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%.     

亚硝酸型反硝化除磷工艺特性及其应用

以亚硝酸盐作为电子受体进行反硝化除磷污泥的驯化,并探究了工艺运行条件、性能及实际应用情况.研究表明:厌氧-缺氧-好氧驯化方式可快速富集以亚硝酸盐为电子受体的反硝化聚磷菌,通过逐步提高底物浓度可以驯化富集耐受高NO₂^--N浓度的DNPAOs.实际废水运行实验表明,反硝化除磷法处理猪场废水UASB-SFSBR尾水是可行的,当缺氧进水NO₃^--N、NO₂^--N和PO₄^3--P浓度分别为5,70,30mg/L时,出水NO₃^--N和NO₂^--N浓度基本为0,PO₄^3--P浓度在1.0mg/L以下.     

短程反硝化的启动及多参数优化下NO2--N积累特性

采用本实验室长期培养的厌氧（S-A）、好氧（S-O）和交替厌氧/好氧（S-A/O）活性污泥为种泥,分别启动短程反硝化SBR反应器R1、R2和R3,控制进水C/N比为3,缺氧搅拌时间为1h时,在第15d、7d和4d亚硝酸盐积累率（NAR）分别达到75.34%、84.51%和86.23%.选取C/N比、初始pH值、缺氧搅拌时间和初始NO₃^--N浓度对NAR进行四因素三水平响应面实验,方差分析结果表明,以上因素对NAR均有显著影响（P<0.05）,模型R²为0.983.通过模型预测得最佳运行条件：C/N比为3.16,初始pH值为8.51,缺氧搅拌时间为1.27h,初始NO₃^--N浓度为60mg/L的条件下,NAR高达91.32%.     

反硝化除磷工艺实现亚硝酸盐积累的参数优化

为促进反硝化除磷与厌氧氨氧化工艺的耦合,实现污水氮、磷的同步高效去除,构建序批式反应器(Sequencing batch reactor,SBR),优化了反硝化除磷工艺实现亚硝酸盐积累的工艺参数.SBR在厌氧-缺氧-微好氧运行条件下,缺氧段投加模拟硝酸盐工业废水逐步实现了反硝化除磷过程的亚硝酸盐积累.结果表明,经过142d的培养驯化,在进水C/P比为55时,缺氧段引入NO₃^--N浓度为23mg/L时,亚硝酸盐积累率为51.01%,NO₃^--N→NO₂^--N转化率为40.22%,硝酸盐去除率为72.14%,PO₄^3--P去除率最高达88.17%.出水COD浓度低于25mg/L,COD去除率维持在90%以上.微生物群落结构分析表明,拟杆菌门(Bacteroidetes)、变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)为系统内优势菌门.通过参数优化实现了聚磷菌的驯化,Candidatus Accumulibacter为代表的反硝化聚磷菌丰度增加(累积丰度由1.49%增加到5.08%),以Candidatus Competibacter为代表的反硝化聚糖菌丰度增加更为明显(累积丰度由1.02%增加到15.49%),聚磷菌与聚糖菌的共同作用有利于实现除磷过程的亚硝酸盐累积.     

基于颗粒污泥的短程反硝化USB反应器启动和运行研究

在2个相同的USB反应器(R1无载体,R2采用多孔生物填料为载体)中构建了短程反硝化工艺,对R1和R2NO₃^--N→NO₂^--N转化性能、短程反硝化颗粒污泥物化特性、胞外聚合物(EPS)产生特性以及微生物功能菌群主要特征进行差异分析.结果表明,反应器运行81d,氮负荷(NLR)为1.2kg/(m³·d)时,NO₃^--N→NO₂^--N转化率(NTR) R2(85%)高于R1(80%);载体颗粒污泥(R2)沉降性能优于自固定化颗粒污泥(R1)且载体颗粒污泥(R2)更容易截留EPS,PN/PS值R1(1.29)>R2(1.15),污泥体积指数(SVI) R1(27.07mL/g MLSS)>R2(19.36mL/g MLSS);扫描电镜发现R1污泥表面聚集长杆菌,R2污泥表面聚集短杆菌和球菌,与R1相比R2颗粒污泥结构更加规则密实.微生物高通量测序结果表明,R2物种丰富度和多样性高于R1,变形菌门、拟杆菌门和绿弯菌门在短程反硝化系统中占主导地位,R1和R2主要NO₂^--N积累功能菌属均为Acinetobacter属(R1-59.18%、R2-46.04%)和Thauera属(R1-6.81%、R2-5.99%).     

溶解氧对单级颗粒污泥自养脱氮系统影响的模拟

为了研究溶解氧对SBR单级颗粒污泥自养脱氮系统的影响,基于活性污泥ASM3模型和短程硝化-硝化-反硝化模型,将颗粒污泥传质过程与氨氧化菌（AOB）、厌氧氨氧化菌（AAOB）、亚硝酸盐氧化菌（NOB）、反硝化菌（DNF）的生长过程、好氧内源呼吸及缺氧内源呼吸过程等耦合,建立了单级自养脱氮颗粒污泥动力学模型,并对颗粒内部基质浓度分布进行预测.结果显示,当DO为0.4mg/L时,好氧区和缺氧区（厌氧区）的比例为0.4：1;当DO为0.6mg/L时,颗粒污泥好氧区与缺氧区（厌氧区）的比例为3：1.同时,根据基质反应速率方程,建立了颗粒污泥的单级自养脱氮系统动力学模型,对SBR系统运行效果进行预测,结果显示,DO为0.6mg/L时,氨氮反应完全,亚硝酸盐氮和硝酸盐氮在5mg/L以下,总氮去除率模拟值为89%左右,略低于实际测量脱氮率95%.     

地下水中两种典型抗生素复合对反硝化作用的影响

选取氟喹诺酮类抗生素中的环丙沙星（CIP）与洛美沙星（LOM）作为典型抗生素代表,选择乙酸钠为碳源,采用批实验方法开展室内模拟试验,探究了CIP与LOM在单独作用和联合作用下对反硝化进程的影响.在此基础上,通过测定反硝化菌数量、活性和反硝化酶活性等指标变化探究其影响机理.实验结果表明,与空白组体系相比,LOM （100μg/L）组、CIP （100μg/L）组和LOM （50μg/L）+CIP （50μg/L）组对NO₃^--N降解和NO₂^--N降解均产生抑制作用,抑制率：LOM+CIP>CIP>LOM,抗生素暴露会不同程度抑制微生物数量活性及反硝化关键酶活性.NO₃^--N降解受反硝化菌活性以及硝酸盐降解酶（NaR）活性的共同影响,NO₂^--N降解则主要受到亚硝酸盐还原酶（NiR）活性的影响.对抗生素联用效果的探究表明,LOM+CIP组在NO₃^--N降解与NO₂^--N降解环节的抑制率均大于单一用药组,表现为LOM与CIP在上述两阶段的协同抑制作用;联合组对反硝化关键酶活性同样表现出两种典型抗生素的协同抑制;而联合组对微生物数量与活性的抑制则表现出两种抗生素的拮抗作用.不同抗生素对反硝化的主要作用环节不同,LOM体系主要作用于NO₃^--N降解环节,而CIP体系对NO₃^--N降解与NO₂^--N降解环节的抑制率相差无几,LOM+CIP体系对上述两环节的抑制率同样无明显差异.     

利用羟胺实现城市污水短程硝化最优投加点选择

模拟缺氧/好氧（A/O）模式运行的序批式活性污泥法（SBR）处理系统,探究利用羟胺实现城市污水短程硝化的投加点优化.批次实验发现,溶解氧存在会降低羟胺对亚硝酸盐氧化菌（NOB）抑制效果的（20±0.5）%.此外,相较于未经缺氧处理和延长缺氧时间（>15min）处理,缺氧时间为1~5min可提高NOB活性抑制率13%~25%.长期试验表明,在缺氧段末投加羟胺的短程硝化系统维持NO₂^--N积累率92%以上,而在好氧阶段投加羟胺的系统NO₂^--N积累率逐渐降低.qPCR分析证明,羟胺投加点为缺氧段末可在充分抑制NOB基础上,降低对氨氧化菌（AOB）的抑制作用,从而有利于AOB成为优势菌群结构.本研究为优化羟胺投加点和稳定维持短程硝化提供理论基础.     

厌氧氨氧化耦合反硝化底物竞争抑制特性

通过连续流实验和批式实验研究了有机物和NO₂^--N对厌氧氨氧化菌和反硝化菌耦合脱氮特性的影响.在连续流实验中,保证底物NO₂^--N充足,研究了葡萄糖有机物对厌氧氨氧化颗粒污泥反应器脱氮性能的影响.当进水葡萄糖有机物的COD浓度为100mg/L时,颗粒污泥具有良好的厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮活性,当COD浓度为200mg/L时,颗粒污泥的厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮活性较差.当进水COD浓度分别为100,200mg/L时,反应器中颗粒污泥的厌氧氨氧化NH₄⁺-N去除活性分别为0.096,0.071kg NH₄⁺-N/（kgVSS-d）,厌氧氨氧化NO₂^--N去除活性分别为0.153,0.092kg NO₂^--N/（kgVSS-d）,反硝化NO₂^--N去除活性分别为0.111,0.212kg NO₂^--N/（kgVSS-d）.在批式实验中,研究了碳源种类和COD/NO₂^--N比对厌氧氨氧化耦合反硝化颗粒污泥脱氮性能的影响.控制COD/NO₂^--N比为1~4,以葡萄糖为碳源时,厌氧氨氧化菌在亚硝态的竞争过程中占据优势;以乙酸钠为碳源时,控制COD/NO₂^--N比为1~4,厌氧氨氧化菌在亚硝态的竞争过程中处于劣势.     

内碳源短程反硝化启动及EPD-ANAMMOX耦合工艺性能

接种普通活性污泥,以乙酸盐为碳源,控制进水COD/P为150∶1,在A/O SBR反应器内富集培养了聚糖菌;采用逐渐提高SBR厌氧末硝酸盐投加浓度的方法,将聚糖菌驯化诱导为反硝化聚糖菌结果.SBR厌氧末排水中COD与缺氧末排水基本相同,COD平均去除率达到86.74％,总氮去除率达到98％以上.然后缩短SBR的厌氧及缺...     

OPCRP填料的SBMBBR处理低温污水脱氮细菌多样性试验

针对低温污水生物脱氮效率低问题,采用有机高分子复合硬性颗粒（OPCRP）-SBMBBR反应器处理低温污水,与传统SBR反应器对比,通过Miseq高通量测序技术分析了2套反应器中活性污泥的细菌菌群多样性及组成结构丰度差异,揭示高效处理低温污水优势脱氮菌群。结果表明:在水温（6.5±1）℃条件下,OPCRP-SBMBBR反应器出水脱氮效果及污泥沉降速率均明显提高;投加填料有助于提高活性污泥系统内硝化反硝化菌多样性和相对丰度,即优势氨氧化菌（AOB）、亚硝酸盐氧化菌（NOB）、厌氧反硝化菌总相对丰度分别由SBR （R1）的3.9%、3.47%、15.87%增加到OPCRP-SBMBBR （R2）的5.21%、5.26%、23.64%。异养硝化-好氧反硝化菌种红环菌科、Enterobacteriaceae、Terrimonas,分别由R1的2.77%、1.63%、2.43%增加到R2的3.3%、3.11%、2.59%;R2独有的好氧反硝化菌种包括假单胞菌属、氢噬胞菌属等,其相对丰度分别为1.17%、0.79%。R1、R2中优势好氧反硝化菌种总相对丰度分别为10.66%、17.35%,优势硝化菌种总相对丰度分别为7.37%、10.47%,优势硝化反硝化菌种总相对丰度分别为28.65%、43.32%,为低温污水中生物脱氮提供了良好的细菌环境。     

进水C/N对部分反硝化NO2-积累和微生物特性的影响

采用缺氧/好氧间歇运行模式,考察进水碳氮比（C/N=5.0,3.3,2.5,2.0）对部分反硝化过程亚硝态氮（NO₂^-）积累特性和污染物降解规律的影响,同时结合高通量测序,探究微生物多样性和功能菌群的演变规律.结果表明,C/N为2.5时,系统获得最佳处理效果,出水NO₂^-浓度为27.18mg/L,亚硝态氮转化率（NTR）高达67.96%;分析典型周期各污染物的降解规律发现,尽管4组工况均在缺氧30min时NO₂^-积累达到峰值（最高值分别为4.86（C/N=5.0）,16.52（C/N=3.3）,30.16（C/N=2.5）,20.28（C/N=2.0） mg/L）,但COD降解速率的不同直接影响了反硝化进程,且只有在低C/N条件（C/N=2.0~2.5）才能维持稳定的NO₂^-积累.高通量测序结果表明,除了Thauera（2.67%~24.04%）、Terrimonas（4.94%~21.19%）、Saprospiraceae（5.34%~13.50%）等常规功能菌属外,Flavobacterium（28.23%）是C/N为2.5时维持高NO₂^-积累的优势菌属.结合部分反硝化工艺的运行特点,探讨了NO₂^-作为中间产物的相关耦合工艺的应用可行性.     

高原湖泊沉积物中反硝化微生物的群落特征——以包头南海湖为例

为了探明内蒙古高原富营养化城市湖泊中nirS型反硝化细菌群落结构的特异性,利用特异性功能基因nirS对包头市南海湖的表层沉积物进行反硝化细菌多样性测定,在分析各采样点沉积物理化指标的基础上,对各样品中nirS型反硝化细菌群落和多样性进行研究.结果表明,南海湖沉积物Shannon指数变化为3.07~3.41,相比于其他研究,反硝化微生物多样性相对较低.参与反硝化的优势菌属与大多数湖泊保持一致,以假单胞菌属（Pseudomonas）和红杆菌属（Rhodobacter）为主.冗余分析（RDA）指出,城市湖泊中的各种类型的污染物对反硝化优势菌属有明显的促进作用,红杆菌属（Rhodobacter）与硝酸盐氮、亚硝酸盐氮呈正相关,假单胞菌属（Pseudomonas）除受硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的影响外,还与总磷呈较强的正相关.南海湖nirS型反硝化细菌中的主要菌属促进了反硝化作用,加速了南海湖氮素的去除.     

洛美沙星对水中反硝化过程的影响模拟试验

水环境中硝酸盐的去除依赖于微生物在厌氧条件下进行的反硝化作用,已有研究发现,抗生素的存在会对反硝化细菌和反硝化酶活性产生一定影响,进而影响反硝化作用,但目前在水体中对于这三者之间关系的研究较少,作用的机理尚未完全明确.据此,本文以洛美沙星（Lomefloxacin,LOM）为典型抗生素,乙酸钠为碳源开展模拟实验,对反硝化过程、反硝化细菌和反硝化酶活性的影响进行探讨.实验结果表明,含有0,1,10,100 μg/L LOM的反应体系反硝化速率分别为10.42,8.83,8.50,6.62mg/（L·d）,脱氮率分别为79.5%,71.1%,70.0%,66.8%,LOM初始浓度为100μg/L时对反硝化细菌生长的抑制率高达30.5%.推测含有一定浓度LOM会对反硝化细菌的生长发育以及反硝化酶活性产生影响,导致反硝化过程中NO₃^--N的转化受到抑制,进而引起反硝化速率和总氮去除率降低,且LOM初始浓度越大,抑制作用越显著（P<0.05）.进一步分析结果表明,LOM影响反硝化作用主要表现在NO₃^--N还原至NO₂^--N这一过程,LOM初始浓度越高会使细菌生长速率和最大增长量减少,微生物的细胞膜完整性遭破坏程度增大.NO₃^--N和NO₂^--N的转化与反硝化酶活性有关,其中LOM浓度对硝酸盐还原酶活性的影响明显,浓度越大受到抑制程度也越大,但对亚硝酸盐还原酶活性几乎不产生影响.以上模拟试验条件虽距实际条件有所差异,但在一定程度上表明环境水体中低浓度抗生素影响反硝化作用的机理表现为抑制微生物生长和活性以及反硝化酶活性,降低脱氮率,导致硝酸盐污染的积累.     

高频间歇梯度曝气启动短程硝化反硝化除磷颗粒污泥

反硝化除磷与厌氧氨氧化耦合可进一步降低脱氮除磷所需的碳源,而稳定获取NO₂^--N是两工艺独立、联合运行的关键.因此,以低C/N生活污水为研究对象,接种絮状污泥及少量长期贮存的好氧颗粒污泥,采用两段梯度曝气,并控制停曝时间（3min：3min）,即以高频间歇梯度曝气模式,经60d的富集培养,将其诱导成具有短程硝化反硝化除磷功能的颗粒污泥,并分析了此过程中系统脱氮除磷性能变化.结果表明,稳定时期内,颗粒污泥平均粒径达841μm,SVI为31.23ml/g,颗粒结构致密,沉降性能良好.出水NO₃^--N小于0.1mg/L,TP<0.7mg/L,NO₂^--N>15mg/L,实现了P的高效去除和NO₃^--N的积累,并可为后续耦合Anammox提供稳定NO₂^--N基质.批次实验结果表明,颗粒中可利用NO₂^--N为电子受体的DPAOs占达57.63%,其富集提高了系统除磷能力.高频梯度间歇曝气可实现AOB与DPAOs的高度耦合,但仅以间歇曝气难以实现NOB的抑制,后通过在"氨谷点"前段,加入梯度曝气优化实际限氧曝气点,可强化对NOB的抑制,从而实现良好的亚硝酸盐积累.