硫自养反硝化饮用水脱氮：悬浮填料与硫源作用效果评估

针对饮用水硝酸盐污染和固定床硫自养反硝化脱氮负荷低等问题,开展流化床型硫自养反硝化脱氮研究,探究聚乙烯醇-海藻酸钠-活性炭悬浮填料对硫自养反硝化的影响,并对比了不同硫源(升华硫、硫代硫酸钠和生物硫)对反硝化效果的影响.结果表明,悬浮填料可显著提升反硝化脱氮效果,升华硫与硫代硫酸钠效果优于生物硫.在最佳条件下,TN去除率可稳定保持在98.49%,TN脱氮负荷达2.84 g·L^-1·d^-1.机理分析表明,悬浮填料中海藻酸钠可作为异养反硝化的有机碳源,实现自养与异养反硝化相结合,减少了副产物NO₂^-和SO₄^2-的生成,并提供碱度,保持体系pH的稳定.加入悬浮填料后,反硝化微生物生长得到促进,优势菌属为Thauera(兼性自养反硝化菌)和Brachymonas(异养反硝化菌).     

3BER-S耦合脱氮系统运行特性研究

为了强化三维电极生物膜脱氮工艺(3BER)的脱氮效果,将3BER与硫自养反硝化技术耦合成3BER-S工艺,用于低碳氮比城市污水厂尾水的深度脱氮处理.与3BER对比研究结果表明,3BER-S工艺在TN去除率、系统pH平衡能力和NO2--N积累方面均优于3BER工艺;当进水C(NO3--N)= 35±2mg/L,TOC:N:P=10.7:10:1,pH=7.0~7.5时,3BER-S耦合工艺对TN和NO3--N的去除效率分别为85%和94%,分别比3BER高15%和10%;出水中NO2--N的浓度为3.04mg/L,比3BER低2mg/L.3BER-S中硫自养反硝化作用定量分析表明,硫自养脱氮作用在整个脱氮过程中所占比例为14.07%,单质硫的有效利用率达到79.5%,硫自养反硝化过程对稳定3BER-S系统出水pH值起重要作用.根据3BER-S中微生物基于反硝化细菌特异性基因nirS的克隆文库结果,系统中反硝化细菌都与β变形菌纲中的细菌有较高的同源性,其中61.41%的反硝化细菌属于陶厄氏菌属(Thauera);脱氮硫杆菌和嗜酸菌属(Acidovorax)分别占3.50%和19.30%.表明当碳源比较充足时,3BER-S工艺的脱氮作用主要以异养反硝化过程为主,以单质硫和氢为电子供体的自养反硝化脱氮作用也占有一定比例.     

序批式生物反应器填埋场脱氮微生物多样性分析

为探究序批式生物反应器填埋场脱氮过程中的微生物作用机制,本研究采用建立脱氮功能基因(amoA、nosZ)克隆文库及PCR-RFLP技术对序批式生物反应器填埋场垃圾稳定化后期的主要脱氮功能微生物多样性进行分析.结果表明,矿化垃圾反应器中检测到的氨氧化细菌存在高度多样性,大部分为未知类群,且均为不可培养菌或未经分离获得的细菌,经系统发育树分析系统内氨氧化细菌以β-变形菌门中的亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)为主;新鲜垃圾反应器中反硝化细菌种群丰富,主要有β-变形菌纲中的陶厄氏菌属(Thauera)和硫杆菌属(Thiobacillus).Thauera属在好氧条件下具有反硝化特性,Thiobacillus属中的脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)是一种硫自养反硝化菌,可见新鲜垃圾单元稳定化后期以好氧反硝化和自养反硝化的脱氮途径为主.此外文库中检测到的一部分反硝化细菌可能归属于α-变形菌纲的慢生根瘤菌科(Bradyrhizobiaceae).     

硫自养反硝化系统运行效能和微生物群落结构研究

启动了单质硫自养反硝化反应器并研究其脱氮性能,通过血清瓶批式实验测定了污泥的反硝化活性,并采用扫描电镜和高通量测序手段揭示了系统内微生物群落结构特征.结果表明,SBR反应器进水NO₃^--N浓度为80mg/L,随水力停留时间由12h逐渐缩短为6h,反应器的自养脱氮性能逐渐增强,稳定期反应器的总无机氮去除率达99.1%,总无机氮去除负荷平均值为0.158kg N/（m³·d）;SBR周期内NO₂^--N浓度最大值为13.3mg/L,NO₃^--N还原为NO₂^--N过程pH值由7.38降低至6.94,NO₂^--N还原为N₂过程pH值基本不变;批式实验结果表明,硫自养反硝化和异养反硝化NO₃^--N去除速率分别为0.515,0.196kg N/（kg VSS·d）,硫自养反硝化污泥NO₂^--N降解速率为0.117kg N/（kg VSS·d）,污泥同时具有自养反硝化和异养反硝化活性;扫描电镜显示,污泥中存在大量的杆状细菌和球状菌;污泥中主要的硫反硝化细菌分别为Thiobacillus、Sulfurimonas和Thermomonas属,其相对丰度分别为14.5%、7.6%和6.0%.     

硫自养反硝化系统运行效能和微生物群落结构研究

启动了单质硫自养反硝化反应器并研究其脱氮性能,通过血清瓶批式实验测定了污泥的反硝化活性,并采用扫描电镜和高通量测序手段揭示了系统内微生物群落结构特征.结果表明,SBR反应器进水NO₃^--N浓度为80mg/L,随水力停留时间由12h逐渐缩短为6h,反应器的自养脱氮性能逐渐增强,稳定期反应器的总无机氮去除率达99.1%,总无机氮去除负荷平均值为0.158kg N/（m³·d）;SBR周期内NO₂^--N浓度最大值为13.3mg/L,NO₃^--N还原为NO₂^--N过程pH值由7.38降低至6.94,NO₂^--N还原为N₂过程pH值基本不变;批式实验结果表明,硫自养反硝化和异养反硝化NO₃^--N去除速率分别为0.515,0.196kg N/（kg VSS·d）,硫自养反硝化污泥NO₂^--N降解速率为0.117kg N/（kg VSS·d）,污泥同时具有自养反硝化和异养反硝化活性;扫描电镜显示,污泥中存在大量的杆状细菌和球状菌;污泥中主要的硫反硝化细菌分别为Thiobacillus、Sulfurimonas和Thermomonas属,其相对丰度分别为14.5%、7.6%和6.0%.     

3DBER-S反硝化脱氮性能及其菌群特征

针对污水处理厂尾水TN去除问题,采用16S rDNA克隆文库法,探究了3DBER-S(三维电极生物膜耦合硫自养脱氮工艺)的强化脱氮机制及其菌群特征. 结果表明,I(电流)和HRT(水力停留时间)对3DEBR-S中氢自养和硫自养反硝化作用所占比例的影响较大,但对脱氮效率影响不显著. 当进水C/N〔ρ(COD_Cr)/ρ(TN)〕为1、ρ(NO₃--N)为35 mg/L、I为300 mA、HRT为4 h时,NO₃--N和TN去除率可分别稳定在80%和74%以上. 16S rDNA克隆文库结果显示,反应器中β变形菌纲为优势菌群,占47.89%〔以OUT(操作单元)计〕. 在β变形菌纲中,与具有反硝化功能的陶厄氏菌属(Thauera)相似的细菌所占比例最大,为52.94%;与可分别利用硫和氢为电子供体进行反硝化脱氮的硫杆菌属(Thiobacillus)和食酸菌属(Acidovorax)相似的细菌分别占17.65%和14.71%. 3DBER-S中存在异养联合氢自养和硫自养反硝化协同去除硝酸盐氮的作用,可为反硝化脱氮提供充足的电子供体,节约了有机碳源消耗,并保证了稳定高效的脱氮效果.      

异养与硫自养反硝化协同处理高硝氮废水特性研究

在异养反硝化反应器中添加单质硫,实现硫自养与异养反硝化联合处理NO_3~-废水,探讨异养和硫自养反硝化协同过程中的p H恒定及污泥减量化的特性.结果表明,硫自养反硝化菌在异养反硝化反应器内能够实现快速生长.经过65d的运行,控制进水TOC/N为0.65~0.75时,协同反硝化在无额外碱添加的情况下,厌氧反硝化产生的碱度满足自养反硝化的需求;运行至116d时,协同反硝化的总氮去除率为85%以上,脱氮效能稳定在2.5 kg·(m~3·d)~(-1).通过与完全异养反硝化相比,协同反硝化的污泥产量仅为完全异养反硝化的60%,极大地降低了污泥产量.但是利用协同自养反硝化处理高浓度NO_3~--N废水时,存在NO_2~--N累积的现象,即使是最终稳定期也有20 mg·L~(-1),需进行深度处理.     

DNBF-O3-GAC组合工艺深度脱除氮磷及代谢产物

为提高污水厂尾水水质,本研究采用新型缓释碳源复配海绵铁、活性炭作为反硝化生物滤池的复合填料,分别以模拟二级处理出水和实际污水厂尾水为进水,考察了复合缓释碳源填料反硝化生物滤池-臭氧-活性炭(DNBF-O_3-GAC)组合工艺同步脱氮除磷及去除微生物代谢产物的性能,并借助Mi Seq高通量测序技术分析了反硝化生物滤池生物膜中的微生物群落结构特征.结果表明,组合工艺取得了较好的脱氮除磷及微生物代谢产物的效果:模拟配水阶段和实际尾水阶段NO_3~--N平均去除率分别达到88.87%、79.99%;TP平均去除率分别达到87.67%、65.51%;UV254平均去除率分别达到45.51%、49.23%.组合工艺各处理单元具有不同的功能:NO_3~--N、TN、TP、TFe的变化主要发生在反硝化生物滤池反应器中;UV254、三维荧光强度的变化主要发生在臭氧-活性炭反应器中.微生物在属水平进行聚类分析结果表明,反硝化脱氮系统存在硫自养反硝化菌和异养反硝化菌,当实际尾水阶段碳源相对不足时,硫自养反硝化作用有了显著加强,Thiobacillus(硫杆菌属)的占比由7.44%上升至29.62%,硫自养反硝化与异养反硝化形成的这种互补作用延长了新型缓释碳源的使用周期.     

磷对混养反硝化污泥活性和微生物群落结构的影响

生物反硝化脱氮是现在最广泛使用的去除水中NO-3-N的方法之一,混养反硝化因其综合了异养和自养反硝化的共同特性而引人关注.本实验探究添加一定量无机磷前后反硝化污泥活性及其微生物群落结构的变化.结果表明,混养反硝化污泥在无磷供给时也能进行反硝化反应,但磷的添加可显著提高其生物量和反硝化活性,反硝化污泥的异养反硝化活性明显高于自养部分,添加无机磷之后,自养和异养反硝化速率(以N/VSS计)分别可达0.056 mg·(L·min·g)-1和0.232mg·(L·min·g)-1,分别为加磷前的2.9和3.9倍.此外,微生物群落分析表明,投加磷之后混养污泥中反硝化菌占比显著增加,从13.47%增加到44.82%;优势菌属发生显著变化,添加无机磷使自养、异养以及兼性反硝化菌的生长均得到有效促进.     

2种生物反硝化法去除地下水中硝酸盐的研究

采用砂柱装置,在实验室研究了自养微生物和异养微生物2种生物反硝化方法对地下水中硝酸盐的去除效果。自养反硝化反应在以硫作为电子供体的硫/石灰石/细沙反应柱中进行,异养反硝化反应在石灰石/细沙反应柱中进行,进水增加乙醇作为外加碳源。实验结果用以比较2种反硝化方法在硝酸盐去除率、微生物反应动力学和反应产物三者的异同。结果表明,自养反硝化反应中NO3--N去除率达95.4%,异养反硝化反应去除率可达99.3%;分别与Monod微生物0级、1/2级和1级反应动力学方程进行拟合,2种反硝化反应均符合1/2级微生物反应动力学,适合用1/2级微生物反应方程描述;在反应结束阶段,自养反硝化主要反应产物SO42-出水浓度低于250mg/L,异养反硝化副产物CH3OO-易成为二次污染源,异养反硝化的反硝化速率明显高于自养反硝化反应。     

硫源对反硝化脱氮性能及微生物群落结构的影响

为探究不同硫源驱动下硫自养反硝化系统的脱氮性能及各自优缺点，该文采用UASB反应器研究进水NO₃^--N浓度、水力停留时间对负载型单质硫(PFSF)自养反硝化系统和硫代硫酸钠(Na₂S₂O₃)自养反硝化系统脱氮性能的影响，并从微生物群落结构角度分析2个系统种间协同竞争作用。结果表明：(1)相同条件下，Na₂S₂O₃自养反硝化系统脱氮性能、抗负荷能力、稳定性优于PFSF自养反硝化系统。(2)Na₂S₂O₃系统和PFSF系统优势菌属均为Thiobacillus和Sulfurimonas，自养脱氮菌属丰度分别为49.92%和47.54%,Na₂S₂O₃系统微生物群落结构比PFSF系统更复杂。(3)两系统均具有稳定的微生态平衡，Na₂S₂O_...     

废水生物脱氮过程中N2O排放数学模型研究进展

氧化亚氮(N₂O)的温室效应比CO₂强265倍,可从废水生物脱氮过程中产生并直接排放,如果不对其加以控制,会显著增加污水处理厂的碳足迹。N₂O排放的数学建模对于深入解析N₂O产生机制、量化N₂O排放、优化生物脱氮工艺和制定N₂O减排策略具有重要意义。结合当前国内外研究现状,阐述了废水生物脱氮过程中N₂O产生机制;归纳了基于不同机制建立的N₂O数学模型,包括氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)经过羟胺氧化途径和AOB反硝化途径产生N₂O模型、异养反硝化途径产生N₂O模型以及耦合AOB和异养反硝化细菌产生N₂O模型;总结了新型生物脱氮系统N₂O模型,实际工程应用情况及校准N₂O数学模型中存在的问题;并对今后N₂O数学模型的研究方向进行了展望。     

生物净化低温高铁锰氨氮地下水氨氮去除机制

在某水厂,对"两级曝气+两级过滤"生物净化工艺净化低温高铁锰氨氮(5~7.8℃,Fe_(2+)8.0mg/L,Mn~(2+)3.0mg/L,NH_4~+-N3.0mg/L)地下水过程中,氨氮去除机制进行了试验研究.试验表明:一级和二级滤柱分别存在45.22%和35.97%的氮素损失(TN_(loss)),DO实际耗值分别比理论值少24.67%和22.27%.利用DO计量关系证明TN_(loss)过程是耗氧过程,TN_(loss)与TN_(loss)的DO耗值线性相关性较好,R20.970.分析表明:TN_(loss)产生于自养脱氮过程,与吸附、生物同化、异养反硝化和锰氧化耦合反硝化机制无关.利用氮素守恒和DO计量关系定量计算,一级和二级滤柱分别有51.40%、40.93%的氨氮由自养脱氮过程去除.生物硝化耦合自养脱氮是氨氮去除的主要途径,且进水氨氮浓度越高,自养脱氮比例越高.     

硫铁填料和微电流强化再生水脱氮除磷的研究

为提高再生水质量,在不同C/N和HRT条件下,对比分析硫铁复合填料和微电流作用强化再生水深度脱氮除磷效果.结果表明,硫铁复合填料和微电流作用均能够强化氮、磷的深度去除效果,且二者结合能够使反硝化系统pH值稳定在7.2~8.5之间.系统中TN主要靠异养反硝化、氢自养反硝化和硫自养反硝化作用去除,94.04%的TP是以生成磷酸铁沉淀的形式去除.分别从填料上取生物膜,进行Miseq高通量测序,构建细菌16S rRNA基因克隆文库.结果发现,在仅有海绵铁作用系统中,同时具有异养反硝化和氢自养反硝化功能的细菌所占比例达到29.47%;硫铁复合填料和硫铁微电流作用系统中,具有硫自养反硝化功能的Thiobacillus(硫杆菌属)所占比例分别达到60.47%和40.62%.因此,硫铁复合填料和微电流作用用于强化再生水深度脱氮除磷具有明显的优势.     

低硫精矿自养反硝化脱氮除磷研究

氮和磷过度排放会破坏水生态环境,为此开发高效、廉价的废水脱氮除磷材料,对缓解水体富营养化具有重要意义.利用天然磁黄铁矿、黄铁矿和低硫精矿(Low sulfur concentrate简称LSC)构建铁硫矿物自养反硝化脱氮除磷体系,考察了不同铁硫矿物自养反硝化脱氮除磷性能,探究了黄铁矿、磁黄铁矿相互作用机理和反应前后微生物群落变化.结果表明,相较于黄铁矿、磁黄铁矿,LSC具有更高的平均脱氮速率(0.30mg·L^-1·h^-1)和磷去除率(89.8%),表明LSC具有优异的脱氮除磷性能;此外,在相同反应条件下,黄铁矿和磁黄铁矿混合体系脱氮性能高于单一矿物,显示黄铁矿、磁黄铁矿在自养反硝化过程存在协同作用;高通量测序结果表明,硫自养反硝化典型菌属为Thiobacillus和Sulfurimonas,在LSC体系中Sulfurimonas(硫磺菌属)丰度显著增加,推测LSC在长期存放过程中氧化生成单质硫可提高自养反硝化速率.     

基于改良ASM1的SNAD工艺启动和优化

采用微氧升流式膜生物反应器（UMSB-MBR）启动同步亚硝化-厌氧氨氧化耦合异养反硝化（SNAD）工艺,拟通过构建数学模型实现工艺启动过程分析及其优化过程预测.结果表明：反应器历经厌氧氨氧化和全程自养脱氮（CANON）工艺后,通过引入有机碳源（C/N比为0.5）启动SNAD工艺（总氮去除率可达87.66%）,并运用ASM1模型及实验数据成功建立SNAD工艺启动模型;通过模型分析发现,氮负荷（NLR）的增大（由0.24~1.88kg/（m³·d））,适宜的溶解氧（DO）浓度（0.2~0.4mg/L）均有利于SNAD工艺的快速启动;通过模型预测发现,随着C/N比（由0.5~3.0）增大,反硝化菌（DNB）对厌氧氨氧化菌（AnAOB）活性的抑制程度不断增强,造成脱氮主要途径由厌氧氨氧化向异养反硝化过程转化,综合考虑C/N比为1.5时SNAD工艺效能和微生物菌群配置处于最佳状态.     

异养硝化、厌氧氨氧化及古菌氨氧化与新的氮循环

自然界中氮循环与微生物的作用密不可分.在过去的几年里,随着异养硝化、厌氧氨氧化和古菌氨氧化过程的发现,人们对氮循环的认识发生了明显的变化.就异养硝化菌、厌氧氨氧化菌和氨氧化古菌的发现、生化机理及分子生物学等方面进行综述,旨在为今后人们重新认识和构建新的氮循环提供有用信息,并对这些新型微生物今后在污水生物脱氨处理中的应用提出了一些展望和设想.指出今后在污水生物处理系统中,可通过富集异养硝化菌强化同步硝化反硝化、富集厌氧氨氧化菌实现单级自养脱氟、富集氨氧化古菌提高低溶解氧下的脱氮效率.     

全程自养脱氮颗粒污泥培养及动力学研究

SBR反应器接种厌氧颗粒污泥,经过3个阶段培养,成功培养出全程自养脱氮颗粒污泥,并对颗粒污泥系统进行动力学研究.建立了描述全程自养脱氮的动力学模型.由于溶解氧(DO)在颗粒污泥内呈梯度分布,模型引入DO校正系数.通过模型研究反硝化作用、亚硝酸盐和DO对过程的影响,模拟结果与实测结果相一致.结果说明,异养反硝化菌的存在,在一定程度上影响厌氧氨氧化(ANAMMOX)过程,但是随着启动的进行,反硝化的影响逐渐降低.初始亚硝酸盐浓度为20~30 mg/L时,厌氧氨氧化开始受到抑制,总氮去除率开始降低.DO浓度的过高或过低都会导致全程自养脱氮效果受限制.根据进水氨氮浓度调整DO浓度,可使总氮去除效率达到较佳水平.进水氨氮浓度为80 mg/L时,最佳DO为0.3~0.6 mg/L.     

厌氧膜生物反应器出水生物脱氮技术研究

为解决AnMBR（厌氧膜生物反应器）出水NH₄+脱除的问题,提出利用AnMBR出水中残余COD_Cr、溶解性CH₄以及低价态硫元素,通过构建缺氧滤池和好氧滤池进行生物异养和硫自养脱氮的方法,进一步削减AnMBR出水COD_Cr、去除溶解性CH₄、同时同步生物脱氮.结果表明:①缺氧滤池与好氧滤池经过120 d单独驯化与33 d串联驯化后,在HRT（hydraulic retention time,水力停留时间）为6 h、进水为实际AnMBR出水的工况条件下,出水ρ（TN）为17.93 mg/L,去除率为52.7%;出水ρ（NH₄+-N）为2.78 mg/L,去除率为92.3%,达到GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准.在HRT为8 h工况条件下,出水ρ（TN）为14.60 mg/L,去除率为59.0%;出水ρ（NH₄+-N）为2.22 mg/L,去除率为93.7%,达到GB 18918-2002一级A标准.②脱氮滤池中氮脱除路径主要包括残余COD_Cr异养反硝化、溶解性CH₄异养反硝化和硫自养反硝化,并通过物料衡算评价了三者对于氮脱除的贡献,在HRT为6 h的工况条件下,脱氮滤池脱氮过程中残余COD_Cr异养反硝化、溶解性CH₄异养反硝化和硫自养反硝化三者占比分别为54.1%、24.3%和21.5%;在HRT为8 h的工况条件下,脱氮滤池脱氮过程中3种途径占比分别为70.4%、13.8%和15.8%.研究显示,脱氮滤池可以实现对AnMBR出水的低耗生物脱氮以及整体水质的达标排放.      

硫自养反硝化技术优劣辨析

硫自养反硝化因无需外加碳源、运行过程无CO₂直接碳排放,且硫或硫化物价格低廉而开始进入大众眼帘.硫自养反硝化概念始于20世纪70年代,但国际上对其研究与应用一直默默无闻,反而是近年来在我国方兴未艾,这一反差现象耐人寻味.通过对硫循环及硫资源概括总结发现,全球硫储量虽多,但硫资源开采主要来源于石油、天然气冶炼过程中对硫的回收,获得并不具有持久性.对硫自养反硝化过程原理、存在问题、直接碳排放等分析显示,自养反硝化速率较异养反硝化低61.5%～75.6%,反应过程会产生大量SO₄^2-.此外,还存在硫填料滤床穿透逐渐降低处理负荷等问题.碳排放分析揭示,低pH(<6.5)会抑制反应进程,可能导致反硝化止步于氧化亚氮(N₂O)而产生相当释放量.相反,除外加碳源导致CO₂直接排放问题外,异养反硝化在同步脱氮除磷方面优势明显.况且,碳源缺乏问题存在多种解决方案,完全可以通过不外加碳源或选择废弃生源性碳源来解决碳排放问题.因此,在选择正确脱氮除磷技术路径时需要在深入了解反应机理的基础上,全...