厌氧氨氧化颗粒污泥胞外聚合物金属元素特性

为探究厌氧氨氧化颗粒污泥胞外金属元素特性,将厌氧氨氧化颗粒污泥根据粒径筛分为0.5~1.4mm、1.4~2.8mm、>2.8mm 3组,提取不同粒径厌氧氨氧化颗粒污泥胞外聚合物（EPS）,研究EPS金属元素特性.结果表明,蛋白质（PN）是厌氧氨氧化颗粒污泥EPS的主要成分,占EPS含量的84.2%以上.随着粒径的增大,EPS中Na、K、Ca、Mg元素含量均增多,且与EPS中蛋白质含量变化一致.EPS中K、Ca、Mg元素的离子形式占比分别为68.6%、56.2%、94.7%.EPS经过阳离子交换树脂（CER）处理后,0.5~1.4mm、1.4~2.8mm、>2.8mm组EPS Zeta电位分别减小了4.7,7.2,9.1mV,EPS中的金属离子可通过压缩双电层作用促进颗粒污泥的聚集,金属离子对大粒径颗粒污泥EPS Zeta电位的影响幅度更大.     

厌氧氨氧化颗粒污泥EPS及其对污泥表面特性的影响

取厌氧氨氧化EGSB反应器中颗粒污泥,根据粒径筛分为R1(0. 5～1. 4 mm)、R2(1. 4～2. 8 mm)和R3( 2. 8 mm)这3组.提取不同粒径厌氧氨氧化颗粒污泥EPS,分析EPS特性及其对厌氧氨氧化聚集体表面特性的影响.随着厌氧氨氧化颗粒污泥粒径的增加,PS含量介于(10. 69±0. 11)～(12. 28±0. 15) mg·g~(-1)之间,而PN含量从(56. 88±0. 86) mg·g~(-1)增加到(98. 59±2. 10) mg·g~(-1),且PN/PS从5. 32提高到9. 05.不同粒径厌氧氨氧化颗粒污泥EPS官能团及三维荧光组分含量不同.随着颗粒污泥粒径增大,蛋白质二级结构α-螺旋/(β-折叠+无规卷曲)值从0. 60逐渐降低到0. 43,这种变化有利于污泥表面疏水性的表达.随着颗粒污泥粒径的增大,污泥表面疏水性由54. 2%提高到63. 1%,Zeta电位由-41. 2 m V增加到-31. 5 m V,疏水性的增强和表面电荷的增大有利于颗粒污泥的聚集.厌氧氨氧化颗粒污泥EPS可以增强污泥疏水性和提高Zeta电位,EPS中的PN发挥着重要的作用.     

厌氧氨氧化-羟基磷灰石颗粒污泥系统的快速启动

为研究厌氧氨氧化-羟基磷灰石（Anammox-HAP）颗粒污泥系统的启动方法,采用厌氧氨氧化膨胀床反应器（AAFEB）,接种少量厌氧氨氧化污泥,通过调控基质浓度和水力停留时间,考察系统内污泥粒径及胞外聚合物（EPS）的变化,同时监测系统的脱氮除磷性能.结果表明,在低上升流速0.213~1.066m/h、Ca/P=5.5物质的量比的条件下,不断提高进水氮负荷,实现了Anammox颗粒污泥系统的启动.总氮、正磷酸盐去除率分别为（78.0±9.8）%、（63.8±9.9）%,总氮容积负荷达2.74kg/（m³·d）,在150d内培养出平均粒径为0.4mm的微颗粒污泥.颗粒的形态特征和元素分布检测表明其为Anammox-HAP颗粒污泥.随着颗粒污泥粒径的增加,EPS中的PS含量基本不变,PN从54.43mg/g增加到137.40mg/g,PN/PS从6.63提高到7.71.EPS中PN占比与粒径之间存在正相关,对污泥颗粒的形成起主要作用.     

厌氧氨氧化-羟基磷灰石颗粒污泥系统的快速启动

为研究厌氧氨氧化-羟基磷灰石（Anammox-HAP）颗粒污泥系统的启动方法,采用厌氧氨氧化膨胀床反应器（AAFEB）,接种少量厌氧氨氧化污泥,通过调控基质浓度和水力停留时间,考察系统内污泥粒径及胞外聚合物（EPS）的变化,同时监测系统的脱氮除磷性能.结果表明,在低上升流速0.213~1.066m/h、Ca/P=5.5物质的量比的条件下,不断提高进水氮负荷,实现了Anammox颗粒污泥系统的启动.总氮、正磷酸盐去除率分别为（78.0±9.8）%、（63.8±9.9）%,总氮容积负荷达2.74kg/（m³·d）,在150d内培养出平均粒径为0.4mm的微颗粒污泥.颗粒的形态特征和元素分布检测表明其为Anammox-HAP颗粒污泥.随着颗粒污泥粒径的增加,EPS中的PS含量基本不变,PN从54.43mg/g增加到137.40mg/g,PN/PS从6.63提高到7.71.EPS中PN占比与粒径之间存在正相关,对污泥颗粒的形成起主要作用.     

胞外聚合物和信号分子对厌氧氨氧化污泥活性的影响

为了探究胞外聚合物（EPS）对厌氧氨氧化颗粒污泥活性的影响,分别向厌氧氨氧化颗粒污泥中投加30mg/L的总胞外聚合物（IN-EPS）,松散结合型胞外聚合物（LB-EPS）和紧密结合型胞外聚合物（TB-EPS）.结果表明,3种EPS均可提高厌氧氨氧化颗粒污泥的活性.对于添加了IN-EPS,LB-EPS和TB-EPS的实验组,厌氧氨氧化颗粒污泥的氨氮去除速率分别增加了6.68%,10.5%和19.29%,厌氧氨氧化菌的生长速率分别增加了18.25%,21%,16.3%.三维荧光光谱法分析发现3种EPS的组成基本相同,以芳香族蛋白质和可溶性微生物产物为主.对EPS中的高丝氨酸内酯类（AHLs）信号分子进行检测,发现EPS中含有3种信号分子,分别是C4-HSL,C6-HSL和C10-HSL,外源投加这3种AHLs到厌氧氨氧化颗粒污泥中,结果发现C4-HSL和C6-HSL可以提高厌氧氨氧化颗粒污泥的活性和生长速率,这是EPS可以提高厌氧氨氧化菌活性的原因.     

ANAMMOX的快速启动及EPS在ANAMMOX颗粒污泥中的空间分布

为探讨厌氧氨氧化反应的快速启动过程及胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)在厌氧氨氧化颗粒污泥中的空间分布,采用厌氧序批式反应器(anaerobic sequencing batch reactor,ASBR)接种活性污泥成功启动厌氧氨氧化反应.结果表明稳定运行时,NH_4~+-N、NO_2~--N去除率均达到99%以上,TN去除率为89.87%±0.43%,总氮(TN)去除负荷达到1.7kg·(m~3·d)~(-1).NH_4~+-N与NO_2~--N的消耗量和NO_3~--N生成量之间的比例关系为1∶(1.32±0.08)∶(0.24±0.03).反应器运行中,出水pH和NO_3~--N浓度可作为反应性能的指标,快速判断反应器运行情况.蛋白质为厌氧氨氧化颗粒污泥EPS的主要组分,蛋白质(PN)和多糖(PS)的含量分别为(59.61±5.64)mg·g~(-1)、(12.21±2.04)mg·g~(-1),PN/PS为4.88±1.39.β-D-呋喃葡萄糖和死细胞集中分布在颗粒污泥最外层;活细胞、蛋白质、脂类、α-呋喃葡萄糖和α-甘露糖遍布整个颗粒污泥,但主要集中在外侧.蛋白质和脂类构成了厌氧氨氧化颗粒污泥的骨架,厌氧氨氧化菌分布在蛋白质和脂类中间.     

Ca~(2+)、Mg~(2+)对好氧污泥快速颗粒化的影响研究

为研究金属离子的投加对好氧污泥颗粒化进程的影响,在3个构造一致的序批式活性污泥反应器(SBR)中分别接种普通活性污泥、投加50 mg·L-1Ca2+的活性污泥和投加50 mg·L-1Mg2+的活性污泥来培养好氧颗粒污泥.结果表明:金属离子的投加能缩短好氧污泥颗粒化时间,改善颗粒污泥的性质,Ca2+更多地影响颗粒污泥的物理性质,Mg2+主要影响生化性质.Ca2+、Mg2+的投加可促进细胞分泌胞外聚合物(EPS),以及蛋白质(PN)和多糖(PS)的含量增加,且Mg2+较Ca2+对EPS中组分及组分比例影响更大.此外,Ca2+、Mg2+投加下培养的好氧颗粒污泥具有更强的除污性能.     

Ca~(2+)在好氧颗粒污泥形成中的作用

通过运行序批式生物反应器与摇瓶实验相结合方法,在进水中投加不同数量Ca2+(0～200mg/L),考察了Ca2+在好氧颗粒污泥形成中的作用.当SBRⅠ、Ⅱ进水Ca2+含量分别为30、100mg/L,运行20d后,两反应器中均出现了好氧颗粒污泥.运行前50d,SBRⅠ中颗粒污泥浓度MLSS与污泥沉降指数SVI指标明显好于SBRⅡ;运行80d后,SBRⅠ、Ⅱ中污泥浓度MLSS均稳定在7.5g/L,SVI分别为46～48mL/g、45～47mL/g,差异很小.反应器运行90d后,SBRⅠ、Ⅱ中污泥Zeta(ζ)电位为-12.5～-12.6mV;摇瓶实验中,当进水Ca2+为0～200mg/L,运行至60d时,摇瓶中污泥Zeta电位为-14.1～-14.4mV;进水中Ca2+含量的增加对污泥Zeta电位影响很小,没有引起好氧颗粒污泥Zeta电位的明显差异,电中和在颗粒污泥形成过程中并不起重要作用.随着进水Ca2+浓度增加,颗粒污泥中的微生物数量与种类都逐渐丰富,Ca2+有助于促进污泥中微生物多样性.接种污泥及SBR中颗粒污泥的元素含量分析表明,好氧颗粒污泥Ⅰ、Ⅱ与接种污泥相比,颗粒污泥中Ca、Mg、K、Na含量均有所减少,Fe含量分别增加了4.42%、7.82%.具有良好絮凝作用的金属离子与EPS间形成的高分子生物聚合体可能是促进好氧颗粒污泥形成的主要原因.反应器运行期间,SBRⅡ对污染物的去除性能始终高于SBRⅠ,运行70d后,SBRⅠ、Ⅱ中颗粒污泥对NH4+、COD去除率较高达到90%以上,对TN、TP的去除率为65%～70%.     

气升装置对厌氧氨氧化污泥形态及性能的影响

通过接种粒径小于0.9 mm的厌氧氨氧化污泥,启动具有气升装置的上流式厌氧反应器.利用厌氧氨氧化过程产生的氮气作为动力,研究了气升回流系统在厌氧反应器中对厌氧氨氧化污泥形态和性能的影响.结果表明,在反应器启动初期,反应器脱氮速率较低,产气量很小,导致厌氧氨氧化污泥易于凝聚.当脱氮速率达到3.4 kg·(m3·d)-1时,气升产生的回流量明显,反应器自回流系统形成.经过183 d运行,污泥颗粒中MLVSS含量随着污泥粒径增加而不断增长,粒径分布主要集中在1.6~2.5 mm,占污泥总体积的53.2%.与外置回流泵相比,气升装置具有同样功能,产生的回流有利于厌氧氨氧化反应器内污泥的颗粒化,同时减少回流泵所需要的动力消耗和设备费用.     

好氧污泥颗粒化过程中Zeta电位与EPS的变化特性

研究了好氧颗粒污泥在形成过程中Zeta电位、胞外多聚物的变化以及两者之间的关系.通过对污泥调控生长,形成完全颗粒化的好氧污泥.在好氧颗粒形成过程中,污泥的Zeta电位由接种时的-19.1 mV逐渐降至-10.1 mV.完全颗粒化以后,成熟后的好氧颗粒污泥Zeta电位稳定维持在-10 mV左右,说明维持污泥较低的Zeta电位是好氧颗粒污泥形成的重要条件.颗粒化过程中污泥EPS中多糖含量基本不变,蛋白含量增加明显,从13.65 mg.g-1增加到54.12 mg.g-1,蛋白/多糖比值从0.67增加到3.31;污泥的Zeta电位与蛋白/多糖的比值呈正相关,相关系数为0.849,这些结果说明蛋白质对降低污泥表面电位,促进污泥聚集以及好氧颗粒污泥的形成生长等可能起着重要作用.     

强污泥流失对anammox工艺脱氮性能及菌群的影响

为探究强污泥流失对厌氧氨氧化(anammox)反应器系统脱氮性能、颗粒污泥特性及功能菌群的影响,试验以模拟废水为处理对象构建了上流式厌氧污泥床(UASB)反应器.试验结果表明,损失近一半反应器有效体积的污泥未明显破坏anammox工艺脱氮性能.反应器在4d后总氮(TN)的去除率(RE)达到89.18%污泥EPS含量较高且其PN/PS值(0.12)较低有利于anammox颗粒污泥的形成和集聚.Anammox颗粒污泥粒径>2mm的污泥占到系统总污泥的44.9%,粒径大于0.5mm的污泥占总污泥的84.3%,能够有效持留污泥.厌氧氨氧化菌的优势门为变形菌门(28.03%)、浮霉菌门(15.57%)和绿弯菌门(8.63%),优势属为anammox菌属Candidatus Jettenia(9.63%)和Candidatus Brocadia(3.54%),参与anammox反应的功能基因包括nirS (1.27%)、hzs(1.28%)、hzo(1.29%)、hao(7.04%)和hdh(0.81%),但反硝化菌及其功能基因的存在使得化学计量比Rs (ΔNO₂^--N/ΔNH₄⁺-N)和Rp (ΔNO₃^--N/ΔNH₄⁺-N)低于理论值.     

胞外多聚物在好氧颗粒污泥形成中的作用机制

在SBR反应器活性污泥好氧颗粒化过程中,分析不同时期污泥EPS主要成分的变化、污泥表面特性的变化及二者相关关系.不同时期污泥样品胞外蛋白的SDS-PAGE表明,蛋白分子量条带主要分布在（31.0～97.4）×10³,与种泥相比,颗粒污泥在形成过程中增加了一些新蛋白条带,且条带颜色逐渐变深,定性表明蛋白种类及含量的增加.定量测定也表明,胞外蛋白分泌量随颗粒污泥的形成逐渐从49.4 mg·g^-1增至148.3 mg·g^-1,多糖则无明显变化,蛋白/多糖值也从2.3逐渐增至4.9.颗粒污泥表面疏水性比种泥约增加1倍,疏水性的变化与蛋白/多糖值正相关,相关系数为0.969.测得种泥与颗粒污泥表面Zeta电位平均值分别为-28.5 mV和-13.2　mV,颗粒污泥表面的电负性明显降低.由蛋白质自身特性,可推测其通过增加污泥表面相对疏水性和降低污泥表面电负性而促进好氧颗粒污泥形成的作用机制.     

藻-菌颗粒污泥胞外聚合物及其表面特性研究

藻-菌颗粒污泥具有能耗低、温室气体排放量少等优点,近年来在污水处理领域受到关注.胞外聚合物(EPS)在保护微生物免受恶劣环境影响及促进细胞聚集方面发挥重要作用,而关于藻-菌颗粒EPS及其表面特性鲜有报道.选取了粒径范围在0.36~0.71、1~1.25、1.6~2.0 mm的3组藻-菌颗粒,分析了其EPS中多糖和蛋白质的含量,并进一步地对其组成差别以及官能团特征进行探究,探讨了EPS提取前后藻-菌聚集体表面电荷的变化.结果表明,随着粒径的增大,藻-菌颗粒污泥EPS中多糖和蛋白质的含量均有增加,而蛋白质与多糖的比值减小.不同粒径的藻-菌颗粒污泥EPS中芳香蛋白与酪氨酸类物质的含量明显增加,腐殖酸类物质含量亦呈总体增加趋势,与胞外蛋白相比,胞外多糖特征峰的波峰强度增加较明显.进一步分析表明,粒径较大的颗粒可能更能抵御外界环境因素的变化,以维持颗粒性能.以上结果表明,粘性和亲水性的多糖、芳香蛋白和酪氨酸类物质可能更有利于藻-菌颗粒的微生物细胞聚集.本文的研究结果进一步地拓展了对藻-菌颗粒污泥的认识,并为其进一步的工程应用提供基础.     

菌-藻共生好氧颗粒污泥的稳定性机理

在非曝气条件下接种好氧颗粒污泥(AGS)和绿藻藻种,经过18d的培养,成功构建了菌-藻共生好氧颗粒污泥系统(ABGS).研究表明,在非曝气条件下,与传统的AGS相比,ABGS具有更高的生物活性、除污染效能和机械强度,说明ABGS的稳定性更优.对ABGS的稳定性机理进行分析,发现在颗粒化过程中,胞外聚合物(EPS)特别是...     

基于颗粒污泥的短程反硝化USB反应器启动和运行研究

在2个相同的USB反应器(R1无载体,R2采用多孔生物填料为载体)中构建了短程反硝化工艺,对R1和R2NO₃^--N→NO₂^--N转化性能、短程反硝化颗粒污泥物化特性、胞外聚合物(EPS)产生特性以及微生物功能菌群主要特征进行差异分析.结果表明,反应器运行81d,氮负荷(NLR)为1.2kg/(m³·d)时,NO₃^--N→NO₂^--N转化率(NTR) R2(85%)高于R1(80%);载体颗粒污泥(R2)沉降性能优于自固定化颗粒污泥(R1)且载体颗粒污泥(R2)更容易截留EPS,PN/PS值R1(1.29)>R2(1.15),污泥体积指数(SVI) R1(27.07mL/g MLSS)>R2(19.36mL/g MLSS);扫描电镜发现R1污泥表面聚集长杆菌,R2污泥表面聚集短杆菌和球菌,与R1相比R2颗粒污泥结构更加规则密实.微生物高通量测序结果表明,R2物种丰富度和多样性高于R1,变形菌门、拟杆菌门和绿弯菌门在短程反硝化系统中占主导地位,R1和R2主要NO₂^--N积累功能菌属均为Acinetobacter属(R1-59.18%、R2-46.04%)和Thauera属(R1-6.81%、R2-5.99%).