厌氧氨氧化污泥恢复过程中的颗粒特性

目前运行容易失稳已成为制约厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺应用的因素之一.在保证底物不抑制的条件下,通过对实验室前期运行失稳的连续流全混反应器(CSTR)中的厌氧氨氧化污泥进行活性恢复,研究了滞留的基质浓度对ANAMMOX污泥恢复过程中颗粒化及活性的影响.结果表明,经过126d运行,ANAMMOX污泥活性获得恢复且脱氮能力明显提升.控制高、低基质浓度水平的2个反应器均能实现污泥的颗粒化及氮素的高效去除,NRR最大分别达到16. 97 kg·(m~3·d)~(-1)和14. 43 kg·(m~3·d)~(-1).随着反应器脱氮能力的提高(污泥颗粒粒径增大),R1、R2两个反应器内污泥的胞外聚合物EPS含量(以VSS计)均增大,分别由接种时的34. 45 mg·g~(-1)增大至77. 52 mg·g~(-1)和94. 18 mg·g~(-1),PN/PS由1. 89分别增大到6. 25和6. 84.在一定范围内,PN/PS比值增大有利于ANAMMOX污泥颗粒化,但PN/PS过大会导致颗粒污泥结构失稳上浮,加剧污泥流失现象.     

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-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.     

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.     

厌氧氨氧化颗粒污泥的长期保藏及快速活性恢复

在4℃且无基质的条件下,将厌氧氨氧化颗粒污泥保藏230 d之后进行活性恢复,探究添加葡萄糖和丙酸钠两种有机碳源对于快速活性恢复的影响.经过230 d的长期保藏,厌氧氨氧化菌活性为0.013 g·（g·d）^-1,仅为保藏前的6.02%,且平均粒径为135.05 μm,骤降至原来的38.23%,污泥解体、颜色发黑.在活性恢复阶段,R2和R3反应器分别添加葡萄糖和丙酸钠作为有机碳源,恢复结果显示,经过15 d的恢复,R1、R2和R3反应器的PN含量分别达到了126.30、188.86和168.82 mg·g^-1,厌氧氨氧化菌活性均有所提升,分别达到了0.145、0.185和0.126 g·（g·d）^-1,其中,添加葡萄糖作为有机碳源的R2反应器厌氧氨氧化菌活性最高,恢复到了保藏前的85.65%,且总氮去除率达到81.61%.第20d时,R1、R2和R3反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥的粒径分别为289.81、359.66和314.37 μm,表明厌氧氨氧化颗粒污泥的长期保藏不是无法克服的难题,且在恢复阶段添加葡萄糖不仅可以有效提高EPS含量,促进颗粒生长和黏附,而且丰富了厌氧氨氧化的反应途径,使其在恢复阶段与其他细菌的底物竞争中占据优势,更快地恢复活性.     

不同粒径的厌氧氨氧化颗粒污泥脱氮性能研究

通过血清瓶批试研究了温度为25℃时,粒径为R1(>2.5mm),R2(1.5~2.5mm),R3(0.5~1.5mm)的厌氧氨氧化(anammox)颗粒污泥的脱氮特性.R1,R2,R3的厌氧氨氧化TN去除速率分别为0.555,0.423,0.456kgN/(kgVSS×d),R1的TN去除活性最大,R2和R3的TN去除活性相差不大.anammox颗粒污泥的厌氧氨氧化TN去除、亚硝态氮反硝化、硝态氮反硝化、好氧氨氧化、好氧亚硝态氮氧化速率平均值分别为0.478,0.028,0.037,0.050,0.033kgN/(kgVSS×d).扫描电镜显示anammox颗粒污泥表面存在孔洞,有助于缓解粒径对传质效率的不利影响.颗粒污泥外部以球状菌为主,可能为好氧氨氧化菌(AOB),有助于缓解氧气对anammox菌的抑制作用;颗粒污泥内部以火山口状的细菌为主,可能为anammox菌.     

不同形态厌氧氨氧化污泥低温保存的性能差异研究

厌氧氨氧化污泥的保存对其后续在反应器的脱氮过程有着重要的影响,因此,本研究针对不同形态的厌氧氨氧化污泥—生物膜和颗粒污泥的低温保存性能开展研究.结果表明,在64d 4℃的保存后,生物膜和颗粒污泥的厌氧氨氧化比活性分别降至(351.4±14.5),(32.3±2.7)mgN/(gVSS·d),分别为初始活性的62.1%和6.0%.EPS含量分别减少至(18.4±0.3)mg/gVSS和(13.3±1.5)mg/gVSS.生物膜和颗粒污泥中厌氧氨氧化功能菌属Candidatus Kuenenia丰度分别减少为6.1%和1.6%,厌氧氨氧化菌16S rRNA丰度分别降低为(1.48±0.29)×10⁸ gene copies/gVSS和(5.05±1.53)×10⁷ gene copies/gVSS.在后续的活性恢复过程中生物膜相较于颗粒污泥达到NRR为0.54kgN/m³/d花费周期缩短了15d.因此,厌氧氨氧化生物膜是比颗粒污泥更好的保存形态.     

室温低氨氮基质单级自养脱氮颗粒污泥启动效能与污泥特性

室温低氨氮基质条件下单级自养脱氮工艺的启动和稳定运行是该工艺应用于市政污水处理的前提和基础.本研究在气升式反应器中接种久置的PN/A(partial nitritation and ANAMMOX)颗粒污泥,控制温度在(23±2)℃,pH在7. 7～8. 0,以氨氮浓度为70 mg·L~(-1)的人工无机配水为基质,考察单级部分亚硝化-厌氧氨氧化实现室温启动效能.通过逐级缩短HRT(1. 1 h→0. 9 h→0. 7 h→0. 5 h)提升氮负荷[1. 53 kg·(m~3·d)~(-1)→1. 87 kg·(m~3·d)~(-1)→2. 40 kg·(m~3·d)~(-1)→3. 36kg·(m~3·d)~(-1)],逐步恢复AOB、AMX菌活性以及微生物协同效能.经过95 d运行调控,反应器成功启动,NH_4~+-N和TN去除率达85%和69%.根据各阶段污泥性能,严格控制溶解氧,有效抑制NOB.污泥适应环境后,颗粒粒径随负荷提升逐渐增大,最终平均粒径达1. 30 mm.成熟的自养颗粒污泥轮廓光滑清晰,扫描电镜显示,颗粒污泥内部形成空腔,表面有孔隙,污泥形态以球菌为主,并有少量杆菌及短杆菌. EPS主要成分为蛋白质(81. 48%),泥水分离效果较好.     

膜生物反应器中排泥方式对污泥胞外聚合物的影响

研究了膜生物反应器(MBR)中间歇排泥以及连续排泥条件下污泥停留时间(SRT)与污泥胞外聚合物(EPS)变化的关系。试验结果表明:在间歇排泥方式下的污泥EPS都明显高于连续排泥方式下的。随着SRT的增加,附着型EPS浓度先是稍有减少,之后快速增加,溶解性EPS则增加。     

活性污泥中典型内分泌干扰物的分析方法

对代表烷基酚类的典型内分泌干扰物(EDCs)叔辛基酚、辛基酚、壬基酚、双酚A,和代表类固醇的典型内分泌干扰物17α-乙炔基雌二醇和雌三醇等6种物质,建立了活性污泥水相与固相中的SPE-GC/MS的同时分析方法。对比分析了三种不同的固相萃取浓缩小柱的效果,发现具有梯度极性的Bond Elut-Plexa小柱对所选6种内分泌干扰物萃取回收效果较好。通过所建立的方法对6种EDCs在污水和污泥中的浓度进行了分析,检测回收率达80.5%和84.8%以上。并通过该分析方法对上海某污水净化水厂曝气池中污水和污泥浓度进行了有效分析。     

基于宏基因组技术分析MBR膜清洗后污泥中抗性基因

污水处理厂作为抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes,ARGs）的重要储存库,是自然界ARGs的主要来源之一.膜生物反应器（membrane bioreactor,MBR）被认为是一种能够有效去除污水处理厂中ARGs的技术工艺.MBR膜截留的废水中胶体、颗粒物、悬浮物及微生物代谢物中存在着大量的病原菌与抗性基因,而目前关于膜清洗后污泥中抗性基因的分布特征和规律尚不明确.本文采用宏基因组技术对MBR膜清洗后污泥中抗性基因进行了分析.结果显示,膜清洗后污泥中共检测出39门,其中优势菌门为Proteobacteria、Nitrospirae和Actinobacteria,优势菌属为Nitrospira、Pseudomonas和Bradyrhizobium.污泥样品含有的病原菌属占所有菌属的10.54%,其中Pseudomonas属相对丰度最高,占到所有菌属的3.94%.样品中共注释出17类ARGs和16类金属抗性基因（metal resistance genes,MRGs,15类单金属抗性基因和1类多重金属抗性基因）.其中,多药类抗生素抗性基因相对丰度最高,占49.08%.金属抗性基因中多重金属类抗性基因相对丰度最高,占该污泥样品的34.58%,单金属抗性基因中对铜的抗性基因数量最多,占19.99%.该膜清洗后污泥中微生物群落最主要的功能通路为代谢相关,并存在大量与人类疾病相关的代谢通路相关基因,其中涉及细菌耐药和细菌传染疾病的基因数量最多,分别为占人类疾病相关的代谢通路已注释序列的34.50%和16.62%.由此可见,膜清洗后污泥中蕴藏着丰富的ARGs、MRGs以及病原菌属,具有潜在的环境健康风险,需要加强对膜清洗后污泥中ARGs、MRGs以及病原菌的管控.本文为选择合适的技术工艺有效去除膜清洗后污泥中ARGs、MRGs以及病原菌提供指导.     

好氧颗粒污泥膜生物反应器污泥性状研究

采用厌氧-好氧运行方式的颗粒污泥膜生物反应器（GMBR）,连续运行近120　d表现出良好的有机物去除及同步硝化反硝化能力.对GMBR中污泥粒径分布变化研究表明,GMBR中污泥浓度的增加主要是由于粒径0.18～0.45　mm的小颗粒污泥及小于0.18　mm的絮状污泥的增加造成的,粒径大于0.45　mm的颗粒污泥能够基本稳定维持其颗粒形态,反应器运行末期,GMBR中颗粒污泥（粒径大于0.18　mm的污泥）含量稳定在污泥总量的60％～65％以上.污泥表面电荷量随着污泥组成形态的变化电负性逐渐增加,80　d后稳定在-0.42～-0.80　meq·g^-1之间.污泥表面电荷的负电性增加主要是由小于0.45　mm的污泥造成的,其中小于0.18　mm的絮状污泥对其影响最大.并且,污泥粒径越大污泥表面负电荷量越少,两者具有较好的线性关系.另外,GMBR中SVI稳定在60～90 mL/g之间,并且随着污泥表面电荷负电性的增加污泥SVI值增加,两者之间具有一定的相关性.     

硫酸盐还原菌活性污泥胞外聚合物对环丙沙星的吸附机制

胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)是微生物污泥的重要组成部分,在废水生物处理过程中起着至关重要的作用.通过上流式硫酸盐还原反应器(sulfate-reducing up-flow sludge bed,SRUSB)的连续运行和批次实验评价了硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria,SRB)活性污泥对环丙沙星(ciprofloxacin,CIP)的去除以及EPS在CIP去除过程中所起的重要作用.结果表明,SRB污泥可通过吸附和生物降解有效去除CIP,其中吸附是主要去除途径,EPS在吸附过程中起到重要作用.采用三维荧光光谱结合平行因子分析探究了SRB活性污泥的EPS与CIP结合的机制;采用傅里叶红外光谱分析鉴定了EPS中参与CIP结合的主要官能团.EPS主要通过静态猝灭与CIP结合形成EPS-CIP复合物,其中色氨酸和酪氨酸类蛋白质是EPS中主要参与CIP结合的物质,结合常数分别为1.43×104L·mol~(-1)和1.02×104L·mol~(-1);红外分析表明,羟基、氨基和羧基是EPS中主要参与CIP结合的基团.实验结果揭示了SRB污泥的EPS与CIP结合的机制,有助于更好地理解EPS在SRB污泥系统去除CIP,以及其他有机微污染物的过程中所起的重要作用.     

净水厂污泥沉降和浓缩试验研究

对净水厂污泥分别进行了沉降试验和浓缩试验研究,考察了有机高分子絮凝剂聚丙烯酰胺(PAM)的投加对净水厂污泥沉降、浓缩、脱水性能的影响,研究了PAM投加率、斜板间距等对动态浓缩的作用,并探讨分析了各个因素的影响规律。     

羟胺对厌氧氨氧化污泥群落的影响

目前,由于厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,ANAMMOX)过程具有高效率、低能耗和污泥量少的优点,在污水除氮方面具有广阔的应用前景.羟胺既是厌氧氨氧化代谢的中间产物,同时也是一种抑制剂,但是目前关于厌氧氨氧化细菌颗粒如何应对羟胺的压力还没有很好的解释.通过羟胺批次添加实验,发现在投加不同浓度的羟胺情况下(40～80mg·L~(-1)),厌氧氨氧化的反应活性受到了抑制作用,但是无法判断厌氧氨氧化细菌对羟胺的耐受阈值.然后基于实时荧光定量聚合酶链反应(RT-qPCR)技术检测了不同反应器内肼氧化酶(HZO)的mRNA的表达量,发现HZO酶的表达量随着羟胺浓度的增加出现先升高后降低的趋势,由此本研究推测相对于3.12g·L~(-1)的厌氧氨氧化颗粒污泥,其承受的羟胺浓度(以N计)阈值介于60～70mg·L~(-1).同时利用16S rRNA高通量测序的方法对反应器内的颗粒污泥微生物结构与功能进行分析,发现投加适量的羟胺(50mg·L~(-1))有助于增强颗粒污泥中细菌的细胞运动性,促进厌氧氨氧化细菌的组成,提供一个更佳的生态平衡.     

膜生物反应器与传统活性污泥法污泥混合液过滤特性的比较

针对污泥混合液的过滤性能,在运行条件相同的情况下对膜生物反应器(MBR)与传统活性污泥法(CAS)进行比较.实验结果表明:MBR工艺污泥混合液的过滤阻力是CAS工艺过滤阻力的2～3倍;2种工艺悬浮液过滤阻力占总阻力的90%左右.过滤阻力分布实验表明,沉积层阻力占CAS工艺总阻力的87.30%,占MBR工艺总阻力的94.18%.     

A+OSA活性污泥工艺剩余污泥减量特性研究

采用自动热量计对Anoxic (A) + oxic-settling-anaerobic(OSA)系统解偶联池进出污泥进行热值分析,以考察污泥量变动与能值变动的相互关系;通过解偶联池参数调整,了解污泥减量趋势,结合能量和物质平衡与常规水质指标测试,推测减量途径和特性.结果表明,解偶联池水力停留时间为5.56、 7.14和9 h时,整个系统污泥减量分别为1.236、 0.771和0.599 g/d.进出解偶联池的污泥含能水平发生了变化,随停留时间增加出流污泥的单位热值有高于进流污泥单位热值的趋势：5.56 h时,进出水热值没有显著差异;7.14 h时,进出水热值差值在99～113 J/g之间;9 h时,差值在191～329 J/g之间.解偶联池发生了污泥的衰减,停留时间延长,衰减程度越高.A+OSA系统污泥减量是解偶联池污泥衰减与AO主体反应区污泥产生率变化共同作用的结果.     

活性污泥胞外聚合物提取方法的研究

对两种不同来源的活性污泥中EPS的提取效率进行了研究,采用的提取方法有NaOH法,阳离子交换树脂法（CER法）,加热法和离心法。结果表明,CER法是两种污泥EPS提取中最有效的方法。经过16h的提取,EPS中DNA的含量分别为0．73％和1．61％,这表明EPS的提取没有受到胞内物质的污染。两种污泥EPS的提取量分别为74mg／gVSS和80mg／gVSS,其中多糖和蛋白质是EPS的主要成分。在研究中,CER法最佳提取时间为8h,高搅拌强度和CER投加量都有利于EPS提取量的增加。