厌氧氨氧化耦合反硝化底物竞争抑制特性

通过连续流实验和批式实验研究了有机物和NO₂^--N对厌氧氨氧化菌和反硝化菌耦合脱氮特性的影响.在连续流实验中,保证底物NO₂^--N充足,研究了葡萄糖有机物对厌氧氨氧化颗粒污泥反应器脱氮性能的影响.当进水葡萄糖有机物的COD浓度为100mg/L时,颗粒污泥具有良好的厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮活性,当COD浓度为200mg/L时,颗粒污泥的厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮活性较差.当进水COD浓度分别为100,200mg/L时,反应器中颗粒污泥的厌氧氨氧化NH₄⁺-N去除活性分别为0.096,0.071kg NH₄⁺-N/（kgVSS-d）,厌氧氨氧化NO₂^--N去除活性分别为0.153,0.092kg NO₂^--N/（kgVSS-d）,反硝化NO₂^--N去除活性分别为0.111,0.212kg NO₂^--N/（kgVSS-d）.在批式实验中,研究了碳源种类和COD/NO₂^--N比对厌氧氨氧化耦合反硝化颗粒污泥脱氮性能的影响.控制COD/NO₂^--N比为1~4,以葡萄糖为碳源时,厌氧氨氧化菌在亚硝态的竞争过程中占据优势;以乙酸钠为碳源时,控制COD/NO₂^--N比为1~4,厌氧氨氧化菌在亚硝态的竞争过程中处于劣势.     

乙酸钠丙酸钠配比对A2/O-BCO反硝化除磷及菌群结构的影响

采用厌氧/缺氧/好氧和生物接触氧化反应器（A²/O-BCO）组成的反硝化除磷系统处理模拟生活污水,通过调节进水乙酸钠、丙酸钠的配比（乙酸钠：丙酸钠分别为1：0,2：1,1：1,1：2和0：1）,考察了系统对有机物的去除以及同步脱氮除磷的影响,同时通过高通量测序对比了不同配比下微生物菌群结构的变化.结果表明：乙酸钠丙酸钠配比对有机物和NH₄⁺-N的去除影响较小,对厌氧段有机物的消耗和TN的去除率以及磷的释放和吸收影响较为明显;TP去除率仅为50.3%~56.8%,需进一步优化系统的运行参数.当乙酸钠：丙酸钠=1：1时,厌氧段有机物消耗量最大,占有机物流入量的61.2%,厌氧释磷量最大（23.2mg/L）且缺氧吸磷率最高（71.4%）,而TN的去除效果则随丙酸钠含量的增加而增加.高通量测序结果表明：A²/O反应器中微生物多样性降低,混合碳源污泥中微生物多样性比单一碳源更丰富;驯化后的污泥中绿弯菌（Chloroflexi）和螺旋菌（Saccharibacteria）减少,变形菌（Proteobacteria）和拟杆菌（Bacteroidetes）增加.BCO反应器中Nitrospira和Nitrosomonas总占比为2.1%~31.4%,且抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）的活性,有利于短程硝化的实现.     

有机物对厌氧氨氧化系统的冲击影响

接种稳定运行300余天的厌氧氨氧化污泥,通过批次试验,研究了不同浓度乙酸钠和不同种类有机物对厌氧氨氧化系统的冲击影响.结果表明:在初始NO2--N浓度为35mg/L左右,乙酸钠浓度为0~200mg/L时,乙酸钠的冲击不会抑制厌氧氨氧化菌的活性,且一定程度上促进厌氧氨氧化反应的进行,最大比氨氧化速率与乙酸钠浓度呈正相关性;不同有机物对厌氧氨氧化系统的促进作用不同,氨氧化速率从高到低依次为乙酸钠、蛋白胨、葡萄糖和淀粉;反硝化作用伴随整个反应过程,但硝态氮还原速率[0.0155~0.0442mgN/(L?min)]小于氨氧化速率[0.1090~0.1498mgN/(L?min)],因此厌氧氨氧化菌在系统中一直占主导地位.在有机物的冲击下,厌氧氨氧化反应可协同反硝化反应去除系统中的总氮,提高系统总氮的去除率,从而改善出水水质.     

有机物对SAD的影响及其数学模拟

通过血清瓶批式实验,研究了不同C/N下葡萄糖和乙酸钠对厌氧氨氧化耦合反硝化系统（SAD）污泥活性及脱氮性能的影响.耦合系统颗粒污泥为在亚硝态氮充足的UASB连续流反应器中培养得到,具有较高的厌氧氨氧化活性和反硝化活性.以葡萄糖为碳源,C/N分别为1,2,4时,厌氧氨氧化活性差异不大,反硝化活性逐渐增加,亚硝态氮最大降解速率分别为0.265,0.345,0.453kgN/（kgVSS·d）;以乙酸钠为碳源,C/N分别为1、2、4时,厌氧氨氧化活性和反硝化活性都无明显差别.相同C/N下,耦合系统以葡萄糖为碳源时的厌氧氨氧化活性较高,以乙酸钠为碳源时的反硝化活性较高.C/N分别为1,2,4时,以葡萄糖为有机物的氨氮最大降解速率分别为乙酸钠的1.15,1.19,1.58倍,以乙酸钠为有机物时反应的亚硝态氮最大降解速率分别为葡萄糖的1.89,1.48,1.15倍.实验的数学模拟结果表明,通过模型的模拟,能较为准确地预测实验过程中氮素的变化趋势,在C/N为1~4时耦合系统中颗粒污泥的厌氧氨氧化活性无较大变化.     

自然生态系统中厌氧氨氧化和反硝化耦合反应研究进展

厌氧氨氧化和反硝化反应是氮循环系统的两个关键环节,它们对平衡整个生态系统氮的收支、改善水体氮的污染、减少温室气体的排放均具有重要意义.在阐述厌氧氨氧化和反硝化生物反应及微生物学机理的基础上,着重综述了二者在水生和陆地两个生态系统中的耦合反应:①探讨了厌氧氨氧化和反硝化反应在不同环境背景下发生的介质及N₂的产生速率和贡献比率,发现水生生态系统中厌氧氨氧化对N₂产生的贡献率相对陆地生态系统占有较大比重.②分析了调控厌氧氨氧化和反硝化反应的细菌群落和功能基因,反应系统占主导的微生物种类随环境发生变化,其中厌氧氨氧化菌Candidatus brocadia作为主导细菌出现频率较高.③二者耦合过程中的影响因素包括环境因素与底物因素.其中,环境因素中厌氧氨氧化与反硝化耦合的最适pH为6.7~8.3,且溶解氧含量过高时也会对耦合反应产生抑制作用;在底物环境中,有机物含量或C/N过高会促进反硝化作用,但同时也会抑制厌氧氨氧化的发生.建议以后能够加大对于厌氧氨氧化和反硝化耦合反应全球尺度的研究,特别是对于陆地生态系统,还应加深对厌氧氨氧化反应速率与反硝化反应速率之间关系的理论与应用研究;同时,在实际应用中,需要在确定厌氧氨氧化菌和反硝化菌最佳生长基础上,建立耦合体系理论预测数学模型,量化两类功能性微生物的耦合效果.      

有机碳源作用下厌氧氨氧化系统的脱氮效能

采用ASBR厌氧氨氧化反应器,研究不同有机碳源及浓度变化对厌氧氨氧化菌活性与反应器脱氮性能的影响.实验结果表明,当葡萄糖浓度为200 mg·L~(-1)时,厌氧氨氧化活性下降84.2%;当乙酸钠浓度低于120 mg·L~(-1)时不但不会抑制厌氧氨氧化菌的活性,还在一定程度上促进了厌氧氨氧化反应的进行;蔗糖对厌氧氨氧化的促进作用与乙酸钠类似,当浓度为80mg·L~(-1)时,最大比厌氧氨氧化速率提高了25.0%;柠檬酸三钠对厌氧氨氧化反应几乎没有影响,当有机物浓度为80 mg·L~(-1)时,最大比厌氧氨氧化速率达到最大.有机碳源对厌氧氨氧化的促进作用由大到小为:蔗糖乙酸钠柠檬酸三钠葡萄糖.有机碳源作用下,厌氧氨氧化反应可协同反硝化反应去除系统中的硝态氮,提高了系统总氮的去除率.     

A2/O-BCO系统中碳源类型对反硝化除磷及菌群结构的影响

采用厌氧/缺氧/好氧-生物接触氧化(A²/O - BCO)工艺处理低碳氮(C/N)比污水, 考察单因素碳源(阶段Ⅰ: 乙酸钠; 阶段Ⅱ: 乙酸钠+丙酸钠; 阶段Ⅲ: 丙酸钠)对有机物去除以及同步脱氮除磷的影响, 并重点探究乙酸钠、丙酸钠混合碳源条件下内碳源(PHA、Gly)的转化利用以及反硝化除磷(DPR)机理, 同时通过高通量测序对比了不同阶段微生物菌群结构的演变规律.结果表明: 混合碳源提高了有机物、氮、磷的同步去除效率, 厌氧段内碳源转化量为226mg/h, 释磷量高达30.58mg/L, DPR效率稳定在90%以上; 批次试验表明反硝化聚磷菌(DPAOs)占聚磷菌(PAOs)的比例为72.42%, 基本实现了DPAOs的富集; 高通量测序结果表明混合碳源更有利于形成独特的OTUs菌群, PAOs(包括Accumulibacter和Acinetobacter)和DPAOs (包括Dechloromonas和Pseudomonas)总量高达29.13%(> 16.18%(阶段Ⅲ) > 14.34%(阶段Ⅰ)), 有效促进了碳源的高效利用以及反硝化除磷效率; BCO反应器中氨氧化菌(AOB, 包括Nitrosomonas和Nitrosomonadaceae)和亚硝酸盐氧化菌(NOB, 以Nitrospira为主)总量从3.89%(N1)增加到23.09%(N2)、37.23%(N3), 为反硝化除磷提供充足的电子受体; 此外, 建立了基于碳源高效利用的运行调控策略, 以期为A²/O - BCO工艺的推广应用提供理论参考.     

不同C/N比和碳源种类条件下的SNAD生物膜脱氮性能

通过批试实验研究了C/N比和碳源种类对SNAD生物膜厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮性能的影响.SNAD生物膜反应器以生活污水为进水,以鲍尔环为生物膜载体,具有良好的SNAD脱氮性能.以乙酸钠为碳源,研究了COD/NO_2~--N比对SNAD生物膜厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮性能的影响.随着C0D/NO_2~--N比的增加,厌氧氨氧化亚硝态氮去除量占总亚硝态氮去除量的百分比逐渐减小.C0D/NO_2~--N比分别为1、2、3、4和5实验组对应的厌氧氨氧化亚硝态氮去除量占总亚硝态氮去除量的百分比分别为87.1%、52.2%、29.3%、23.7%和16.3%.当C0D/NO_2~--N比为0~2时,厌氧氨氧化亚硝态氮去除量占总亚硝态氮去除量的百分比大于50%,SNAD生物膜可以实现良好的耦合脱氮.控制C0D/N0_2~--N为5,研究了碳源种类对SNAD生物膜厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮性能的影响.以甲酸钠、乙酸钠、丙酸钠和葡萄糖为碳源实验组对应的厌氧氨氧化亚硝态氮去除量占总亚硝态氮去除量的百分比分别为16.3%、37.1%、74.1%和76.8%.当以丙酸钠或葡萄糖为外加碳源并且C0D/NO_2~--N=5时,SNAD生物膜可以实现良好的耦合脱氮.     

低碳氮比猪场废水短程硝化反硝化-厌氧氨氧化脱氮

针对低碳氮比猪场废水传统脱氮法碳源不足的问题,采用SBBR反应器进行短程硝化反硝化-厌氧氨氧化联合脱氮.实验表明,短程硝化反硝化预处理可为厌氧氨氧化创造良好的进水条件;经预处理的猪场废水厌氧氨氧化脱氮效果显著,氨氮、亚硝态氮和总氮的平均去除率分别为91.8%、 99.3%、 84.1%,废水中残留有机物未对厌氧氨氧化效果产生明显影响,氨氮、亚硝态氮、硝态氮平均变化量之比为 1∶1.21∶0.24.色质联用分析结果显示,猪场废水中有机物成分在厌氧氨氧化反应前后未发生明显变化,主要化合物为酯类和烷烃类物质;特殊功能菌种检测结果表明,实验条件下的微生物系统是一个厌氧氨氧化菌与硝化菌、亚硝化菌和反硝化菌共存的系统,厌氧氨氧化菌是该系统主要脱氮功能菌.     

多基质时厌氧氨氧化菌、异养反硝化污泥活性及抑制特征

以厌氧氨氧化污泥(AAOB)和各种有机物混合,AAOB分别与异养甲醇反硝化菌和城市污水处理厂活性污泥相混合为研究对象,考察了多种基质(醇类、糖类)时自养、异养反硝化菌群的活性及其相应的抑制特征.结果表明,醇类有机物对AAOB的活性有明显抑制作用,甲醇的抑制性最强,当甲醇为5.48mmol/L时,AAOB活性了损失2/3.而乙酸钠对AAOB有一定的促进作用,另外,葡萄糖、乳糖和蔗糖等糖类有机物对AAOB的影响较小.此外,试验发现经驯化的甲醇反硝化菌能利用各种醇类完成异养短程反硝化.对于活性污泥,利用乙酸钠实现短程反硝化的能力优于甲醇、乙醇、葡萄糖和乳糖.混合试验中,正丙醇导致AAOB和甲醇反硝化菌混合菌群中AAOB活性下降,并且在与甲醇反硝化菌的竞争中处于劣势.乙酸钠对于AAOB和活性污泥混合菌群中AAOB的影响较小.     

苯酚对厌氧氨氧化工艺耦合反硝化的启动及脱氮性能的影响

研究了ANAMMOX耦合异养反硝化反应器的启动过程,考察了苯酚浓度对耦合反应器脱氮性能的影响.接种2L(占反应器有效容积的20%)挥发性悬浮固体(MLVSS)为6000mg/L的ANAMMOX颗粒污泥,在pH7.8、温度为25℃、HRT为1.5h的条件下经过86d的培养,ANAMMOX耦合异养反硝化启动成功.实验结果表明,在稳定运行阶段,NH4+-N、NO2--N和TN平均去除率分别为85.4%、86.1%和79.9%,TN平均容积负荷和TN平均去除负荷分别为2.63,2.10kg/(m3·d);ANAMMOX颗粒污泥外面包裹着苯酚反硝化菌;系统内异养反硝化与ANAMMOX存在协同和竞争关系.当苯酚浓度≥0.3mmol/L时,ANAMMOX菌的活性受到很大抑制,苯酚浓度的升高加剧了苯酚反硝化菌与ANAMMOX菌之间的竞争;从脱氮效果及系统稳定两方面综合考虑,当苯酚浓度为0.2mmol/L时,耦合效果最好,消耗的NH4+-N、NO2--N与生成的NO3--N之比为1:1.52:0.11.     

基于碳源优化的反硝化除磷及微生物特性

接种厌氧/缺氧/好氧-生物接触氧化（AAO-BCO）系统的反硝化除磷污泥,采用厌氧/缺氧/好氧-序批式（AAO-SBR）系统,重点考察了乙酸盐和丙酸盐配比（1：0,2：1,1：1,1：2和0：1）对反硝化除磷效率的影响,同时通过高通量测序对比了不同配比下微生物菌群结构的变化.结果表明,5种工况下,AAO-SBR系统均具有较高的有机物去除和反硝化除磷能力.而当乙酸钠/丙酸钠=1：0时,厌氧阶段在高效利用COD（87.63%）的同时完成聚-β-羟基烷酸（PHAs）的合成（174mgCOD/gMLSS）,释磷量高达31.22mg/L;缺氧阶段PO₄^3--P的去除（74%）伴随着NO₃^--N反硝化（90%）,PHAs利用率为72.4%,实现了氮磷的高效去除.高通量测序结果表明：不同碳源配比影响了微生物菌群的丰富度和多样性,其中变形菌门（Proteobacteria,31%~76%）、绿弯菌门（Chloroflexi,1%~26%）、拟杆菌门（Bacteroidetes,2%~31%）等占据绝大比例,而乙酸钠、丙酸钠共存时,微生物的多样性较好.当乙酸钠为单一碳源时,系统中聚磷菌（PAOs,21.364%）在与聚糖菌（GAOs,2.317%）的竞争中占绝对优势.     

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.     

后续碳源强化ANAMMOX-MFC系统脱氮产电调控策略

考察添加后续碳源的厌氧氨氧化微生物燃料电池（ANAMMOX-MFC）高效脱氮产电运行的稳定性,采用高通量测序及KEGG功能酶预测对微生物群落结构及功能基因的变化进行表征。结果表明:系统可以连续稳定运行60 d,TN去除率稳定在96%以上,连续运行最大输出电压为800 mV左右。添加适当浓度的乙酸钠,可增高污泥中发酵菌Enterococcus、反硝化产电菌Pseudomonas、Thauera的相对丰度进而有效促进产电。但是过度水解酸化会抑制AnAOB活性。第68~104天,出水NH₄+-N浓度升高,TN去除率下降至90%左右,通过停加乙酸钠TN去除率恢复至95%以上。ANAMMOX-MFC系统出水NH₄+-N浓度可作为后续碳源停加的"调控信号",使得脱氮产电系统稳定高效运行,为厌氧氨氧化与微生物燃料电池脱氮产电的技术结合提供了很好的理论依据,具有一定的工程指导意义。     

单级序批式生物膜反应器（SBBR）多途径生物脱氮研究

利用传统微生物分析技术与PCR、变性梯度凝胶电泳（DGGE）等分子生物学技术相结合的方法,对单级SBBR反应器中的主要生物脱氮途径进行分析.结果表明,亚硝化-厌氧氨氧化-反硝化途径是主要的脱氮途径,通过该途径去除的NH⁺₄-N占总去除量的65%以上;另外2条途径则分别是亚硝化-反硝化途径以及全程硝化-反硝化途径.所有途径都采取同步和分步2种方式完成,同步方式以曝气阶段的氮素亏损形式予以表现.分步方式则依靠各种脱氮微生物在曝气阶段和厌氧阶段不同的活性程度完成,亚硝酸细菌是曝气阶段的主要活性菌种,完成NH⁺₄-N向NO^-₂-N的转化,而厌氧氨氧化细菌和反硝化细菌则在厌氧阶段成为优势菌种,完成完整的生物脱氮过程.     

固定化细胞单级生物脱氮研究

利用硝化菌和反硝化菌混合固定的方法,研究了好氧条件下同时进行硝化和反硝化作用的单级生物脱氮技术.结果表明,反硝化菌被固定后,在好氧条件下仍具有反硝化功能.硝化菌和反硝化菌被混合固定后,可以在好氧条件下同时进行硝化和反硝化作用,并且其氨氧化速率约为硝化菌单独固定时的1.4倍.硝化菌和反硝化菌混合固定构成的单级生物脱氮系统其脱氮速率是分别固定构成的单级生物脱氮系统的2.6倍.