温度对自养型同步脱氮工艺处理猪场废水厌氧消化液性能及微生物群落的影响

通过运行4个不同温度条件下(30、25、20和15℃)的自养型同步脱氮反应器,研究了不同温度下自养型同步脱氮工艺处理猪场废水厌氧消化液的性能差异及其微生物机制.结果表明,30℃条件下反应器脱氮性能最佳.当温度由30℃降为25℃时,反应器总氮去除率从73%降低到66%,总氮去除速率从2. 29 kg·(m~3·d)~(-1)降低到1. 72 kg·(m~3·d)~(-1),污泥的形态和粒径变化不明显(SMD由80. 85μm降为79. 95μm).当温度低于20℃时,总氮去除率降低到42%,总氮去除速率降低到1. 18 kg·(m~3·d)~(-1),同时发现污泥出现解体现象,粒径减小(SMD为63. 21μm).而当温度为15℃时,总氮去除率降低至37%,总氮去除速率低至1. 00 kg·(m~3·d)~(-1),反应器运行困难.微生物群落结构分析表明,温度对厌氧氨氧化细菌的影响明显大于氨氧化细菌,因此低温条件下反应器脱氮性能下降的主要原因是厌氧氨氧化细菌对温度更敏感.     

污水处理厂CANON工艺小试

在污水处理厂进行CANON工艺小试.试验以污水处理厂A/O除磷工艺出水为基质,启动并运行CANON生物滤柱.第48 d时,反应器氨氮去除率连续10 d大于90%,总氮去除率在70%以上,CANON生物滤柱启动成功.第49~129 d,反应器内部DO控制在较低水平(0.2~0.5 mg·L~(-1)),出水几乎不含氨氮.最大出水总氮浓度为15.6 mg·L~(-1),超过一级A排放标准,硝化细菌(NOB)出现了过量增殖的现象.第129、169和213 d对滤柱进行反冲洗,使得反应器长期总氮去除率大于70%,出水总氮浓度小于12 mg·L~(-1).出水氨氮和总氮浓度达到了一级A标准,硝化细菌得到了有效抑制.结果表明,反冲洗几乎不会影响滤层结构,对滤料生物膜厚度和功能微生物活性影响较小,对硝化细菌抑制作用较大.在实际工程应用中可以通过定期反冲洗维持CANON工艺稳定运行.     

反硝化-高效部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理老龄垃圾渗滤液

采用反硝化-沸石曝气生物滤池(ZBAF)部分亚硝化及氧氨氧化组合工艺处理老龄垃圾渗滤液,探究ZBAF部分亚硝化特性以及组合工艺的脱氮除碳性能.结果表明通过游离氨(FA)对亚硝酸盐氧化菌(NOB)的选择性抑制ZBAF可以实现老龄垃圾渗滤液稳定高效部分亚硝化,平均亚硝氮积累率(NAR)为93.8%亚硝氮产率(NPR)最高达1.659 kg·(m~(3·d)~(-1);在进水中投加葡萄糖700mg·L~(-1)后,当回流比为2.0 HRT为2.2 d时,由于反硝化与厌氧氨氧化的协同作用,组合工艺脱氮效果最佳,平均氨氮去除率(ARE)、总氮去除率(NRE)和总氮去除负荷(NRR)分别达97.2%、90.0%和0.585 kg·(m~3·d)~(-1),平均COD去除率为45.3%其中厌氧氨氧化平均NRR_(ANA)为1.060 kg·(m~3·d)~(-1)最高达1.268 kg·(m~3·d)~(-1).利用高通量测序技术分析各装置中的微生物群落结构.结果显示,反硝化细菌(Paracoccus和Comamonnas)、氨氧化细菌(AOB)(Nitrosomonas)和厌氧氨氧化菌(Candidatus Kuenenia和Candidatus Anammoxoglobus)分别为反硝化、ZBAF和厌氧氨氧化装置中的优势菌这与组合工艺稳定的脱氮性能相吻合.     

污水处理厂SNAD工艺小试

在污水处理厂室外,以A/O除磷工艺出水为基质,启动全程自养脱氮(CANON)生物滤柱反应器.反应器启动成功后,进水中投加葡萄糖作为有机碳源,启动同步短程硝化、厌氧氨氧化耦合反硝化(SNAD)工艺,研究SNAD生物滤柱处理城市生活污水的效果.结果表明,第119～128 d,CANON工艺氨氮去除率大于95%,最大出水总氮浓度为13. 0 mg·L~(-1),超过了北京市地标一级A排放标准.第129 d在进水中投加葡萄糖30 mg·L~(-1)启动SNAD工艺,第133～187 d时SNAD工艺总氮去除率在85%左右,出水总氮浓度为5. 5～7. 3 mg·L~(-1).第195d观察到滤柱出现堵塞现象,在第196 d对反应器进行反冲洗,反冲洗后的30d期间,反应器总氮去除率大于85%,出水总氮浓度维持在6. 2～7. 2 mg·L~(-1).与CANON工艺相比,SNAD工艺提高了总氮去除率,将出水总氮浓度降低了6 mg·L~(-1),使出水氨氮和总氮浓度达到北京市地标一级A标准.     

基于厌氧氨氧化的含氨废气原位处理

采用部分亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器研究了含氨废气原位脱氮处理的可行性.结果表明,在控制低溶解氧(0.2~1 mg·L~(-1)),pH为7.9~8.2,中温(30~35℃)条件下,经过60 d的运行,成功地实现部分亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器的启动,总氮去除率达到88%,氮去除速率由0.05 kg·(m~3·d)~(-1)上升并稳定在0.7 kg·(m~3·d)~(-1).在含氨废气处理研究中,当含氨废气浓度低于2.59%,废气中原有的氧过量,导致硝态氮大量累积;当含氨废气体积分数为2.59%~4.2%时,废气中氧满足反应器脱氮的需求;当含氨废气体积分数高于4.2%,需要额外通入空气,补充反应器内的氧需求.经过60 d的运行,氨气的去除率达100%,总氮去除率达90.06%,总氮去除负荷为0.51 kg·(m~3·d)~(-1).说明基于厌氧氨氧化反应的一体化反应器可实现含氨废气稳定去除.     

包埋厌氧氨氧化菌的环境因子影响特性及群落结构分析

针对厌氧氨氧化菌悬浮培养启动慢、易流失、活性易受环境因子抑制等问题,利用聚乙烯醇-聚丙烯(PVA-PP)制备厌氧氨氧化菌包埋填料,在实现厌氧氨氧化菌活性提高及反应体系稳定运行的基础上,采用批次实验明确了COD干扰、pH值变化及摇床转速对包埋填料脱氮特性的影响.并通过高通量测序技术分析了填料内菌群结构和多样性的变化.结果表明,厌氧氨氧化菌活性可在第30 d恢复至100%,阶段培养99 d,总氮容积负荷(NLR)为0. 69 kg·(m~3·d)~(-1)时,总氮去除率为87. 7%,140 d长期运行,总氮去除速率(NRR)可达1. 83 kg·(m~3·d)~(-1),是包埋前悬浮污泥的9. 4倍.种群多样性在包埋载体内得到保持,厌氧氨氧化功能菌Candidatus Kuenenia(AF375995. 1)有效富集,占比由11. 06%上升至32. 55%. PVA-PP包埋载体可实现厌氧氨氧化-反硝化耦合脱氮,有机碳源干扰及pH值的变化对厌氧氨氧化菌影响抑制明显减弱,并且摇床转速的适当提高会促进包埋体系厌氧氨氧化反应的进行.     

碳源对污水处理厂SAD工艺小试的影响

在市政污水处理厂进行同步厌氧氨氧化反硝化(SAD)工艺小试.以A/O除磷和亚硝化工艺处理后的生活污水为基质,启动厌氧氨氧化滤柱.反应器启动成功后,基质中分别投加葡萄糖和丙酸钠启动SAD工艺.结果表明,常温条件(13~22℃)下,进水投加30 mg·L~(-1)葡萄糖,SAD工艺耦合效果良好,平均出水总氮浓度为6.41 mg·L~(-1).相较于厌氧氨氧化工艺,SAD工艺出水总氮浓度降低了42%;低温环境(10~13℃)中,投加30 mg·L~(-1)葡萄糖,SAD工艺稳定性受到破坏并向反硝化工艺转变;常低温环境(10~22℃)中,基质中投加30 mg·L~(-1)丙酸钠,SAD工艺均有良好的处理效果,平均出水总氮浓度为6.54mg·L~(-1),丙酸钠对低温SAD工艺影响较小.     

污水处理厂CANON工艺启动策略

在污水处理厂进行CANON工艺的小试研究,试验比较了2种自养脱氮(CANON)滤柱的启动策略:R1全部装填成熟的厌氧氨氧化填料,接种亚硝化絮状污泥启动CANON生物滤柱;R2按2:1的质量比混合亚硝化和厌氧氨氧化填料后直接装填启动.R1和R2进水均为污水处理厂A/O工艺出水,水温15~21℃,氨氮浓度为35~55mg/L.R1和R2分别用37d和19d使氨氮去除率稳定在95%左右.运行100d后,反应器出水几乎不含氨氮,但由于硝化细菌(NOB)的增殖,R1和R2最大出水总氮为15.8,12.1mg/L.R1中NOB过量增殖更为严重,而R2出水长期满足了国家一级A排放标准.混合滤料的启动策略减少了2/3厌氧氨氧化滤料的使用量,加速了反应器的启动,更好地抑制了硝化作用,实现氮素长期排放达标.     

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.     

火山岩填料曝气生物滤池的SNAD工艺启动特性及功能菌丰度演替

为研究同步亚硝化、厌氧氨氧化耦合反硝化(SNAD)工艺在浸没式生物滤池反应器(SBAF)内的运行特性,同时接种亚硝化污泥和富集ANAMMOX的填料启动SNAD反应器.结果表明在60 mg·L~(-1)有机物浓度下,自养脱氮和反硝化实现较好的耦合,并在该浓度下稳定运行了67 d,其总氮去除率最高可达92.0%,COD去除率最高达82.9%,最高总氮去除负荷为2.3 kg·(m~3·d)~(-1).与全程自养脱氮(CANON)工艺相比,SNAD工艺的平均总氮去除率提高了12.6%.荧光定量PCR结果显示,系统启动后AOB菌的丰度有所增长,ANAMMOX菌的丰度增长了1个数量级,而NOB菌和反硝化菌的数量维持在较低水平(小于10~7 copies·g~(-1)),表明以火山岩为填料的浸没式生物滤池反应器有利于ANAMMOX和AOB的协同生长,可快速实现SAND工艺的启动.     

反硝化-短程硝化-厌氧氨氧化工艺处理晚期垃圾渗滤液的脱氮除碳性能

本研究在一体式分区反应器中接种成熟的厌氧氨氧化污泥和亚硝化污泥,通过与反硝化反应器串联,研究了前置反硝化与短程硝化-厌氧氨氧化串联工艺处理晚期垃圾渗滤液的脱氮除碳性能.结果表明,未串联反硝化之前,短程硝化-厌氧氨氧化反应器在进水氨氮浓度为600 mg·L~(-1),COD浓度483 mg·L~(-1)时,总氮去除速率(NRR)可达1.88 kg·(m3·d)-1,总氮去除率(NRE)可达90.3%;而在进水COD浓度483 mg·L~(-1),即C/N0.8时,短程硝化-厌氧氨氧化反应器的NRR下降至1.50 kg·(m3·d)-1.通过前置反硝化反应器可以迅速缓解有机物对厌氧氨氧化的不利影响;反硝化与短程硝化-厌氧氨氧化串联反应器在进水NH+4-N浓度为1 100 mg·L~(-1),COD浓度1 150 mg·L~(-1)时,仍可稳定高效运行,整体NRR可达1.37kg·(m3·d)-1,厌氧区NRRana高达15.6 kg·(m3·d)-1,平均NRE可达98.6%,在仅利用原水中有机碳源的情况下实现了垃圾渗滤液的高效深度脱氮.此工艺晚期处理垃圾渗滤液可去除大部分易生物降解有机物.     

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.     

高氨氮对具有回流的PN-ANAMMOX串联工艺的脱氮影响

采用具有气升回流的部分亚硝化-厌氧氨氧化串联工艺研究了进水氨氮浓度对其氮素转化特性和微生物群落的影响.结果表明,在恒定氮容积负荷2.8 kg·(m3·d)-1的条件下,当进水氨氮浓度上升到700 mg·L-1时,好氧区和厌氧区的p H值波动很小,FA浓度分别维持在5 mg·L-1、10 mg·L-1左右,未对功能微生物产生抑制.好氧区的亚硝酸盐生成速率稳定在1.5kg·(m3·d)-1,厌氧区的氮去除速率稳定在31.49 kg·(m3·d)-1,联合工艺的总氮去除速率稳定在1.67 kg·(m3·d)-1.当进水氨氮浓度上升到900 mg·L-1时,各区域FA和FNA浓度才出现上升,联合工艺的总氮去除速率稳定在1.52 kg·(m3·d)-1.厌氧区出现亚硝酸盐的积累,厌氧氨氧化细菌的活性未出现明显的抑制现象.说明在联合工艺运行过程中,回流可有效地缓解各区域p H值的大幅波动,同时稀释了高氨氮浓度所形成的FA对功能微生物的毒性作用.     

基质暴露水平对ANAMMOX微生物活性及生物量的影响

基质暴露水平对ANAMMOX微生物的生长代谢有着重要意义,目前关于基质暴露水平对ANAMMOX污泥长期富集过程中生长特性的研究少有报道.采用两个连续流搅拌反应器,在逐步提升进水负荷的过程中,研究了高基质暴露水平培养方式(R1:出水NH_4~+-N和NO_2--N浓度均为40～60 mg·L~(-1))与低基质暴露水平培养方式(R~2:出水NH_4~+-N和NO_2--N浓度均为0～20 mg·L~(-1))对ANAMMOX微生物生长量和生物活性,以及反应器脱氮效能的影响及机制.结果表明,高基质暴露水平培养方式更有利于ANAMMOX反应器脱氮性能的提升.相比之下,高基质暴露水平培养方式下获得的NLR [0. 69 kg·(m~3·d)~(-1)]和NRR [0. 41 kg·(m~3·d)~(-1)]分别是低基质暴露水平培养方式的2倍;高基质暴露水平培养方式下,ANAMMOX污泥浓度(以VSS计)和总基因拷贝数分别达到1805 mg·L~(-1)和4. 81×1012copies,更有利于ANAMMOX微生物的快速富集培养;低基质暴露水平培养方式下,ANAMMOX污泥的活性更强[以N/VSS计,0. 27 g·(g·d)~(-1)],有利于富集生物活性更高的ANAMMOX污泥.     

耦合短程硝化反硝化的垃圾渗滤液厌氧氨氧化处理系统构建及微生物群落分析

本研究从某垃圾填埋场计划将现有的垃圾渗滤液短程硝化反硝化脱氮工艺改造为短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化工艺的实际需求入手,以短程硝化反硝化污泥作为接种污泥,在上流式厌氧污泥床反应器(UASB)中完成厌氧氨氧化启动.探究反应器运行中的脱氮效能、氮容积负荷和氮去除负荷情况,并利用16S rRNA基因序列分析技术对长期运行条件下系统中微生物群落结构演替进行分析.结果表明,反应器经历了149 d后成功启动厌氧氨氧化,稳定运行后的进水总氮容积负荷达到4 000. 00 mg·(L·d)-1,总氮容积平均去除速率达到3 885. 76 mg·(L·d)-1,系统氨氮和亚硝酸盐氮的平均去除率均超过了95%.运行第250 d时,系统的生物多样性减少,门水平上厌氧氨氧化主要菌群Planctomycetes的丰度达到了54. 94%;属水平上Candidatus Kuenenia为主要菌属,其相对丰度达到了49. 66%.结果证明,在短程硝化反硝化基础上耦合厌氧氨氧化实现垃圾渗滤液深度处理的升级改造工艺具有可行性.     

全海水盐度抑制下厌氧氨氧化工艺的恢复特性

采用ASBR厌氧氨氧化反应器,研究了ANAMMOX反应器在全海水盐度(100%海水比例)下的抑制及恢复特性.结果表明受到盐度抑制后,ANAMMOX反应器的容积氮去除负荷(NRR)在经过了对盐度响应的敏感期、过渡稳定期和恢复期后可以再次进入稳定期,稳定期的NRR可达0.52 kg·(m~3·d)~(-1),与对照组[10%海水比例,NRR为0.462 kg·(m~3·d)~(-1)]接近.对修正的Logistic模型和修正的Gompertz模型做了改进,拓展了模型的适应性.推荐使用再次修正的Logistic模型,对受到全海水盐度抑制后的NRR恢复过程进行模拟.通过建立ANAMMOX反应器NRR恢复时间的预测公式,得到了全海水盐度下NRR的倍增周期为11.359 d.     

纤维载体的生物膜CANON反应器的启动特性

为研究纤维载体在CANON工艺中的运行特性,同时接种亚硝化污泥及厌氧氨氧化污泥启动CANON反应器.结果表明经过85 d运行,成功启动了CANON反应器,NRR从0.09 kg·(m3·d)-1提升至0.9 kg·(m3·d)-1并能稳定运行,说明纤维载体有利于富集污泥,反应器内能维持较高的生物量.随着微生物的富集生长,生物膜变厚,反应器的能力提升,反应器中DO达到5 mg·L-1.利用微电极测得生物膜由表及里的DO梯度为0.32~0 mg·L-1,说明生物膜变厚,氧对生物膜的穿透力减弱,亚硝化微生物量降低.荧光定量PCR结果表明,启动前后NOB菌数量维持在较低水平,AOB菌的丰度增长不大,ANAMMOX菌细胞增长了一个数量级.     

Fe2+和Fe3+对厌氧氨氧化污泥活性的影响

通过接种厌氧氨氧化污泥研究了Fe离子浓度及价态变化对厌氧氨氧化污泥活性的影响.短期浓度影响结果表明,当进水铁离子浓度由0升高到5 mg·L-1时,厌氧氨氧化污泥活性因受刺激而逐渐增强;当进水铁离子浓度大于5 mg·L-1时,因厌氧氨氧化反应产碱,铁离子形成氢氧化物沉淀,生物活性未受到影响.不同价态铁离子浓度变化对厌氧氨氧化污泥活性的影响无明显区别.长期价态影响结果表明,经过71个周期培养,含Fe2+进水的厌氧氨氧化反应器R1脱氮效能(以氮计)由0.28 kg·(m3·d)-1升高到0.65 kg·(m3·d)-1,是含Fe3+进水反应器R2的1.28倍.因此Fe2+更适合厌氧氨氧化菌生长的需求.实验结果进一步表明,Fe3+易导致厌氧氨氧化反应器R2内氨氮过量转化,亚硝氮与氨氮转化比(1.17)明显低于含Fe2+进水的反应器R1内亚硝氮与氨氮转化比(1.24).