低基质颗粒污泥反应器中亚硝化的实现过程及其污泥变化特征

在CSTR反应器中接种硝化颗粒污泥处理低氨氮浓度废水,研究其亚硝化的实现过程,并基于对颗粒污泥理化性质、功能菌群的空间分布规律及活性的分析,系统阐述了影响亚硝化稳定的关键因素.结果表明,通过协同调控进水氨氮负荷（NLR）和溶解氧（DO）水平等参数,亚硝化成功实现并可维持稳定,亚硝积累率达80%以上.所得亚硝化颗粒污泥为棕黄色,呈现出光滑、饱满的椭球形或球形,颗粒表面微生物以球菌为主;颗粒平均粒径1.3 mm,平均沉降速率为71.3 m·h^-1.批次试验显示,颗粒污泥（粒径>0.8 mm）中存在明显的成层分布结构,氨氧化细菌（AOB）主要占据颗粒表层空间,而亚硝酸盐氧化细菌（NOB）主要分布在颗粒内部;絮体或小粒径污泥（粒径<0.8 mm）与颗粒污泥（粒径>0.8 mm）呈现出不同的微生物空间分布特征.在颗粒污泥反应器中,良好的硝化菌群分层结构、较高的出水氨氮浓度（15~33 mg·L^-1）或较低的DO/NH₄⁺-N （0.08~0.15）是亚硝化实现过程中的关键影响因素.     

利用好氧硝化颗粒污泥SBR处理分离尿液的研究

在不同接种污泥条件下的序批式活性污泥系统（sequencing batch reactor, SBR）中,研究了分离尿液（source-separated urine, SSU)的处理情况和污泥特性.在硝化污泥接种的SBR中,对SSU中的可生化降解有机物具有较高的去除效率,而对其中氨氮的硝化效率很低,系统中没有出现生物体聚集状态的污泥.在用实验室内培养的好氧颗粒污泥接种的SBR系统中,对SSU不仅有较高的有机物去除效率,同时还可以有效实现氨氮的硝化过程,经过约70 d的运行之后,系统中出现了稳定状态的生物聚集体——好氧硝化颗粒污泥,氨氮容积负荷以氮计算为0.5 kg/（m³·d）.好氧硝化颗粒污泥具有良好的沉降效果和活性,颗粒表面聚集着硝化杆菌和球菌.好氧硝化颗粒污泥的粒径比接种的好氧颗粒污泥的粒径有较明显的减少,沉降速率却比相同粒径的好氧颗粒污泥有较大的改善.好氧硝化颗粒污泥对SSU中有机物和氨氮的转化效率都在90％以上,有效地保证了反应器中较小生长速率的硝化细菌的数量并实现系统的稳定运行.     

好氧颗粒污泥膜生物反应器污泥性状研究

采用厌氧-好氧运行方式的颗粒污泥膜生物反应器（GMBR）,连续运行近120　d表现出良好的有机物去除及同步硝化反硝化能力.对GMBR中污泥粒径分布变化研究表明,GMBR中污泥浓度的增加主要是由于粒径0.18～0.45　mm的小颗粒污泥及小于0.18　mm的絮状污泥的增加造成的,粒径大于0.45　mm的颗粒污泥能够基本稳定维持其颗粒形态,反应器运行末期,GMBR中颗粒污泥（粒径大于0.18　mm的污泥）含量稳定在污泥总量的60％～65％以上.污泥表面电荷量随着污泥组成形态的变化电负性逐渐增加,80　d后稳定在-0.42～-0.80　meq·g^-1之间.污泥表面电荷的负电性增加主要是由小于0.45　mm的污泥造成的,其中小于0.18　mm的絮状污泥对其影响最大.并且,污泥粒径越大污泥表面负电荷量越少,两者具有较好的线性关系.另外,GMBR中SVI稳定在60～90 mL/g之间,并且随着污泥表面电荷负电性的增加污泥SVI值增加,两者之间具有一定的相关性.     

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、     

好氧颗粒污泥亚硝化工艺的启动与运行特性研究

以具有硝化功能的活性污泥与厌氧产甲烷颗粒污泥的混合物接种小试曝气上流式污泥床反应器,采用自配无机氨氮废水为进水,在中温（30～35℃）条件下成功培养获得亚硝化颗粒污泥,亚硝化工艺的进水NH^＋₄-Ｎ负荷可达2 .5～3 .0 kg/(m^３·d),氨氮去除率和亚硝化率均可稳定在90%以上;进水中约100 mg/Ｌ的有机COD对亚硝化工艺的运行无明显影响;常温（约20℃）条件下亚硝化工艺也能高效稳定运行.     

不同好氧/缺氧时长联合分区排泥优化生活污水短程硝化反硝化除磷颗粒系统运行

采用生活污水接种人工配水下成熟短程硝化反硝化除磷颗粒,通过不同好氧/缺氧时长联合分区排泥优化调控短程硝化反硝化除磷系统运行.结果表明,调控好氧/缺氧时长联合分区排泥可实现系统的稳定运行.后期稳定期出水COD浓度在50mg·L^-1以下,出水TN浓度低于15mg·L^-1,TN去除率达83%左右并保持平稳,出水P浓度均在0.5mg·L^-1以下,平均去除率为93.72%.同时,分区排泥（70%顶部污泥和30%底部污泥）可作为筛选微生物的途径,维持了良好的亚硝化和除磷性能,使粒径分布更为集中,并保证氨氧化菌（ammonia oxidizing bacteria,AOB）和反硝化聚磷菌（denitrifying phosphate accumulating organisms,DPAOs）的生长优势.缺氧时长的增加提高了缺氧异养菌的生长速率,使得缺氧异养菌分泌出更多的EPS,确保了颗粒污泥性状的改善和后续维持稳定.     

ABR耦合CSTR一体化工艺好氧颗粒污泥亚硝化性能调控及稳态研究

本研究将厌氧折流板反应器(ABR)末端两隔室分别改为曝气池与沉淀池,使其成为厌氧耦合好氧一体化工艺,探索连续流条件下好氧颗粒污泥亚硝化实现条件.分别在厌氧区和好氧区接种厌氧颗粒污泥和好氧颗粒污泥,控制好氧区沉淀时间为1 h,好氧区C/N比由1逐渐降低至0.4,并逐步提高进水氨氮容积负荷[由0.89 kg·(m3·d)-1提高至2.23 kg·(m3·d)-1].经45 d的运行,在好氧区成功培养出成熟的亚硝化颗粒污泥,其外观呈黄色,结构密实、边缘清晰,出水亚硝酸盐积累率稳定在80%左右.游离氨(FA)和游离亚硝酸(FNA)共同抑制作用是实现稳定亚硝酸盐积累的关键因素.运行初期部分好氧颗粒污泥出现解体现象,好氧区产生大量絮体;但后期絮体逐步转化为小粒径颗粒污泥,表明一定数量的有机碳源有利于絮体颗粒化,而大量富集慢速生长的硝化细菌对颗粒的稳定维持起重要作用.     

缺氧-好氧连续流亚硝化颗粒污泥反应器的启动及稳定运行

在室温下(17~19℃),通过接种成熟的亚硝化颗粒污泥于缺氧-好氧连续流反应器中,研究连续流亚硝化颗粒污泥的启动及稳定运行.结果表明,在启动阶段,颗粒污泥系统的亚硝态氮积累率(NAR)平均超过95%,成功启动了缺氧-好氧连续流亚硝化颗粒污泥系统.将好氧区溶解氧(DO)由(3±0.2) mg·L~(-1)提高到(4.5±0.2) mg·L~(-1),探究DO对于该连续流系统的影响.结果表明,在较高DO下,缺氧-好氧连续流亚硝化颗粒污泥系统仍能保持良好的亚硝化性能,平均NAR大于95%.另外,通过改变进水的水力停留时间(HRT),探究HRT对于该连续流系统的影响.较短的水力停留时间(8.4 h)会加快污泥颗粒在系统中的循环,使破碎的颗粒污泥不能及时重组,致使污泥颗粒沉淀性变差,造成污泥颗粒的流失.HRT增加到12.2h时,颗粒污泥系统得到了恢复,并且可以稳定运行.在运行末(166 d),氨氮去除率和NAR分别为86.7%和96.2%.     

SBR系统中同步硝化反硝化好氧颗粒污泥的培养

采用人工配制的模拟生活污水,研究序批式反应器(SBR)中好氧颗粒污泥的培养.实验结果表明:通过对进水碳源进行调控,反应器中形成了高活性具有同步硝化反硝化能力的好氧颗粒污泥,反应器中COD和NH₃-N的去除率分别为74.0%～92.8%和82.3%～98.5%.颗粒污泥的粒径一般为0.5～1.0mm,MLSS达到4.5g·L^-1以上,SVI值约为32.5,其有效生物量及脱氮性能远远高于一般的好氧活性污泥.     

同步脱氮好氧颗粒污泥的特性及其反应过程

厌氧颗粒污泥经过驯化后,成为具有同步硝化与反硝化(SND)功能的好氧颗粒污泥.实验在2L反应器中进行,温度,pH值,溶解氧分别控制在25℃,pH7～8,3～4mg/L.在实验条件下,SND好氧颗粒污泥COD去除率90%,氨氮去除率100%,出水检测不出NO₂^--N和NO₃^--N.反应器中SND颗粒污泥粒径在2.0～2.7mm的占全部颗粒污泥的50%,SVI为15～30mL/gTSS;污泥所能承受的最大压力为23.236N;SND好氧颗粒污泥中挥发性固体为9.92mg/mL,占总固体的2/3.采用SND好氧颗粒污泥进行脱氮研究,反应6h后氨氮去除率达100%,废水中检测不到NO₂^--N,仅残留2mg/L的NO₃^--N.     

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.     

亚硝化颗粒污泥对温度变化的响应特性研究

采用序批式反应器(SBR),以实验室已经培养好的具有良好亚硝化积累的颗粒污泥(短程硝化积累率90%以上)为接种污泥,考察了温度变化对亚硝化颗粒污泥特性、稳定性、氮转换性能及活性的影响.结果表明,温度对亚硝化颗粒污泥的结构和短程硝化性能都有着重要的影响.在30℃时,亚硝化颗粒污泥具有良好的絮凝和沉降性,污泥结构紧密,亚硝化积累率维持在96.17%,污泥容积指数(SVI)为39 mL.g-1,平均粒径为3.03 mm.当温度降至25℃时,由于胞外多聚物(EPS)浓度升高,蛋白质与多糖比值的下降,导致亚硝化颗粒污泥的电负性升高,同时污泥表面的疏水性减弱,结构变得松散,亚硝化颗粒污泥发生了解体,亚硝化积累率在35%以下,短程硝化被破坏.在15℃时,虽然亚硝化颗粒污泥也发生了解体,并且解体现象加剧,但是由于颗粒污泥表面氧气传质深度的增大,使得反应器中氨氧化菌(AOB)的数量相对增大,出水亚硝化积累率最终稳定在68%左右.     

数学模拟好氧颗粒污泥的形成及水力剪切强度对颗粒粒径的影响

以生物膜数学模型和活性污泥数学模型为基础,建立好氧颗粒污泥一维数学模型,并模拟营养物质的去除、颗粒粒径变化、反应器周期表现以及好氧颗粒污泥内DO和菌群分布.模拟有机物SS浓度和出水NH4+-N浓度逐渐降低,在大约50 d左右达到稳定,50 d后模拟出水浓度分别<25 mg.L-1和<1.5 mg.L-1.模拟出水NO3--N浓度随着粒径的增加呈现降低趋势.当颗粒粒径由模拟30 d时的1.1 mm增加到100 d时的2.5 mm,颗粒污泥缺氧区面积相应增加,总氮(TN)的去除率由不到10%增加到91%左右,最终模拟出水NO3--N浓度降低到<3 mg.L-1.在好氧颗粒污泥系统内,由于氧气传质阻力,模拟颗粒污泥外层DO浓度高而内层浓度低,颗粒内可以发生同时硝化反硝化,且好氧颗粒污泥内DO特征随时间而发生变化.在好氧初期,好氧颗粒污泥代谢活性高,模拟DO传质深度大约为100～200μm;而在好氧末期,模拟DO传质深度为800μm.模拟自养菌主要分布在DO浓度高的颗粒外层,异养菌分布在整个颗粒.当水力剪切系数kde由0.25(m.d)-1逐渐增加到5(m.d)-1时,模拟颗粒平衡粒径依次由3.5 mm左右减小到大约1.8 mm.在不同水力剪切强度下模拟颗粒污泥生长特征相似,其平衡状态下粒径随曝气强度的增加而减小,可以通过控制曝气强度来控制好氧颗粒污泥的平衡粒径.     

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。     

HRT对CSTR亚硝化颗粒污泥性能影响

在CSTR中控制稳定的进水氨氮负荷,基于对粒径分布、胞外聚合物（EPS）组分和功能菌动力学活性的分析,考察水力停留时间（HRT）对颗粒污泥形态、氮转化效能和微生物动力学活性的影响,并采用MiSeq高通量测序技术分析污泥中微生物菌群结构.结果表明,HRT从4 h逐渐缩短至1 h,反应器中氨氮去除率从80%逐渐提高至95%,亚硝酸盐累积率始终大于85%.缩短HRT可显著改变颗粒污泥粒径分布,0.3~0.8 mm的颗粒逐渐占主导,约达50%,粒径小于0.3 mm和大于1.6 mm的颗粒逐渐减少.HRT对功能微生物活性影响与颗粒大小有关.系统中变形菌门（Proteobacteria）占绝对优势,亚硝化单胞菌属（Nitrosomomas）为代表的AOB富集度高达56%以上,缩短HRT有利于AOB的富集.     

外源全程硝化污泥对城市污水SPNA系统的影响

为强化城市污水短程硝化-厌氧氨氧化(SPNA)系统脱氮性能与稳定性,在间歇曝气条件下研究投加外源全程硝化污泥对城市污水SPNA系统的影响及机理.结果显示,空白组(SBR3)总氮去除率由35.5%升高至66.3%,短周期分批次投加外源全程硝化污泥(SBR2,投加周期为5d,投加比为2.5%)与长周期分批次投加(SBR1,投加周期为20d,投加比为10%)的SPNA系统总氮去除率分别由31.7%和36.5%升高至76.3%和67.2%,这表明,投加全程硝化污泥有利于提高SPNA系统的脱氮性能,且当投加总量相同时,短周期分批次投加的效果优于长周期分批次投加.功能菌活性结果与脱氮效果一致,SBR1~SBR3的厌氧氨氧化菌(AnAOB)最大活性分别由3.43mg-N/(L·h)升高至7.66,8.19和7.31mg-N/(L·h),氨氧化细菌(AOB)与亚硝酸盐氧化菌(NOB)活性比分别为8.79,9.83和8.78.在间歇曝气条件下投加全程硝化污泥,可选择性抑制NOB、富集AOB,提高AOB与NOB的活性比,利于稳定短程硝化效果,为AnAOB提供稳定的基质,且短周期分批次投加可降低外源硝化污泥中的NOB对系统的冲击,更有利于实现高AOB与NOB活性比,提高系统稳定性.此外,内源短程反硝化菌Candidatus_Competibacter相对丰度明显升高,可为AnAOB提供更多的亚硝酸盐氮,进一步利于AnAOB富集.     

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.     

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.