启动炭管膜曝气生物膜反应器实现全程自养脱氮

启动包裹无纺布的多微孔炭管为膜组件的膜曝气生物膜反应器(MABR),实现基于短程硝化和厌氧氨氧化的完全自养脱氮.首先接种普通硝化污泥启动反应器,在温度35℃, pH为7.9条件下,通过对膜内腔压力的适当控制逐步降低反应器溶解氧浓度,实现亚硝酸盐的积累.然后再次接种厌氧氨氧化污泥,使无纺布上形成好氧氨氧化菌与厌氧氨氧化菌稳定共存的膜曝气生物膜,从而实现全程自养脱氮结果表明,经过120 d连续运行,在膜内压力为0.015MPa,水力停留时间6 h,进水NH 4-N为200 mg/L±10 mg/L条件下, NH 4-N转化率达到88.7%,出水总氮平均为48.65mg/L,总氮去除率达到83.77%.荧光原位杂交(fluorescent in situ hybridization, FISH)分析表明,好氧氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌作为主要功能菌群分别控制着靠近炭管膜/生物膜界面区域和靠近生物膜/液体界面区域.     

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.     

几种生物脱氮新工艺的比较

目前已经发现了2种微生物脱氮新途径:一是根据好氧氨氧化菌具有反硝化能力,从而在一定条件下反硝化脱氮;二是在功能微生物的作用下,亚硝酸盐与氨离子一起厌氧氨氧化,并且发现了厌氧氨氧化菌与好氧氨氧化菌或甲烷菌能协同耦合在一种有利的微生态环境中.基于以上新途径提出了几种生物脱氮新工艺,包括了:SHARON、ANAMMOX、SHARON-ANAMMOX、CANON、OLAND、NOX工艺、需氧反氨化工艺(Aerobic deammonification)、甲烷化与厌氧氨氧化耦合工艺.     

溶解氧对单级颗粒污泥自养脱氮系统影响的模拟

为了研究溶解氧对SBR单级颗粒污泥自养脱氮系统的影响,基于活性污泥ASM3模型和短程硝化-硝化-反硝化模型,将颗粒污泥传质过程与氨氧化菌（AOB）、厌氧氨氧化菌（AAOB）、亚硝酸盐氧化菌（NOB）、反硝化菌（DNF）的生长过程、好氧内源呼吸及缺氧内源呼吸过程等耦合,建立了单级自养脱氮颗粒污泥动力学模型,并对颗粒内部基质浓度分布进行预测.结果显示,当DO为0.4mg/L时,好氧区和缺氧区（厌氧区）的比例为0.4：1;当DO为0.6mg/L时,颗粒污泥好氧区与缺氧区（厌氧区）的比例为3：1.同时,根据基质反应速率方程,建立了颗粒污泥的单级自养脱氮系统动力学模型,对SBR系统运行效果进行预测,结果显示,DO为0.6mg/L时,氨氮反应完全,亚硝酸盐氮和硝酸盐氮在5mg/L以下,总氮去除率模拟值为89%左右,略低于实际测量脱氮率95%.     

复合生物膜载体提高短程硝化-厌氧氨氧化工艺性能研究

一段式短程硝化-厌氧氨氧化(PN/A)工艺作为一种自养生物脱氮技术使污水的低碳处理成为了可能。然而,维持稳定高效的短程硝化和保留厌氧氨氧菌的生物量仍然是PN/A工艺运行成功的主要挑战。采用层状硅酸盐矿物结合无纺布作为一种新型复合生物膜载体,强化厌氧氨氧化菌的持留与PN/A工艺的脱氮效果,考察载体与微生物之间的吸附性能以及复合载体对菌群结构的影响。结果表明：加入复合生物膜载体的反应器的最高氮去除速率达131.4 mg/(L·d),显著高于仅有无纺布载体的对照组[97.2 mg/(L·d)]。表面热力学分析和扩展DLVO理论的研究表明,层状硅酸盐矿物与微生物群落形成了强烈相互吸引力,其表面丰富的金属阳离子可以通过静电引力与离子交换作用来增强菌群的吸附能力。研究制备的复合生物膜载体为PN/A工艺的快速启动和稳定运行提供了一种有效的方法。     

pH对亚硝化、厌氧氨氧化反应及联合工艺氮素转化的影响

利用具有pH调节功能的序批式反应器,分别接种好氧生物膜和厌氧颗粒污泥,研究了不同pH对自养生物脱氮工艺氮素转化的影响。结果表明:当pH为8.18时,亚硝氮累积速率较高,为0.79 kg/(m3·d)。当pH为7.85时,厌氧氨氧化菌脱氮效能达到最大,为1.52 kg/(m3·d)。联合工艺进水pH为7.7±0.1时,优先控制好氧段pH为7.5左右,厌氧段pH为7.6,氮去除速率高达0.98 kg/(m3·d)。     

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。     

几种生物脱氮新工艺的比较

目前已经发现了2种微生物脱氯新途径：一是根据好氧氨氧化菌具有反硝化能力，从而在一定条件下反硝化脱氯：二是在功能微生物的作用下，亚硝酸盐与氨离子一起厌氧氨氧化，并且发现了厌氧氨氧化菌与好氧氨氧化菌或甲烷菌能协同耦合在一种有利的微生态环境中。基于以上新途径提出了几种生物脱氟新工艺，包括了：SHARON、ANAMMOX、SHARON—ANAMMOX、CANON、OLAND、NOX工艺、需氧反氨化工艺（Aerobic deammonification）、甲烷化与厌氧氨氧化耦舍工艺。     

4种反应器中厌氧氨氧化菌完整梯烷脂的特异性

完整梯烷脂是存在于厌氧氨氧化菌的厌氧氨氧化体膜上的一类特殊磷脂.分别从厌氧EGSB反应器、好氧SBR反应器、自养脱氮SBBR反应器、以及厌氧氨氧化EGSB反应器中提取了污泥样品中的磷脂混合物,利用高效液相色谱-电喷雾串联三重四级杆质谱法检测了污泥磷脂提取物中完整梯烷脂的种类,分析了完整梯烷脂的特异性,同时利用高通量测序技术测定了自养脱氮SBBR反应器和厌氧氨氧化EGSB反应器污泥中微生物的群落结构.完整梯烷脂的分析结果表明厌氧EGSB反应器和好氧SBR反应器的污泥磷脂提取物中未检测到完整梯烷脂,而自养脱氮SBBR反应器和厌氧氨氧化EGSB反应器的污泥磷脂提取物中检测到了完整梯烷脂.自养脱氮SBBR反应器的污泥磷脂提取物中检测到了5种完整梯烷脂,厌氧氨氧化EGSB反应器的污泥磷脂提取物中检测到了7种完整梯烷脂.高通量测序结果证实自养脱氮SBBR反应器含有Candidatus Brocadia属与Candidatus Jettenia属An AOB,厌氧氨氧化EGSB反应器含有Candidatus Kuenenia属与Candidatus Jettenia属An AOB.结果说明完整梯烷脂为厌氧氨氧化菌所特有的磷脂物质.     

AAO污水处理工艺中厌氧氨氧化效能及微生物交互作用

选取3座AAO工艺市政污水处理厂为研究对象,应用qPCR和¹⁵N稳定同位素示踪技术,考察活性污泥样品中厌氧氨氧化菌丰度、速率、功能及与其他氮循环微生物的季节性交互作用.结果表明,所有样品中均能检测到厌氧氨氧化菌,其丰度为10⁶~10⁷copies/g VSS,速率为0.11~0.90μmol N/（g VSS·h）.较自养硝化而言,异养反硝化过程不仅具有为厌氧氨氧化菌提供更多NO₂^-的潜势,还是NO₂^-的强力竞争者;而自养硝化过程中的AOB较AOA能提供更多NO₂^-.厌氧氨氧化菌对氨氧化的贡献率为2.55%~7.89%,对系统脱氮的贡献率为2.07%~6.59%,且夏季表现均高于冬季.CCA结果进一步证明环境温度是活性污泥中厌氧氨氧化表现的关键环境要素之一,而反硝化和硝化速率则是关键微生物因素.说明虽然厌氧氨氧化菌在污水生物处理系统中的丰度并不高,但依然起着不容忽视的脱氮效能,该研究结果补充了污水生物处理脱氮过程和氮素迁移转化过程中的氮平衡计算,为厌氧氨氧化在低氨氮城市污水处理领域的生产性应用提供理论支持.     

进水亚硝氮限制下Anammox去除氨氮研究

利用UASB反应器分别在降低进水亚硝氮/氨氮比（R）和停供亚硝氮条件下研究了Anammox体系运行特性.发现随着进水亚硝氮减少,亚硝氮与氨氮去除摩尔比减小,发生氨氮超量去除现象,即使进水无亚硝氮时也可去除氨氮.当R为1：2时,氨氮超量去除量达最大,均值为57.2mg/L;长期停供亚硝氮条件下氨氮能够稳定去除,平均去除量为45.6mg/L.停供亚硝氮后Anammox体系中微生物群落多样性增加,AnAOB、氨氧化菌和反硝化菌相对丰度均增加.其中AnAOB相对丰度从9.44%增长到13.26%;氨氧化菌相对丰度从3.29%增长到7.3%;反硝化菌相对丰度由0.54%增加到3.14%.研究表明,溶解氧是氨氮超量去除量的限制性因素,氨氮超量去除的途径包括：好氧氨氧化、厌氧氨氧化与部分内碳源反硝化.在微量溶解氧作用下,主要是氨氧化菌与厌氧氨氧化菌协同实现了氮的去除.     

移动床生物膜反应器对垃圾渗滤液短程硝化研究

采用好氧移动床生物膜反应器（MBBR）对经过厌氧脱碳处理的垃圾渗滤液进行了深度短程硝化研究,考察了在中温（25℃）条件下DO浓度、pH值、C/N等因素对氨氮去除效果和短程硝化效果的影响.结果表明,在进水氨氮浓度为400　mg·L^-1,HRT为24 h情况下,当控制DO为2　mg·L^-1、pH值在8左右和C/N小于3时,氨氮去除率能达到70%以上,亚硝酸盐氮的积累率高达90％.间歇试验证明了该生物膜反应器中亚硝化菌的数量和活性要远高于硝化菌.该移动床生物膜工艺可以选择性固定和积累氨氧化细菌,从而实现较高的氨氮去除率和稳定的亚硝酸盐氮积累率.     

膜曝气生物膜反应器同步硝化反硝化研究

炭膜作为膜曝气生物膜反应器膜组件处理人工合成废水,在单一反应器内实现了同时去碳脱氮.结果表明,当进水COD和NH^＋₄-N浓度分别为338 mg/L和75 mg/L,HRT为14 h,炭膜腔内压力为13.6 kPa时,COD、NH⁺₄-N和TN的去除效率分别为82.5%、 95.1%和84.2%.但是在反应器运行的后期TN去除效率明显下降,主要是因为高有机负荷导致无纺布上的微生物过度繁殖,严重影响了硝化过程的进行.通过荧光原位杂交和扫描电镜技术观察生物膜微生物结构,得出厌氧或兼氧菌主要分布在生物膜外层的缺氧区,而氨氧化菌主要分布在生物膜内层的好氧区.硝化细菌和反硝化细菌在生物膜内的共存实现了炭膜曝气生物膜反应器的同步硝化反硝化.     

升流式污泥床对无机废水中氮硫转化及相互影响

采用无机含氨和硫酸盐(SO₄^2-)废水作为升流式污泥床(USB)反应器进水,研究了其对铵(NH₄⁺)和SO₄^2-的去除以及不同高度污泥层含氮、硫元素的转化途径.结果表明在反应器进水口处由于进水自含氧(外源性氧)和兼性厌氧菌受到氧化应激产生过氧化氢(内源性氧),两种“氧”共同存在下,反应器内生物脱氨量(以氮计)最高达40mg/L左右,且在USB反应器不同高度污泥层含氮化合物和含硫化合物的转化途径不同.在反应器底部污泥层,颗粒污泥表面氨氧化菌利用O₂将氨(NH₄⁺)氧化成亚硝酸盐(NO₂^-),在颗粒污泥内部厌氧氨氧化菌利用NH₄⁺和NO₂^-生成氮气(N₂)和硝酸盐(NO₃^-);同时,O₂的存在使得反应器底部污泥层部分厌氧颗粒污泥裂解,产生少量有机物,在颗粒污泥内部硫酸盐还原菌利用有机物将SO₄^2-还原生成硫离子(S^2-);硫自养反硝化菌利用NO₂^-/ NO₃^-将S^2-重新氧化为SO₄^2-.在反应器上部污泥层,由于只有少量内源性氧的存在,硫自养反硝化菌只能利用少量NO₂^-/ NO₃^-将S^2-氧化为硫单质(S₀);在USB反应器底部污泥层实现NH₄⁺的去除和SO₄^2-的循环,在上部污泥层实现了SO₄^2-的去除.     

ANAMMOX富集与优化停曝比对MBR-SNAD工艺的影响

采用膜生物反应器（MBR）研究了厌氧氨氧化细菌在富集过程中的活性变化,在启动全程自养脱氮（CANON）工艺中以恒定曝气量,通过优化停曝比实现氨氧化细菌（AerAOB）和厌氧氨氧化细菌（AnAOB）协同脱氮并且有效抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）的活性,然后添加有机物（乙酸钠）逐步启动同步亚硝化-厌氧氨氧化耦合异养反硝化（SNAD）工艺.结果表明,在厌氧氨氧化细菌富集过程中,通过不断缩短水力停留时间（HRT）提高进水氮负荷的方式强化厌氧氨氧化细菌活性,其平均活性由0.603mgN/（h·gVSS）提高到了8.1mgN/（h·gVSS）;当恒定曝气量为50mL/min,停曝比为4：10（min：min）时,AerAOB和AnAOB对氨氮的去除量分别占总氨氮去除量的58.8%和41.2%,NOB氧化亚硝态氮的量占总硝态氮生成量的15.3%,成功抑制了NOB的活性;当C/N比为0.5,调整停曝比为4：15后,反硝化过程氮去除量占总氮去除率的20.9%,厌氧氨氧化过程氮去除量占总氮去除率的79.1%,实现了AerAOB、AnAOB和反硝化细菌（DNB）协同脱氮的目的.     

亚硝氮停供及恢复供给对Anammox反应器中氮去除的影响

在Anammox-UASB反应器中研究了亚硝氮停供及恢复供给后不同进水亚硝氮/氨氮比(R_I)对Anammox系统脱氮的影响,对Anammox系统停供亚硝氮培养后的污泥微生物群落进行了分析.结果表明,Anammox反应器在长期停供亚硝氮培养后,微生物多样性增加,氨氧化菌(Nitrosomonas)和Anammox菌都大量增殖,这两种微生物通过协同作用使得部分氨氮得以去除,NH_4~+-N最大去除速率可达68.77 mg·L~(-1)·d~(-1),出水p H低于进水.反应器恢复亚硝氮供给后,脱氮效果快速恢复.Anammox反应器中存在的氨氮"超量去除"现象是由氨氧化菌作用引起的,氨氧化菌活性易受亚硝氮浓度抑制.氨氮"超量去除"量占氨氮总去除量的百分比与R_I呈负相关关系.当R_I为0.17时,氨氮"超量去除"量占氨氮总去除量的百分比高达68.83%;当R_I增加到1.30∶1后,氨氮"超量去除"现象基本消失.     

好氧膜生物反应器的硝化性能研究

以含有高浓度氨氮的垃圾渗滤液为对象,针对好氧膜生物反应器的硝化性能进行了研究。结果表明:当进水氨氮<1000mg/L和负荷<1.5kgNH4+-N/m3d时,氨氮去除率保持在80%～99.7%之间,表明好氧MBR具有良好的硝化性能;硝酸菌在进水氨氮浓度>600mg/L时受到了抑制,而亚硝酸菌在进水氨氮浓度>1200mg/L时才受到抑制;在试验过程中,MBR污泥经历了由以异养细菌为主到自养细菌为主的转型过程。以硝化菌为主的污泥具有良好的沉淀性能,污泥的SV和SVI分别稳定在20%～30%之间和40～70mL/g之间。     

海洋厌氧氨氧化菌的富集培养及其脱氮特性

采用ASBR厌氧氨氧化反应器,通过接种胶州湾底泥,研究了海洋厌氧氨氧菌的富集培养及其脱氮特性.实验结果表明:海洋厌氧氨氧化菌的富集培养可分为4个阶段:菌体自溶期(1~15 d)、迟滞期(16~152 d)、活性提高期(153~183 d)与稳定运行期(184~192 d).与淡水厌氧氨氧化相比,其迟滞期(137 d)较长,活性提高期(30 d)较短,对基质浓度与HRT的变化更敏感,且由进出水导致的菌活性延迟时间为5 h,远长于淡水厌氧氨氧化菌,因此海洋厌氧氨氧化菌对新环境的适应能力更弱,更难富集培养.经过192 d运行,对NH_4~+-N与NO-2-N的去除率分别达到96.98%与95.66%,三氮转化比n(NH_4~+-N)∶n(NO-2-N)∶n(NO-3-N)为1∶(1.2±0.2)∶(0.22±0.06),接近理论比(1∶1.32∶0.26),NRRNH_4~+-N升至0.080 kg·(m~3·d)-1,海洋厌氧氨氧化菌活性显著提高,这标志着海洋厌氧氨氧化菌富集成功.反应器运行过程中,污泥逐渐由黑色泥状变为砖红色颗粒状,扫描电镜观察,该砖红色颗粒为表面光滑,排列紧密、有类似火山口形状的球状菌相互黏聚而成的菌团.     

氨氮浓度对CANON工艺功能微生物丰度和群落结构的影响

为了研究CANON工艺在常温低氨氮基质条件下的宏观运行效能及微观生态系统,通过调节曝气量和水力停留时间(HRT)实现了CANON工艺在不同进水氨氮浓度下的稳定运行,并基于PCR-DGGE和荧光定量PCR方法,分析了氨氮浓度对反应器中氨氧化细菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(ANAMMOX菌)群落结构及丰度的影响.结果表明,较高氨氮环境中总氮去除负荷在1.0 g·(L·d)-1以上,当氨氮浓度降至100 mg·L-1时,总氮去除负荷明显降低.进水氨氮浓度对AOB的群落结构有重要影响,而对ANAMMOX菌群落影响较小.AOB和ANAMMOX菌的丰度随氨氮浓度的降低而减少,而亚硝酸盐氧化菌(NOB)的丰度随氨氮浓度的降低而增加,这可能是导致系统脱氮效果下降的主要原因.因此,需要通过一定的调控手段,减少AOB和ANAMMOX菌的损失,抑制NOB的生长,以便维持系统在低氨氮条件下的脱氮性能.     

曝气压力对MABR中同步硝化反硝化脱氮的影响

以模拟生活污水为研究对象,探讨膜曝气生物反应器(MABR)推流运行时不同曝气压力下不同点位分布的溶解氧值特征;利用MABR可形成好氧/缺氧/厌氧的环境特性,针对曝气压力对MABR同步硝化反硝化脱氮效果的影响进行研究,借助微生物鉴定手段对MABR的群落结构进行分析。研究结果表明:相同曝气压力下的DO值,轴向上波动较大,径向上以曝气膜为中心向外部逐渐降低;随着曝气压力的增加,不同点位分布的DO值均提高,同步硝化反硝化效率先升高后降低。当曝气压力为0.04MPa时出水的同步硝化反硝化脱氮效果最佳为74.67%。在此曝气压力下,微生物群落鉴定证明生物膜内出现了好氧-兼氧的分层现象,生物膜内由好氧菌、兼氧菌共同完成硝化、反硝化过程,主体液料由厌氧菌作为优势菌群进行反硝化作用,并且根据未检测出厌氧氨氧菌的鉴定结果排除发生厌氧氨氧化的干扰。