多菌种生物膜内各菌种生物量的动力学推定及验证

以Monod模型为基准,推导多菌种生物膜内各菌种生物量的推定模型.以东深供水原水生物预处理工程为研究对象,对生物填料进行静态、批量实验,推算生物膜内亚硝化菌（AOB）和硝化菌（NOB）在生物池内的沿程分布规律及其基质限制条件;进行生物膜内AOB和NOB的培养计数实验及反应器系统出水模拟,验证生物量推定结果.结果表明：多菌种生物膜内AOB和NOB生物量的动力学推定,方法简单、可行;生物膜内AOB和NOB的活性生物量沿池长均呈两头低中间高的特殊分布;膜内AOB和NOB的活性生物量分别占相应总生物量的68.2%～74.2%和25.0%～29.9%;以这些活性的AOB和NOB生物量推定结果进行反应器系统出水模拟效果相当理想.     

氨氮负荷对膜曝气生物膜反应器部分亚硝化性能的影响

对不同进水氨氮负荷下中试膜曝气生物膜反应器(MABR)部分亚硝化性能进行了考察,旨在确定在MABR中启动、优化和维持稳定亚硝化的控制策略.在进水氨氮表面负荷由(4.9±0.4)g·m-2·d-1(以N计,下同)升至(9.1±0.5)g·m-2·d-1的过程中,MABR氨氮去除负荷可以达到(5.7±0.5)g·m-2·d-1.当进水氨氮负荷为7.4 g·m-2·d-1时,本试验MABR部分亚硝化效果最佳,亚硝化率可达96.3%.部分亚硝化的维持需要控制合适的生物膜厚度,当生物膜厚度在110~170μm之间时,MABR亚硝化率在90%左右,能够有效实现对亚硝酸盐氧化菌(NOB)的抑制和亚硝酸盐的积累.利用微生物比氧利用率(SOURAOB)来反映生物膜中氨氧化菌(AOB)的活性,发现MABR生物膜的SOURAOB可达(133.9±31.1)mg·g-1·h-1(以每g SS利用的O2量(mg)计).实时定量PCR结果也表明AOB为MABR生物膜中的优势菌群,其微生物丰度比接种污泥高出3个数量级.通过调控进水氨氮负荷和生物膜厚度,维持AOB的种群优势和高活性并同时抑制NOB的活性,可以实现MABR的稳定部分亚硝化.     

四区一体反应器冬季启动脱氮特性及硝化菌群结构分析

我国分散型污水处理问题亟待解决,研究开发了四区一体式生物膜-活性污泥生物脱氮反应器,采用梯度缩短HRT方法,考察了冬季8~15℃水温环境下的反应器COD、NH+4-N、TN去除效果,同时,采用荧光原位杂交技术(FISH)对种泥及其启动过程中的生物膜硝化菌群(AOB、NOB)结构进行分析,并对反应器运行效果与功能微生物的相关关系进行了探讨.结果表明,在HRT为9.2 h下COD、NH+4-N、TN去除率分别为92.11%、99.21%、61.63%;启动末期生物膜内AOB、NOB数量是种泥的5.82倍、6.14倍,硝化细菌占总菌量由6.12%上升至16.38%,成为生物膜的优势菌群;末期硝化效率由初期78.49%上升至97.52%,NOB数量增长5.61倍,AOB/NOB值优化为1.47,反应器内富集生长的AOB、NOB及合适的AOB/NOB比值是确保硝化出水水质的重要保障.     

硝化污泥中AOB/NOB对硝化特性的影响

为了深入研究硝化污泥中AOB/NOB（A/N）对其硝化特性的影响,在两个SBR反应器中,通过控制单一基质,并结合影响因素控制和定期排泥,各自经过80个周期的运行,成功实现了AOB、NOB活性污泥的优化培养.依据Monod方程理论确定出AOB、NOB活性污泥中的丰度比约为1：1.不同A/N硝化特性的研究表明：亚硝化率、氨氧化速率、亚硝酸盐氧化速率以及好氧速率均受硝化污泥中A/N的影响,想要实现短程硝化的稳定运行必须使得A/N接近于1：0;氨氧化速率与硝化污泥中AOB的数量并不存在显著的正比关系;常规的生活污水硝化工艺中,A/N应不低于1：2;结合好氧速率的在线监测,当好氧速率趋于稳定时,指示短程硝化的启动已经接近完成.     

硝化细菌AOB与NOB衰减速率实验测定

污水生物处理过程中由于硝化反应分两步进行,因而对于硝化细菌的衰减速率也应该分别测定.通过实验测定了氨氮氧化细菌(AOB)和亚硝酸氮氧化细菌(NOB)在好氧饥饿状态下的衰减速率,实验结果显示,AOB和NOB具有不同的衰减特征.前者在衰减过程中其活性匀速下降,而后者的活性则是先迅速下降再平缓降低,通过对比分析还发现,SBR系统中AOB和NOB的衰减速率差异较大,而在常规活性污泥系统中AOB和NOB的衰减速率基本相当.     

DO/NH4+-N实现短程硝化过程中生物膜特性

实验探究了短程硝化实现过程中生物膜特性的变化情况.采用比值控制(DO/NH+4-N)实现短程硝化,分别取亚硝酸盐积累率为10.27%、52.12%和93.54%时生物膜样品,利用荧光原位杂交(FISH)和激光共聚焦显微镜(CLSM)联用技术观察总菌、氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)数量和空间结构的变化,通过三维激发发射矩阵(EEM)观察胞外聚合物分泌和成分变化情况.比值控制成功富集AOB,并可在NOB未洗脱完全的情况下实现短程硝化.异养菌和硝化菌共存于生物膜内上,异养细菌在外层,硝化菌分布在生物膜表面6~25μm.短程硝化实现的过程中,AOB/NOB值逐步增长,稳定运行时期比值高达15.56.反应器运行过程中,EPS和微生物菌群变化息息相关.微生物活性下降,EPS分泌减少;短程硝化稳定运行时期,NOB等不耐高亚硝酸的菌群衰亡,芳香性蛋白质荧光强度降低.但三维荧光光谱显示,短程硝化实现过程中EPS化学成分变化不明显.     

SBR法常、低温下生活污水短程硝化的实现及特性

采用序批式反应器(SBR)处理实际生活污水,通过实时控制好氧曝气时间,在常温下快速实现短程硝化,并在低温下长期维持稳定的短程硝化.结果表明,随着温度逐渐降低,比氨氧化速率略微减缓,27℃的平均比氨氧化速率是13℃时的1.68倍,但亚硝化积累率始终维持在90%以上,该温度区间内氨氧化反应的温度系数为1.051.通过荧光原位杂交(FISH)技术对低温下维持稳定短程硝化的污泥进行种群分析发现,实时控制策略为氨氧化菌(AOB)成为优势硝化菌群创造了有利条件,AOB的相对百分含量达到8%~9%,而亚硝酸盐氧化菌(NOB)逐渐被淘洗出反应器.在低温下要实现短程硝化,可首先在常温下利用好氧曝气时间实时控制实现亚硝态氮的积累和AOB的优势生长,然后通过逐渐降温使AOB适应在低温下生长.     

高浓度游离氨冲击负荷对生物硝化的影响机制

工业废水厂或含工业废水较多的城市污水处理厂,在运行过程中可能会意外受到高浓度氨氮废水急性冲击负荷的影响,造成生物硝化反应受到抑制,出水不能稳定达标.为了指导实际污水处理厂应对游离氨(FA)急性冲击负荷造成的出水不达标问题,本文探究高浓度氨氮废水对污水生物硝化系统的影响机制.本文利用序批式活性污泥反应器(SBR)处理模拟高氨氮废水,通过监测氨氮最大比降解速率、硝酸盐氮最大比生成速率、亚硝化和硝化比耗氧速率,硝化菌丰度等指标,研究高浓度氨氮废水中FA对硝化菌活性的影响规律.结果表明,FA在低浓度范围内,增加FA急性负荷能够促进硝化活性,而当FA急性冲击负荷大于一定值时,会对硝化作用造成抑制;FA浓度越大,受到抑制的硝化生物活性所需要的恢复周期越长.利用荧光原位杂交分析技术,发现当进水FA浓度(以N计)从3.6 mg·L~(-1)升高到8.1 mg·L~(-1)时,氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)菌群数量都略微升高,而当FA浓度大于8.1 mg·L~(-1)时,AOB和NOB菌群数量明显下降.FA对AOB和NOB菌群的临界抑制浓度分别为8.1 mg·L~(-1)和6.6 mg·L~(-1),NOB相对于AOB菌群更敏感.     

不同生物过滤系统铵态氮转化速率及生物膜特性分析

实验模拟循环水养殖系统,运行了移动床生物膜反应器(moving bed biofilm reactor,MBBR)和挂帘式生物滴滤池两类生物过滤系统的6种不同填料反应器,对比分析了各反应器的填料挂膜效果、铵态氮转化速率和生物膜微生物群落结构等特征.结果表明,与MBBR相比,挂帘式生物滴滤池挂膜速度快且生物量较多,其中碳纤维挂帘式生物滴滤池的脱膜后生物膜重最大,为45.97 g·m-2,8 h NH+4-N去除率(86.76%)高于其他反应器(61.96%~78.76%),并且NO-2-N累积少,16 h时NO-2-N浓度在0.5 mg·L~(-1)以下.通过Illumina高通量测序技术对生物过滤系统中生物膜微生物群落结构进行解析,结果表明,不同类型反应器的生物膜内的细菌、真核微生物群落构成有明显区别,无论是细菌还是真核微生物,挂帘式生物滴滤池的物种丰度和多样性均高于MBBR,但MBBR的细菌群落物种集中度更高.硝化螺菌属(Nitrospira)及放线菌中的Nakamurella属在两类反应器的生物膜中均占优势,腐螺旋菌科(Saprospiraceae)在挂帘式生物滴滤池更多,而丛毛单胞菌科(Comamonadaceae)更倾向于在MBBR中富集.在真核微生物属水平相对丰度上,挂帘式生物滴滤池中小杆目中的Rhabditida norank占明显优势,而MBBR中绿藻纲中的Chlorophyceae norank占明显优势.以上研究结果为挂帘式生物滴滤池在循环水养殖水质净化中的应用奠定了实验基础.     

SPG膜曝气-基因工程菌生物膜反应器处理阿特拉津废水研究

膜曝气-生物膜反应器(MABR)是一种新型的膜-生物废水处理工艺,在MABR中采用基因工程菌生物膜可以强化难降解污染物的生物去除.本研究在SPG膜表面形成基因工程菌生物膜,运行SPG膜曝气-生物膜反应器(SPG-MABR)处理阿特拉津废水,考察了气压、挂膜生物量和液体流速对SPG-MABR运行性能的影响,以及基因工程菌生物膜的变化.结果表明,提高气压可以增大透氧系数,从而提高阿特拉津和COD的去除速率以及复氧速率.提高挂膜生物量能够加快阿特拉津和COD的生物去除,但生物膜厚度增加使得氧传质阻力增大,复氧速率降低.层流状态下减小SPG-MABR中的液体流速,有利于污染物向生物膜扩散传质,从而提高污染物去除速率.气压为300 kPa、生物量为25 g·m-2、液体流速为0.05 m·s-1时,SPGMABR反应器对阿特拉津5 d的去除率可以达到98.6%.在SPG-MABR运行过程中,基因工程菌生物膜呈现微生物多态化趋势.生物膜表面逐渐被其他微生物细胞覆盖,基因工程菌分布减少,生物膜内部仍以基因工程菌细胞为主.     

生活污水常温处理系统中AOB与NOB竞争优势的调控

常温（19℃±1℃）条件下,采用SBR工艺处理低碳氮比（C/N）实际生活污水,研究氨氧化菌（AOB）与亚硝酸盐氧化菌（NOB）竞争优势的调控,在接种全程硝化污泥的系统中使AOB成为优势菌群,启动并维持常温短程硝化.通过控制曝气量为40 L/h使系统溶解氧处于较低水平（DO_average<1.0 mg/L）,同时结合好氧硝化时间的优化控制,即在pH值“氨谷"点前及时停止曝气的短周期定时控制,强化AOB的竞争优势.待AOB的竞争优势初步形成后（亚硝酸盐积累率NO^-2-Ｎ/NO^-_x-N达到50％）,每周期曝气时间随着NO^-2-Ｎ/NO^-_x-N的提高由3 h逐步延长至4 h、 5 h,从而提高NH⁺₄-N去除率,进一步增强AOB在系统中的竞争优势,短程硝化成功启动,NO^-2-Ｎ/NO^-_x-N稳定在95%以上.FISH检测结果表明AOB大约占总菌群的9.97％.在线控制好氧硝化时间可以很好地维持短程硝化效果,NH⁺₄-N去除率达到97%以上.研究还表明,对于全程硝化污泥常温下如果不限制溶解氧,单纯依靠短周期定时控制无法使AOB成为优势硝化菌群.     

低温对亚硝化颗粒污泥系统的影响特性

考察了温度变化对亚硝化颗粒污泥反应器的长期和短期影响特性,结果表明:在进水ρ（NH₄+-N）为（35.8±5.2）mg/L、水力停留时间为2.0 h以及运行温度为7~17℃的条件下,反应器保持着95%的亚硝化率和0.18~0.25 kg/（m3·L）的NH₄+-N去除负荷;反应器中较低的ρ（DO）∶ρ（NH₄+-N）（<0.25）是实现亚硝酸盐氧化细菌（NOB）有效抑制的关键因素;长期低温运行造成颗粒污泥比NH₄+-N氧化速率（SAOR）从（237±14）g/（g·d）下降至（93±11）g/（g·d）,但颗粒污泥中氨氧化细菌（AOB）的活化率（实际SAOR与最大SAOR之比）从48%升至约85%。批式实验结果表明,在7.1~28℃的短时温度变化内,亚硝化颗粒污泥NH₄+-N氧化反应的温度系数（θ）和活化能（E_a）分别为1.042~1.063,29.7~41.9 kJ/mol,均显著低于同等条件下絮体污泥的数值,表明颗粒污泥AOB比絮体污泥AOB具有更好的抗温度冲击能力。该研究结果可为基于颗粒污泥的高效城市污水亚硝化技术提供参考。     

间歇曝气对部分硝化-厌氧氨氧化处理氨氮废水的影响

采用间歇曝气在MBBR反应器中成功实现一段式部分硝化耦合厌氧氨氧化(PN/A)过程.结果表明,在实验温度为35℃,进水氨氮浓度为150.00mg/L,进水氮负荷为0.24kg/(m3·d),DO浓度为(1.41±0.24)mg/L条件下,反应器总氮去除效率达到83.74％.生物膜中厌氧氨氧化菌(AnAOB)和氨氧化菌(...     

不同曝气量对SBBR短程硝化微生物特性及氮转化的影响

在实验室规模的序批式生物膜反应器(SBBR)中研究了不同曝气量(7.2、12.0、15.6L·h-1,对应反应器中平均溶解氧浓度分别为0.5、0.8、1.2mg·L-1)下生物膜的生物特性变化及短程硝化过程规律.结果表明:减小曝气量使反应器内溶解氧浓度降低,将导致生物膜的总生物量下降,生物膜中氨氧化菌逐渐成为优势菌,无论数量还是生物活性均高于亚硝酸氧化菌,利于亚硝酸盐积累;在一个反应周期中,生物膜对溶解氧需求的分配是不同的,曝气初期溶解氧主要用于异氧菌对COD的降解,其后用于氨氮转化.根据上述规律,提出在短程硝化过程中采用"梯级递减式曝气"供氧新策略,即在反应初期保持一种较大的曝气量,提高反应器溶解氧浓度,促进COD快速降解,随后保持一种小曝气量使反应器中溶解氧维持较低的浓度,从而促进亚硝酸盐积累及优化供氧效率.     

SBR工艺短程硝化快速启动条件的优化

以低COD/TN的实际生活污水为研究对象,采用SBR反应器,对短程硝化的启动条件进行了优化.结果表明,温度30℃、溶解氧(DO) 2.0mg/L、污泥龄为7d时,系统在实时控制条件下运行32周期,可以成功启动短程硝化.在总氮(TN)去除率>95%的情况下,亚硝酸盐积累率(NO2--N /NOx--N)>90%,随后的64d,温度恢复到常温(20~24℃),系统仍稳定运行.荧光原位杂交技术(FISH)检测表明,经过32个周期种群优化,污泥中氨氧化菌(AOB)的含量提高了38.9%,亚硝酸盐氧化菌(NOB)的含量降低了53.2%.在线动态控制DO浓度和曝气时间可以逐渐淘汰系统中的NOB,从而获得稳定的短程硝化,提高系统脱氮效率.     

好氧亚硝化颗粒污泥中硝化细菌群落结构分析

在小试好氧上流式污泥床(AUSB)反应器中,实现了由厌氧颗粒污泥到好氧硝化污泥再到亚硝化颗粒污泥的转化,AUSB反应器的亚硝化率稳定在90%以上.利用FISH、荧光实时定量PCR等技术,考察了AUSB反应器中好氧颗粒污泥中硝化菌群的生态分布.结果表明:好氧亚硝化颗粒污泥呈层状结构,氨氧化细菌(AOB)主要分布在颗粒污泥表层,亚硝酸盐氧化细菌(NOB)多分布在内层,颗粒内核则无活性细胞;随反应器氨氮负荷逐渐提高,颗粒污泥中AOB的相对含量逐渐升高,当NH₃-N负荷分别为0、0.4、1、     

基于侧流FNA处理的颗粒-絮体污泥CANON启动

为探究游离亚硝酸(FNA)侧流处理絮体污泥抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB)活性启动全程自养脱氮(CANON)工艺的可行性,考察了FNA处理对氨氧化菌(AOB)和NOB活性的影响,探究在颗粒-絮体污泥SBR反应器中水力筛分的絮状污泥经侧流FNA处理的运行效果. 结果表明:0.6mg/L FNA处理后的R1经过30d运行,NH₄⁺-N去除率恢复到处理前的水平,并且短程硝化稳定,系统平均出水总氮为13.84mg/L,且△NO₃^--N/△NH₄⁺-N比值接近CANON反应方程式理论比值0.11,成功启动CANON工艺. 而0mg/L FNA处理的R2由于NOB大量增殖导致启动失败. 批次试验结果证实,经过0.6mg/L FNA处理后,6h内NOB活性仅为对照组(FNA=0mg/L)的16.39%,并且在随后的运行中并未发现NOB活性的恢复,NOB得到了有效的抑制. 但与此同时,AOB的活性也受到了影响,反应器中NH₄⁺-N去除率仅为处理前的69.69%,AOB活性6h仅恢复68.06%.