、20.90%和35.87%,其中Candidatus Kuenenia属为优势属.浮霉状菌门、变形菌门、绿弯菌门丰度占总体比例较高且累计丰度超过了80%,为反应器的优势菌门.盐度条件下,浮霉状菌门丰度增加,变形菌门丰度降低,绿弯菌门丰度相对稳定.电镜扫描显示盐度条件下颗粒污泥表面有大量丝状菌和胞外聚合物.盐度条件下反硝化菌丰度提高,增强了反硝化协同脱氮,绿弯菌门和拟杆菌门微生物丰度的提高有利于维持颗粒污泥结构稳定,好氧微生物及反硝化菌的存在也有利于维持反应器内部厌氧水平.这些结果表明,厌氧氨氧化菌经驯化可适应盐度,盐度条件下伴生菌对厌氧氨氧化菌功能的发挥提供了支撑.     

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.     

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.     

基于猪场废水脱氮的典型木质素降解中间产物反硝化性能

猪场废水高效生物脱氮通常面临碳源不足的问题,秸秆在猪场周边广泛存在,是废水脱氮的潜在碳源来源,但其中的木质素难以被生物降解与利用.选取木质素降解过程的典型中间产物肉桂酸、对香豆酸和阿魏酸为研究对象,探究了其用作碳源的反硝化脱氮性能,以期为猪场废水脱氮过程秸秆“返碳”利用提供理论依据.批次试验表明,当C/N由6依次降低至3时,肉桂酸、对香豆酸和阿魏酸作为碳源时的最大比反硝化速率测定值分别为9.4、8.6、1.1 mg?g^-1?h^-1.采用Haldane模型拟合,计算出这3种中间产物作为碳源时的最大比反硝化活性分别为20.7、17.0和1.6 mg?g^-1?h^-1.肉桂酸用作反硝化碳源的潜力大于对香豆酸,阿魏酸则难以作为碳源进行反硝化脱氮.长期试验表明,随着反应器进水C/N由3升高至6,肉桂酸和对香豆酸的硝酸盐去除率分别稳定在90%和85%左右.高通量测序结果表明,肉桂酸组的污泥中典型反硝化细菌Thauera的丰度高于对香豆酸组,故反硝化效果更好.综上所述,定向调控木质素降解为肉桂酸有望缓解猪场废水生物脱氮过程碳源不足的 问题,进而为猪场“种养一体化”思路提供理论依据.     

外加固体缓释碳源的两段反硝化工艺脱氮性能

传统生物脱氮工艺处理废水过程中,出水硝态氮（NO₃^--N）浓度过高是导致总氮（TN）超标的主要原因.通过采用外加碳源提高碳氮比（C/N）,强化反硝化过程可有效解决这一难题.利用基于两段反硝化工艺原理研发设计的一体化脱氮反应器,通过在第二段反硝化池投加聚丁二酸丁二醇酯（PBS）,采用扫描电子显微镜,对反硝化过程前后PBS材料进行表征,采用扩增子测序,深入探究投加PBS前后,第二段反硝化池中微生物群落结构变化.连续120 d的运行数据表明,COD去除率从95.7%降到90.8%,总氮去除率从51.8%提高到80%,Proteobacteria菌门相对丰富度从36.1%上升到46.1%,Thermomonas菌属相对丰富度从6.47%上升到13.48%.结果表明,投加PBS后,PBS不仅可以为反硝化作用提供碳源,其表面还可作为微生物生长附着的载体,起到良好的挂膜作用,同时提高了反硝化菌丰富度,强化了反硝化过程,脱氮性能明显增强,有效提高系统总氮去除率.     

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.     

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.     

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.     

青藏高原高寒湿地春夏两季根际与非根际土壤反硝化速率及nirS型反硝化细菌群落特征分析

反硝化是生态系统氮循环的关键过程.目前对于生态系统氮排放及反硝化细菌群落的研究大多基于人为影响显著的环境,对于人为干扰较低的自然生态系统的研究较少.本研究选取青藏高原黄河源区不同海拔（唐克、久治、玛多和达日）不同季节（春季和夏季）的高寒湿地植物根际与非根际土壤作为研究对象,采用¹⁵N同位素标记法测定反硝化速率,高通量测序技术测定nirS反硝化细菌群落组成及相对丰度,并探究环境因子（气温、海拔）和土壤理化性质（pH、土壤有机碳、铵态氮、硝态氮和亚硝态氮）对nirS型反硝化细菌群落的影响.结果表明,高寒湿地土壤反硝化速率范围为0.80~14.98 nmol·（g·h）^-1,对总N₂释放的贡献率为11.23%~71.16%.唐克、久治和达日的土壤样品,均呈现出根际土壤反硝化速率高于非根际的趋势（P<0.05）.Proteobacteria是青藏高原高寒湿地植物根际和非根际土壤中主要的反硝化细菌门;在属水平上,各土壤样本中相对丰度最高的是一种未分类的变形杆菌（unclassified Proteobacteria,2.86%~29.41%）,这表明主导青藏高原高寒湿地反硝化作用的可能有一些独特的未被鉴定的反硝化菌属,相对丰度其次为假单胞菌属（Pseudomonas,2.45%~26.52%）和贪铜菌属（Cupriavidus,0%~34.14%）.基于距离的冗余分析结果表明,高寒湿地的反硝化细菌群落结构主要受到海拔、pH、NO₂^-含量影响（P<0.05）;相关分析表明反硝化速率和Shannon指数与pH呈显著负相关（P<0.05）,且主要反硝化菌群相对丰度受到温度和pH的影响.本研究结果可为进一步了解青藏高原高寒湿地这一特殊生境中的氮循环提供参考依据.     

分段进水对改良A2/O-BAF双污泥系统反硝化除磷脱氮的影响

采用改良A²/O-BAF双污泥系统处理低C/N比生活污水,为提高碳源利用率,研究了两段进水（预缺氧段和缺氧段）对反硝化除磷脱氮的影响,同时根据COD的物料衡算公式,分析评价了不同进水比下,碳源的利用情况.结果表明当分段进水比为7：3时,平均进水COD、NH₄⁺-N、TN、TP浓度分别为174.99、58.19、59.10、5.15 mg·L^-1,出水COD、NH₄⁺-N、TN、TP浓度分别为29.48、4.07、14.10、0.44 mg·L^-1,去除率分别为82.12%、92.76%、75.45%、91.20%;系统中反硝化聚磷菌占聚磷菌的比例（DPAOs/PAOs）为98.81%,此时系统反硝化除磷脱氮最佳,同时碳源的有效利用率达85.77%,平衡百分比为92.33%.通过优化分段进水,碳源被有效利用,提高了同步脱氮除磷效率,为改良A²/O-BAF双污泥系统处理低C/N比污水提供理论依据.     

纳米乳化油修复地下水硝酸盐过程中产气及微生物增殖代谢对多孔介质堵塞的模拟评估

为有效评估纳米乳化油原位处理地下水硝酸盐过程中,产气及微生物增殖代谢对含水层多孔介质的堵塞作用,以纳米乳化油为碳源,采用市售反硝化菌剂接种微生物进行硝酸盐降解批实验研究,探讨产气及微生物增殖代谢的动态变化及特征,并基于Kozeny-Carman(K-C)方程、Clement、Pham及Kozeny Grain(KG)模型,对假定含水层一维流模拟柱,预估产气及微生物增殖代谢造成的渗透性损失,识别堵塞过程及主导因素.结果显示,反硝化菌降解效果良好,硝氮总去除率达90.23%.CO_2及N_2为主要产气成分,降解1 mg硝氮对应的平均CO_2产气量为0.71 mL,平均N_2产气量为0.14 mL;微生物代谢产物胞外聚合物以蛋白质及多糖为主,降解1 mg硝氮平均蛋白产量为0.64 mg,平均多糖产量为0.16 mg.在含水层不与外界交换气体的假设前提下,K-C方程预测显示产气可在2个周期内造成渗透性完全损失,Clement、Pham及KG模型评估的微生物增殖代谢造成中、细砂渗透性损失分别为10.87%～31.10%、12.77%～48.32%,分析认为初期细胞生物量是导致渗透性骤降的关键因素,后期为细胞生物量和胞外聚合物共同作用.此外,封闭体系中产气是堵塞的主导因素,随着含水层开启程度增加,产气的贡献占比会下降,微生物的贡献占比提高.因此,对于相对封闭的含水层系统,探索增强其开放状况是缓解堵塞的有效途径之一.     

蠡河底泥中反硝化复合菌群富集及菌群结构研究

从无锡市滨湖区蠡河底泥中富集培养反硝化复合菌群,研究其在不同富集培养阶段TN、NO-3-N、NO-2-N、NH+4-N和COD动态变化,分析反硝化过程中气体释放总量、释放速率和成分,通过构建全长16S r DNA克隆文库研究其菌落结构.结果表明,反硝化复合菌群富集在阶段4时脱氮效果最佳,仅在9 h内,330 mg·L-1的TN负荷下,TN去除率达90.9%,NO-3-N去除率达100%,中间产物NO-2-N和NH+4-N积累量最少,分别为3.39 mg·L-1和16.64 mg·L-1,COD去除率达85%;释放气体260m L,气体主要成分为N2,同时还有少量的CH4和CO2等.富集培养反硝化复合菌群细菌属于Pseudomonadaceae科和Rhodocyclaceae科,为Proteobacteria门,OUT丰度分别为57.8%和31.6%,Pseudomonadaceae科是优势类群.     

潮白河冲洪积扇典型包气带剖面反硝化强度垂向空间分布规律

以北京市潮白河冲洪积扇区域为研究区,选取两个典型剖面(S6和S8),通过测定不同采样深度(0～10 m)包气带反硝化强度值,分析了包气带反硝化强度的垂向空间分布特征,并识别了包气带反硝化强度垂向分布规律的影响因素.结果表明,典型剖面上各包气带土样的反硝化过程NO_3~--N浓度经历了上升、下降、上升这3个主要阶段; S6和S8剖面包气带反硝化强度取值分别为0. 002 6～0. 018 5 mg·(kg·d)~(-1)和0. 001 7～0. 023 3 mg·(kg·d)~(-1),总体反硝化强度水平较低;剖面垂向空间的反硝化强度总体呈现"S"型变化趋势; S6和S8剖面包气带反硝化强度的主控因素包括黏粒、硝酸盐、亚硝酸盐,并与以ACE和Shannon指数为代表的微生物多样性及反硝化菌亚硝酸盐还原酶基因nir K在一定深度范围内相关性显著.