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.     

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（An AOB）和氨氧化菌（AOB）最大活性分别为3792.00,5166.00mg/（m²·d）,而亚硝酸盐氧化菌（NOB）活性未检出.高通量结果显示,生物膜中AnAOB主要为Candidatus Brocadia,相对丰度为1.33%;AOB主要为Nitrosomonas,相对丰度为0.17%;NOB主要为Nitrospira,相对丰度为0.003%.在中等氨氮浓度条件下MBBR反应器中可以实现高效PN/A过程,采用在间歇曝气模式下提高DO浓度的方式是提升系统脱氮性能的有效途径.     

基于MBBR的CANON工艺处理消化液中试启动

基于移动床生物膜反应器（MBBR）成功启动了自养脱氮工艺（CANON）处理污泥消化上清液.采用8.55m³中试系统,反应器内部填充SPR-Ⅲ填料,填充率44%,通过动态流接CANON污泥（接种比例<1%）,经过70d成功启动CANON工艺.运行至200d,TN去除负荷稳定在0.9kgN/（m³·d）,出水氨氮浓度均值63.9mg/L,氨氮和总氮去除率均值分别为91%和85%.进水中存在的少量有机物使系统同时存在反硝化和厌氧氨氧化两种脱氮途径,促进了总氮的去除,对总氮去除的贡献分别占5%~7%和93%~95%.通过对pH值和曝气强度的控制,防止了悬浮载体结垢,平衡了DO、曝气强度以及生物膜厚度三者之间的关系,使生物膜始终处于适宜的厚度,稳定了系统的处理效果.高通量测序表明悬浮载体上的优势菌种为氨氧化菌（AOB）和厌氧氨氧化菌（AnAOB）,其丰度整体呈增长趋势,至稳定运行期可达到17%和14%.系统无NOB存在,短程硝化效果良好,反硝化菌群丰度在2%~3%并相对稳定,进水中存在的少量有机物不会影响厌氧氨氧化菌的增殖.     

沸石曝气生物滤池短程硝化特性及其机制

通过改变进水氨氮浓度和容积负荷,研究沸石曝气生物滤池(ZBAF)的短程硝化特性及其机制,利用高通量测序技术分析ZBAF中生物膜的微生物群落结构.结果表明:稳定运行阶段,亚硝氮产率(NPR)可达0.760kg/(m~3·d),亚硝氮积累率(NAR)高于98%;游离氨(FA)对亚硝酸盐氧化菌(NOB)的抑制是实现短程硝化的主要原因,沸石对氨氮的吸附作用有利于维持合适的FA浓度,从而选择性抑制NOB的活性;亚硝氮的产生遵循零级动力学模型;ZBAF内实现了AOB的富集以及NOB的抑制,其中AOB(Nitrosomoadaceae)的相对丰度高于61%,未检测出NOB.     

常温低氨氮CANON工艺稳定性研究

室外以A/O除磷后的生活污水为基质启动全程自养脱氮(CANON)生物滤柱,针对CANON工艺中NOB过量增殖导致出水氮素浓度超过一级A排放标准的问题,试验考察高氨氮负荷、反冲洗、厌氧运行对滤柱中NOB的影响.结果表明:NOB对高氨氮负荷有适应性,进水氨氮负荷为0.60kg/(m~3·d)时,连续运行80d后总氮去除率稳定在65%左右,最大出水总氮浓度为15.8mg/L,超过一级A排放标准;反冲洗可以洗脱CANON工艺中的NOB,反冲洗后滤柱连续40d出水总氮浓度小于10.5mg/L:厌氧运行对NOB抑制作用大而对AOB影响较小,从厌氧运行恢复低DO稳定运行后,连续40d以上总氮去除率大于80%,最大出水总氮浓度为9.5mg/L.     

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.     

颗粒+絮体污泥CANON工艺的启动与SRT影响研究

为缩短工程应用中CANON工艺的启动时间及指导实际工程排泥控制,利用两个相同规格的SBR反应器接种不同比例厌氧氨氧化(anaerbic ammonium oxidation,ANAMMOX)颗粒污泥,研究了CANNON工艺启动规律与不同絮体SRT对工艺运行的影响.试验过程中,温度控制在30℃±1℃,pH 7~8.结果表明,接种5%和10%ANAMMOX颗粒污泥的两反应器在初始FA浓度大于44 mg·L~(-1)条件下,不利于工艺的快速启动.接种15%和20%ANAMMOX颗粒污泥的两反应器,分别在运行的第46 d和35 d成功启动了CANON工艺.当絮体SRT分别为30 d、90 d和不主动排泥时,系统总氮去除负荷均能维持在0.35kg·(m3·d)-1;定量PCR数据显示,随污泥龄的延长,AOB丰度相对稳定,ANAMMOX菌丰度略有增加,但是NOB丰度显著增加.因此,选择性地排出絮体有利于NOB的淘洗和系统的长期运行稳定性.     

一体化全程自养脱氮(CANON)工艺的效能及污泥特性

在氨氮浓度梯度升高的条件下,通过控制DO等方式在一体化CSTR反应器中实现了一体化全程自养脱氮(CANON—completely autotrophic nitrogen removal over nitrite).结果表明随进水氨氮浓度(76.05~583.93mg/L)的升高,系统的氨氮和总氮去除负荷逐渐提高,试验期间无亚硝态氮的积累,反应器后期在高氨氮进水下最高氨氮去除率84.4%,最高去除负荷0.42kg/(m3·d);最高总氮去除率72.0%,最高去除负荷0.35kg/(m3·d).污泥氧消耗速率实验得出好氧氨氧化菌的耗氧速率为169.46 mgO2/(gVSS·h)、硝酸化细菌的好氧速率为39.63 mgO2/(gVSS·h).采用总氮去除量和硝态氮产生量的比值(△TN /△NO3-)表征硝酸化反应对出水氨氮浓度的影响.试验进一步研究了反应器内污泥形态的变化,得出第102d的污泥粒径(86.36μm)比第30d(54.09μm)增加60%,污泥的SEM分析得出实验后期相对于前期污泥表面丝状菌减少,胞外聚合物增多.以上结果表明该反应器具备良好的造粒功能,有利于自养脱氮工艺的启动与稳定.     

一体化全程自养脱氮(CANON)工艺的效能及污泥特性

在氨氮浓度梯度升高的条件下,通过控制DO等方式在一体化CSTR反应器中实现了一体化全程自养脱氮(CANON—completely autotrophic nitrogen removal over nitrite).结果表明随进水氨氮浓度(76.05~583.93mg/L)的升高,系统的氨氮和总氮去除负荷逐渐提高,试验期间无亚硝态氮的积累,反应器后期在高氨氮进水下最高氨氮去除率84.4%,最高去除负荷0.42kg/(m3·d);最高总氮去除率72.0%,最高去除负荷0.35kg/(m3·d).污泥氧消耗速率实验得出好氧氨氧化菌的耗氧速率为169.46 mgO2/(gVSS·h)、硝酸化细菌的好氧速率为39.63 mgO2/(gVSS·h).采用总氮去除量和硝态氮产生量的比值(△TN/△NO3-)表征硝酸化反应对出水氨氮浓度的影响.试验进一步研究了反应器内污泥形态的变化,得出第102d的污泥粒径(86.36μm)比第30d(54.09μm)增加60%,污泥的SEM分析得出实验后期相对于前期污泥表面丝状菌减少,胞外聚合物增多.以上结果表明该反应器具备良好的造粒功能,有利于自养脱氮工艺的启动与稳定.     

PN/A双菌层系统的构建及其脱氮性能

分别采用SBR反应器和MBR反应器驯化培养亚硝化污泥和厌氧氨氧化(anaerobic ammonia oxidation,ANAMMOX)污泥,并通过微生物包埋技术将两类污泥分别包埋,构建亚硝化-厌氧氨氧化(partial nitrification-ANAMMOX,PN/A)双菌层系统.短期实验证明该系统中亚硝化菌(ammonia oxidizing bacteria,AOB)和ANAMMOX菌在不同阶段分别起主导作用,维持系统的酸碱平衡,并实现NH+4-N的高效去除(98.8%).长期实验表明,在溶解氧受限时,PN/A双菌层系统能够有效提高系统对溶解氧的利用效率,并增强系统的稳定性和脱氮效能.在溶解氧为1.0 mg·L~(-1),进水NH+4-N质量浓度分别为200 mg·L~(-1)和400 mg·L~(-1)时,对照组脱氮效率仅为58.1%和61.4%,而PN/A双菌层系统脱氮效率均稳定在80%左右;溶解氧为3.0mg·L~(-1),进水NH+4-N质量浓度为400 mg·L~(-1)时,PN/A双菌层系统总氮去除率达87.9%,总氮积累负荷(NLR)为0.4kg·(m3·d)-1,总氮去除负荷(NRR)为12.8 mg·(g·h)-1.     

外加微量N2H4下SBR中硝化微生物特性

运行实验室规模单级硝化序批式反应器(SBR),研究长期外加微量N_2H_4(约3 mg·L~(-1))对硝化污泥中功能微生物好氧氨氧化菌(AOB)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)的影响.结果表明,外加微量N_2H_4的硝化污泥中,AOB主要属于亚硝化球菌(Nitrosococcu)属和亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)属,另有少部分属于亚硝化螺旋菌(Nitrosospira)属,NOB属于硝化杆菌(Nitrobacter)属.外加微量N_2H_4前后,AOB amoA基因拷贝数(以干污泥计)由1.0×10~9copies·g~(-1)减少为2.09×10~4copies·g~(-1),NOB nxrB基因拷贝数由1.28×10~7copies·g~(-1)减少为2.56×10~5copies·g~(-1).AOB对环境因素较NOB相比更为敏感,N_2H_4对硝化微生物的抑制与毒性作用使外加微量N_2H_4的硝化污泥中AOB流失幅度大于NOB,但定量PCR方法无法准确比较N_2H_4对AOB与NOB活性抑制的强弱.长期外加微量N_2H_4破坏硝化微生物活性,使反应器崩溃.因此在没有厌氧氨氧化菌(AnAOB)消耗N_2H_4的亚硝化系统中,企图通过调控外加N_2H_4浓度水平抑制NOB活性,从而进一步洗脱NOB提高脱氮性能可能无法实现.     

侧流FNA抑制的CANON颗粒-絮体复合系统参数优化

为探究侧流游离亚硝酸(FNA)处理抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB)策略相关工艺参数的最佳组合,在颗粒-絮体复合系统的全程自养脱氮(CANON)工艺中,采用批次试验探讨污泥沉降时间、FNA处理浓度及处理时间对相关功能菌活性的影响,针对性抑制NOB活性,降低FNA对功能菌活性影响。结果显示,沉降时间影响处理污泥中功能菌群活性,随着沉降时间的延长,排出污泥中厌氧氨氧化菌(AnAOB)活性逐渐减弱。沉降1min后进行排泥排出了大部分NOB并且反应器内保留了尽可能多的AnAOB,此时排出的污泥中AnAOB、氨氧化菌(AOB)和NOB的相对活性分别为15.79%、54.55%和68.63%。综合FNA对NOB和AOB活性的影响,采用0.6mg/L的FNA抑制12h后AOB活性为38.71%,而NOB活性仅为12.5%。响应曲面分析结果显示,FNA处理时间、处理浓度是影响NOB、AOB活性的关键因素。     

拔风管对CANON型人工湿地脱氮性能的影响

以猪场沼液为处理对象,探究了拔风管对基于亚硝化的全程自养脱氮（CANON）型潮汐流人工湿地（TFCW）氮素转化性能及微生物种群结构的影响.结果表明,拔风管数量可显著影响CANON型TFCW中脱氮功能微生物的数量与活性,进而影响其氮素转化速率.在水力负荷（HLR）£0.18m³/（m²·d）的前提下,随着拔风管数量由0增至6,TFCW填料层中的氧环境逐渐优化,促进了其中短程硝化性能的提高与厌氧氨氧化菌的富集,进而使系统中形成了同步亚硝化、厌氧氨氧化与反硝化耦合反应体系,其脱氮效能不断提高;而当拔风管数量>6后,填料层中亚硝酸盐氧化菌的过量增殖破坏了短程硝化作用的稳定性,厌氧氨氧化作用与反硝化作用随之受阻,系统脱氮性能复又有所下降.当HLR=0.18m³/（m²·d）且拔风管数量为6时,TFCW中Nitrosomomas和Candidutus Brocadia2种菌属的相对丰度分别可达20.05%和18.38%,而Nitrospira的相对丰度仅为1.92%,此时CANON作用可得到较大限度的强化,且可与Denitratisoma等菌属主导的反硝化作用耦合,使系统的TN和NH₄⁺-N去除率分别达（90.29±3.70）%和（93.30±2.97）%.     

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.     

膜曝气生物膜反应器运行单级自养脱氮工艺功能型菌群特性研究

基于16S rDNA基因的分子生物学方法,对运行单级自养脱氮工艺的膜曝气生物膜反应器（membrane-aerated biofilm bioreactor, MABR)内的2个主要效应菌群(氨氧化菌和厌氧氨氧化菌)之间的协同作用关系和在生物膜上可能的空间分布进行研究.荧光原位杂交结果显示,试验的曝气生物膜主要存在2个明显的功能层,一个是靠近曝气膜和生物膜交界的氨氧化菌聚集层,另一个是靠近生物膜与水体交界的厌氧氨氧化菌聚集层.氨氧化菌和厌氧氨氧化菌群为曝气生物膜上的2个主要功能菌群,它们之间的合作共生和协同作用是膜曝气生物膜实现单级自养脱氮的基础.     

一段式亚硝化厌氧氨氧化SMBBR处理中低浓度氨氮废水

在常温条件下,采用一段式亚硝化厌氧氨氧化SMBBR处理中低氨氮浓度废水.结果表明,在进水氨氮浓度为100 mg·L^-1,溶解氧为0.4~0.7 mg·L^-1条件下,负荷（以N计）为0.16 kg·（m³·d）^-1,去除率可达（51.58±6.80）%,实现了一段式亚硝化厌氧氨氧化的稳定运行.AOB、ANAMMOX和NOB活性分别稳定在（2253.21±502.10）、（4847.46±332.89）和（1455.17±473.83）mg·（m²·d）^-1,AOB和ANAMMOX菌之间形成了良好的协同作用.高通量结果显示,Ca.Brocadia（ANAMMOX）、Nitrosomonas（AOB）和Nitrospira（NOB）占比分别为11.57%、1.01%和0.94%.一段式部分亚硝化厌氧氨氧化工艺的稳定运行为厌氧氨氧化技术处理中低浓度氨氮废水提供了参考.     

填料对潮汐流人工湿地中CANON作用强化的影响

为了缩短潮汐流人工湿地（TFCW）中基于亚硝化的全程自养脱氮（CANON）作用的启动进程并进一步提高该作用的强度,探究了不同种类填料下CANON型TFCW的启动性能及其微生物特征.结果表明,填料的理化特性可显著影响脱氮功能菌（尤其是ANAMMOX菌）的富集效果及其活性,进而可影响CANON型TFCW系统的启动进程及其脱氮性能.相较于公分石,陶粒、沸石、废砖块和龙虾壳均可不同程度地提高ANAMMOX菌在TFCW中的丰度与活性,进而可缩短CANON型TFCW的启动时间并提高其脱氮性能.当系统水力负荷为0.96 m³·（m²·d）^-1且以龙虾壳为湿地填料时,CANON型TFCW仅需300个运行周期即可完成启动,好氧氨氧化菌（AOB）和ANAMMOX菌为其中的两种优势脱氮菌群,且系统在稳定运行阶段对TN和NH₄⁺-N的去除率分别可达（88.37±1.19）%和（91.03±0.66）%,其次为废砖块、沸石、陶粒和公分石.     

ABR除碳-CANON耦合工艺除碳脱氮特性

CANON工艺如能处理低氨氮城市生活污水,将大幅度降低市政污水处理能耗.故以纤维载体为填料,在CSTR反应器中同时接种亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥启动CANON反应器,且在CANON系统前端添加ABR除碳系统,构建ABR除碳-CANON耦合工艺,研究ABR除碳-CANON耦合工艺除碳脱氮性能,并采用MiSeq高通量测序技术分析污泥中微生物菌群结构的变化情况.结果表明,通过同时接种亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥,控制DO为0. 5～2 mg·L-1、HRT为6h、p H值为8左右等措施,在55 d内成功启动CANON系统,TN去除率为81%～87%,氨氮负荷为0. 195 kg·(m3·d)-1. ABR除碳系统出水有机物浓度(120 mg·L-1)不会对后续CANON系统产生不利影响,一体式ABR除碳-CANON工艺TN去除率在74%～87%,出水COD平均浓度为40 mg·L-1.同时,CANON系统启动后变形菌门(Proteobacteria)得到了显著提升,鞘脂杆菌纲(Sphingobacteria)所占比例下降为6. 8%,CANON系统中亚硝化菌和厌氧氨氧化菌不断淘汰劣势菌群成为反应器内优势菌群,一体化ABR除碳-CANON工艺对城市污水具有良好的脱氮除碳效果.