利用填料式EGSB反应器启动厌氧氨氧化研究

对EGSB反应器进行改型,采用填料覆盖式出水富集培养厌氧氨氧化菌,并考察了反应器的脱氮能力,厌氧氨氧化现象,污泥颗粒化情况以及微生物变化情况。从第80天开始,反应器运行稳定,出现厌氧氨氧化现象,经过160多天的连续培养,总氮容积负荷达到0.88 kg/(m3·d),氨氮、亚硝酸氮去除率均在85%以上,污泥颗粒化明显,大部分污泥颗粒粒径在0.2~2 mm。反应器富集培养物中厌氧氨氧化菌含量明显增长,优势菌种为Candidatus_Brocadia属。     

不同接种污泥的厌氧氨氧化反应器启动特性及菌群结构演替规律分析

采用两套相同的膨胀颗粒污泥床(EGSB),分别接种城市污水处理厂活性污泥(A)和厌氧颗粒污泥(B)启动厌氧氨氧化反应器,考察了A、B反应器中污泥的形态、脱氮性能、容积氮负荷和氮去除负荷的差异,同时利用高通量测序技术从分子生物学水平分析启动过程中菌群结构演替规律.结果表明:反应器运行119 d后,A、B反应器均成功培养出成熟的厌氧氨氧化颗粒污泥,其中相比于B反应器,A反应器缩短了厌氧氨氧化启动过程的菌体自溶和活性迟滞阶段.微生物群落结构分析结果进一步表明,在活性迟滞和活性提高阶段,A反应器中浮霉菌门(Planctomycetes)的丰度分别为1.18%、5.98%,而B颗粒污泥反应器中浮霉菌门(Planctomycetes)的丰度仅为0.92%、1.41%,说明A反应器Planctomycetes菌在菌体自溶和活性迟滞阶的增长速度大于B反应器.此外,经过119 d的启动,A反应器中Candidatus Brocadia丰度可以达到11.34%,而B反应器中Candidatus Brocadia丰度仅为7.28%.     

UASB反应器中厌氧氨氧化污泥的种群分析

利用变性梯度凝胶电泳、克隆和实时PCR等分子生物学技术对2个厌氧氨氧化反应器中的微生物进行了初步研究.变性梯度凝胶电泳结果表明,尽管2个反应器的接种污泥不同,但经过1年多的连续运行,二者的微生物种群结构基本相同;Planctomycete克隆结果表明,相似的15个序列(>99%)与已报道的3个属的厌氧氨氧化菌的序列均有较大距离(<92%),而与具有厌氧氨氧化功能的KSU-1序列有97%的相似,amoA基因克隆结果表明,反应器中的部分好氧氨氧化菌属于β-Proteobacteria中具有厌氧氨氧化活性的Nitrosomonas;实时PCR结果表明,厌氧氨氧化细菌占细菌总量的27%~29%,好氧氨氧化菌约为5%.     

厌氧氨氧化污泥中氨氧化的潜在电子受体

通过接种亚硝酸盐型厌氧氨氧化污泥,投加潜在电子受体(亚硝酸盐、Fe~(3+)和硫酸盐)研究了厌氧条件下氨氮氧化的潜在电子受体.结果表明,亚硝酸盐是厌氧氨氧化最适合的电子受体,能够与氨氮在短暂的时间内完全反应;在亚硝酸盐缺乏的情况下,厌氧氨氧化污泥中微生物利用自身细胞有机物将产物硝酸盐转化为亚硝酸盐参与氨氮转化;Fe~(3+)与硫酸盐在氨氮氧化后期出现转化,但是直接还是间接参与还需进一步研究.厌氧氨氧化污泥对氨氮产生过量氧化之前必须以亚硝酸盐为电子受体进行微生物活性激活,并且好氧氨氧化菌和亚硝化菌出现增长,推测微生物产生了H_2O_2.该现象并不可长久持续.虽然其氧化速率较慢,但是过量氧化现象较为明显.因此厌氧氨氧化污泥中肯定存在氨氮过量氧化的现象.厌氧氨氧化污泥对电子的利用顺序是亚硝酸盐、硝酸盐、Fe~(3+)和硫酸盐.     

厌氧氨氧化反应器微生态的研究

运用显微技术、常规的分离纯化和分子生物技术的方法研究了厌氧氨氧化系统中微生物群落结构和多样性.在实验室条件下,上流式厌氧污泥床(UASB)反应器和UASB生物膜反应器在无机和黑暗的条件下成功富集了厌氧氨氧化菌,在适宜的温度30-34℃和pH7～8条件下,氨氮和亚硝酸盐氮在UASB反应器的去除率分别为99.99%和99.9%,在UASB生物膜反应器的去除率分别为99.3%和97.4%.通过传统的鉴定方法分析了该系统中的细菌、真菌和放线菌,表明2套反应器中微生物类群基本一致,都以厌氧或缺氧的细菌为主,大部分微生物在污泥中浓度很低.电镜观察发现优势菌是大小为(0.6～0.8)μm × (0.9～1.2)μm的椭圆形菌,占菌群的90%以上.变性梯度凝胶电泳技术(DGGE)和16SrDNA片段的酶切表明该系统只有1种优势的微生物,微生物多样性不高.     

进水NO2--N浓度对厌氧氨氧化反应器的影响

为研究进水NO_2~--N浓度对厌氧氨氧化反应器的影响,以实验室培养的厌氧氨氧化菌为接种菌种,采用上流式厌氧氨氧化反应器,考察了进水中NO_2~--N浓度对厌氧氨氧化菌增殖速度、固碳量、微生物的变化情况的影响,发现进水亚硝酸盐氮对厌氧氨氧化反应器有很大的影响。当进水ρ(NH_4~+-N)、ρ(NO_2~--N)约为41. 23,51. 63 mg/L时,厌氧氨氧化菌的增殖速度最快为1. 7 mL/d,ρ(TS)为94. 03 g/L,最大比厌氧氨氧化活性(SAA)为0. 31 g/(g·d),去除率最高为91. 18%,固碳量为0. 71 mg/mg(N),微生物的丰富度最高,优势菌种Candidatus kuenenia基本未发生改变。若将进水ρ(NO_2~--N)增大为102. 99 mg/L时,Candidatus kuenenia丰度大量减少,厌氧氨氧化反应过程受到抑制,活性降低,厌氧氨氧化菌生长速度变慢。     

不同培养条件厌氧氨氧化颗粒污泥性质及微生物群落结构差异

采用膨胀颗粒污泥床(EGSB)和上升式厌氧污泥床(UASB)反应器在不同运行条件下培养厌氧氨氧化颗粒污泥,对比分析颗粒污泥性质和微生物群落的差异性.研究表明接种厌氧氨氧化絮状污泥经过EGSB和UASB反应器运行384 d后,均能实现颗粒化,颗粒污泥平均粒径分别达到1.17 mm和1.21 mm,各范围(0.2、 0.2～1.5、 1.5～3和3 mm)的粒径占比为6.06%、 60.05%、 25.25%和8.64%, 7.40%、 58.90%、 32.04%和1.66%.扫描电镜结果表明不同运行条件下的污泥菌群均以短杆菌、球型菌为主.高通量测序结果表明,Shannon指数EGSB反应器为7.52高于UASB反应器为7.18;变形菌门(Proteobacteria)是两个反应器各阶段污泥的主要菌门,浮霉菌门(Planctomycetes)从接种时的3.30%增到第384d的12.30%(EGSB)和13.30%(UASB).EGSB反应器中的主要厌氧氨氧化菌属为Candidatus Brocadia占7.53%,其次为Candidatus Kuenenia属占1.61%;而在UASB反应器中Candidatus Brocadia属和Candidatus Kuenenia属分别占比为3.69%和7.54%,Candidatus Kuenenia是其优势厌氧氨氧化菌属.优势菌群丰度与环境因子变化存在联系,Candidatus Brocadia丰度与上升流速(v)、氮容积去除负荷(NRR)呈正相关而与水力停留时间(HRT)呈负相关,Candidatus Kuenenia与氮负荷去除率(NRE)、NRR、HRT呈正相关,而与v呈负相关.     

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.     

EGSB反应器中厌氧颗粒污泥的脱氮特性研究

以厌氧污泥为接种物,启动膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器,经过3个月的连续运行,反应器中出现了颗粒污泥,表现出持续去除氨氮的能力,并出现了厌氧氨氧化现象.为了验证EGSB反应器中厌氧氨氧化反应的存在,并探讨厌氧颗粒污泥的生物脱氮特性,从EGSB反应器中取出颗粒污泥,并与亚硝化反应器中的活性污泥进行了对比研究.结果表明,好氧污泥反应器对TN、氨氮和亚硝酸盐氮的去除率分别为45 5%、13 4%和99 9%;厌氧颗粒污泥反应器对TN、氨氮和亚硝酸盐氮的去除率分别为54 3%、21 7%和99 9%.厌氧颗粒污泥反应器中NH+4 N的去除速率比较稳定,约为3 17mg·L-1·h-1(以N计).上述结果充分表明,EGSB反应器中发生了厌氧氨氧化反应.     

盐度条件下ANAMMOX-EGSB反应器颗粒污泥微生物群落

采用高通量测序技术探究了0、15和30 g·L^-1盐度条件下稳定运行ANAMMOX-EGSB反应器中颗粒污泥的微生物群落变化.结果发现,进水盐度提升至15 g·L^-1及30 g·L^-1后,反应器脱氮性能呈现小幅下降,随运行时间延长脱氮性能均可恢复.反应器性能稳定后,3种盐度条件下厌氧氨氧化菌的丰度依次为10.33%、20.90%和35.87%,其中Candidatus Kuenenia属为优势属.浮霉状菌门、变形菌门、绿弯菌门丰度占总体比例较高且累计丰度超过了80%,为反应器的优势菌门.盐度条件下,浮霉状菌门丰度增加,变形菌门丰度降低,绿弯菌门丰度相对稳定.电镜扫描显示盐度条件下颗粒污泥表面有大量丝状菌和胞外聚合物.盐度条件下反硝化菌丰度提高,增强了反硝化协同脱氮,绿弯菌门和拟杆菌门微生物丰度的提高有利于维持颗粒污泥结构稳定,好氧微生物及反硝化菌的存在也有利于维持反应器内部厌氧水平.这些结果表明,厌氧氨氧化菌经驯化可适应盐度,盐度条件下伴生菌对厌氧氨氧化菌功能的发挥提供了支撑.     

Start-up of the anammox process from the conventional activated sludge in a hybrid bioreactor

The anaerobic ammonium oxidation (anammox) process was successfully started up from conventional activated sludge using a hybrid bioreactor within 2 months. The average removal efficiencies of ammonia and nitrite were both over 80%, and the maximum total nitrogen removal rate of 1.85 kg N/(m³.day) was obtained on day 362 with the initial sludge concentration of 0.7 g mixed liquor suspended solids (MLSS)/L. Scanning electron microscope (SEM) observation of the granular sludge in the hybrid reactor clearly showed a high degree of compactness and cell sphericity, and the cell size was quite uniform. Transmission electron microscope photos showed that cells were round or oval, the cellular diameter was 0.6--1.0 μupm, and the percentage of the anammoxosome compartment was 51%--85% of the whole cell volume. Fluorescence in situ hybridization analysis (FISH) indicated that anammox bacteria became the dominant population in the community (accounting for more than 51% of total bacteria on day 250). Seven planctomycete 16S rRNA gene sequences were present in the 16S rRNA gene clone library generated from the biomass and affiliated to Candidatus Kuenenia stuttgartiensis and Candidatus Brocadia sp., a new anammox species. In addition, the average effluent suspended solid (MLSS) concentrations of outlets I (above the non-woven carrier) and II (below the non-woven carrier) were 0.0009 and 0.0035 g/L, respectively. This showed that the non-woven carrier could catch the biomass effectively, which increased biomass and improved the nitrogen removal rate in the reactor.     

基于不同接种污泥复合型厌氧氨氧化反应器的快速启动特征

为获得快速启动厌氧氨氧化的最佳污泥源及厌氧氨氧化颗粒污泥的快速形成工艺,采用本实验室自主研发复合型CAMBR反应器(厌氧折流板反应器(ABR)+膜生物反应器(MBR),分别接种厌氧颗粒污泥(R1)和絮状反硝化污泥(R2),考察不同接种污泥的厌氧氨氧化启动特征和颗粒化程度.结果表明,R1与R2反应器分别耗时45 d和60 d均成功快速启动厌氧氨氧化,其启动过程均可分为活性停滞期、活性提高期、活性稳定期3个阶段,但每个阶段氮素的去除规律略有不同,稳定运行期内,R1和R2反应器内NH_4~+-N和NO-2-N的平均去除率均高达95%以上;此外,R1反应器中形成了直径0.8~1.6mm为主的厌氧氨氧化红色颗粒污泥,R2反应器则以不规则块状和絮状为主,颗粒化程度较低,两个反应器内均可观察到红色颗粒污泥上浮现象;稳定运行期内NH_4~+-N、NO-2-N和NO_3~--N之间的定量关系分析表明:R1反应器内可能存在着硝酸盐型厌氧氨氧化,致使NH_4~+-N过量转化,R2反应器内则为典型亚硝酸盐型厌氧氨氧化.     

一体式短程硝化-厌氧氨氧化工艺启动过程的亚硝酸盐调控

以两类中试反应器（SBR,116.6 m³,活性污泥法和SBBR,64.8 m³,泥膜法）为对象,接种猪场废水处理厂的活性污泥,通过控制DO、曝气方式为主和外加NaNO₂为辅的亚硝酸盐调控策略,考察不同反应器在启动一体式短程硝化-厌氧氨氧化（combined partial nitritation and ANAMMOX,CPNA）工艺过程中NO₂^--N浓度对ANAMMOX菌的影响.结果表明,在相同运行条件下,泥膜共生的SBBR更适于短程硝化的快速启动.尽管受到NO₂^--N抑制（100~129 mg ·L^-1,共计7 d）,但SBR在第39 d成功启动了ANAMMOX工艺,其TNRR和TNRE分别为0.069 kg ·（m³ ·d）^-1和23.3%,而长达17 d的NO₂^--N抑制（129~286 mg ·L^-1）则对SBBR中ANAMMOX菌活性造成了难以恢复的影响.外加NaNO₂后,SBR在第77 d成功启动了CPNA工艺,TNRR和TNRE分别从第51 d的0.070 kg ·（m³ ·d）^-1和16.0%迅速提高至第77 d的0.336 kg ·（m³ ·d）^-1和52.2%,ANAMMOX菌的活性也由最初的0.012 kg ·（kg ·d）^-1快速升高至第77 d的0.307 kg ·（kg ·d）^-1;SBR中AOB和ANAMMOX菌的基因拷贝数浓度由最初的8.06×10⁶ copies ·mL^-1和4.42×10⁴ copies ·mL^-1分别增长至第77 d的1.02×10⁹ copies ·mL^-1和1.77×10⁷ copies ·mL^-1,表明以调控DO和曝气方式为主,辅以外加NaNO₂的亚硝酸盐调控策略可有效实现反应器中AOB和ANAMMOX菌的快速增长.合理的NO₂^--N调控是CPNA工艺快速启动的关键因素.     

A2O工艺活性污泥中可培养丝状细菌的多样性

活性污泥法是应用最广泛的污水处理方法之一,但是由于丝状菌过度繁殖而引发的污泥膨胀是制约其发展的重大难题.本研究从A2O工艺城市污水处理系统的膨胀期活性污泥中分离培养出17株丝状细菌.对各菌株进行了16S rDNA测序和系统发育树分析,结果表明,这些分离的可培养丝状细菌均属于链霉菌属;利用rep-PCR指纹图谱技术进一步分析了所得菌种属内多样性,显示出活性污泥中链霉菌存在丰富的多样性.由于这些可培养丝状细菌与引起污泥膨胀的优势丝状菌(微丝菌)生理特征差别较大,不会在污水处理系统中过度繁殖,本研究向活性污泥中投加一定量的链霉菌分离菌株,发现部分菌株对污泥的沉降性能有明显改善作用,为污泥膨胀的防控提供了新的思路.     

处理水产养殖污水潜流湿地中的厌氧氨氧化菌群特征

厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,ANAMMOX)是潜流湿地净化污水的重要功能,目前关于潜流湿地厌氧氨氧化特征还不清楚.为了解处理水产养殖污水潜流湿地中的厌氧氨氧化特点,采用16S rRNA基因克隆文库和实时荧光定量PCR技术以及多样性分析等方法,对处理水产养殖污水潜流湿地中ANAMMOX菌的结构、多样性和丰度进行了研究分析.结果表明,处理水产养殖污水潜流湿地中存在Candidatus brocadia和Candidatus kuenenia这2类已知的ANAMMOX菌和3类未知的ANAMMOX菌,其优势种群为Candidatus brocadia;在不同季节中,秋季潜流湿地中ANAMMOX菌的多样性最高(H',1.21),春季最低(H',0.64);在养殖周期内,潜流湿地中ANAMMOX菌的丰度(以鲜重计,下同)在8.0×104~9.4×106copies·g-1之间,总细菌丰度在7.3×109~9.1×1010copies·g-1之间;在潜流湿地不同层面以及不同季节中,ANAMMOX菌的丰度存在着明显的差异,总细菌丰度则差异不明显,ANAMMOX菌的丰度在不同层面上的差异没有随时间变化的规律性.根据潜流湿地中ANAMMOX菌的分布特征,改变养殖污水布水方式和调整湿地结构可以提高潜流湿地的反硝化效果.该研究为进一步优化潜流湿地结构,提高净化养殖污水效率提供了依据.     

Differences in nitrite-oxidizing communities and kinetics in a brackish environment after enrichment at low and high nitrite concentrations

Nitrite accumulation in shrimp ponds can pose serious adverse effects to shrimp production and the environment.This study aims to develop an effective process for the enrichment of ready-to-use nitrite-oxidizing bacteria(NOB)inocula that would be appropriate for nitrite removal in brackish shrimp ponds.To achieve this objective,the effects of nitrite concentrations on NOB communities and nitrite oxidation kinetics in a brackish environment were investigated.Moving-bed biofilm sequencing batch reactors and continuous moving-bed biofilm reactors were used for the enrichment of NOB at various nitrite concentrations,using sediment from brackish shrimp ponds as seed inoculum.The results from NOB population analysis with quantitative polymerase chain reaction(q PCR)show that only Nitrospira were detected in the sediment from the shrimp ponds.After the enrichment,both Nitrospira and Nitrobacter coexisted in the reactors controlling effluent nitrite at 0.1 and 0.5 mg-NO_2~--N/L.On the other hand,in the reactors controlling effluent nitrite at 3,20,and 100 mg-NO_2~--N/L,Nitrobacter outcompeted Nitrospira in many orders of magnitude.The half saturation coefficients(Ks)for nitrite oxidation of the enrichments at low nitrite concentrations(0.1 and 0.5 mg-NO_2~--N/L)were in the range of 0.71–0.98 mg-NO_2~--N/L.In contrast,the Ksvalues of NOB enriched at high nitrite concentrations(3,20,and 100 mg-NO_2~--N/L)were much higher(8.36–12.20 mg-NO_2~--N/L).The results suggest that the selection of nitrite concentrations for the enrichment of NOB inocula can significantly influence NOB populations and kinetics,which could affect the effectiveness of their applications in brackish shrimp ponds.     

同步短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化颗粒污泥培育过程及其性能

本研究以低碳氮比废水为基质,厌氧氨氧化污泥优配普通活性污泥为接种物,在新型气升式内循环反应器中培育同步短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化颗粒污泥.结果表明,经过225 d的连续运行可培育成熟稳定的颗粒污泥,其总氮去除率高达91.4%.相较于絮状污泥,颗粒污泥中厌氧氨氧化活性显著增加,并且厌氧氨氧化活性在4个脱氮过程中活性最大,其次是短程硝化,且短程反硝化比活性是亚硝酸盐还原比活性的2.1倍.高通量测序结果表明,颗粒污泥中短程硝化和厌氧氨氧化的优势菌分别为Nitrosomonas和Candidatus_Brocadia,并相较于絮状污泥,它们的丰度分别增加至0.70%和0.57%.Thauera可能是颗粒污泥中潜在的短程反硝化优势菌,其丰度达到0.26%.RT-qPCR分析结果表明,相比接种阶段,短程硝化的功能基因amoA和hao转录水平分别增加了3.5和1.5倍,厌氧氨氧化功能基因hzsA转录水平增加了2.1倍,短程反硝化过程中napA和narG转录水平增加的倍数之和是nirK和nirS的倍数之和的4.8倍.本研究结果将为处理低碳氮比废水提供新的思路.     

SBR反应器厌氧氨氧化系统启动过程中细菌群落结构的变化

以白洋淀岸边带沉积物为接种污泥,启动了SBR厌氧氨氧化反应器.对反应器启动过程中的进出水水质进行了连续监测,并采用PCRDGGE、定量PCR和基因测序等分子生物学技术研究了系统内总细菌和厌氧氨氧化(ANAMMOX)细菌群落结构随培养时间的变化规律.结果表明:在启动过程中,总微生物菌群动态变化水平为26.6%~50.5%;微生物多样性先变小后增大,优势菌种得到重新分布;ANAMMOX细菌的群落结构变得单一化,最后系统的优势ANAMMOX细菌是Brocadia属.富集培养阶段SBR系统中ANAMMOX细菌的最大生物量达到了1.73×109copies·g~(-1)干污泥,而且总氮的去除率最高达到约82%.     

改善污泥脱水性能的丝状真菌的分离及其促进污泥脱水的机制初探

探讨污泥中丝状真菌对污泥脱水性能的影响及其机制,对生物法强化污泥脱水技术的发展具有重要意义.本研究从剩余污泥中分离筛选可以提高污泥脱水性能的丝状真菌,并分析其改善污泥脱水性能的具体机制.结果表明,在剩余污泥中存在着可以促进污泥脱水性能改善的丝状真菌,从中分离筛选出1株毛霉属的真菌Mucor circinelloides ZG-3,该菌对改善污泥脱水性能具有良好的效果.该丝状真菌处理剩余污泥过程中污泥的脱水性能改善效果主要受到接种方式、接种浓度和污泥含固率的影响,其最适接种方式为菌丝体接种,最适接种浓度为10%,最适污泥含固率约为4%.在最适条件下处理污泥可使污泥比阻降低75.1%,显著改善污泥的脱水性能,并且处理后污泥溶液的COD值约为310 mg·L-1,处理后的污泥仍具有良好的沉降性能.M.circinelloides ZG-3处理剩余污泥过程中,污泥脱水性能的改善主要与污泥胞外聚合物(EPS)的降解和污泥p H的降低有关.因此,采用M.circinelloides ZG-3处理剩余污泥是一种非常有潜力的新型污泥调理技术.