单室双阳极微生物电解池利用氢发酵废水产氢

为提高微生物电解池(MEC)利用氢发酵废水产氢速率,以丁酸为底物在微生物燃料电池(MFC)中驯化富集阳极产电微生物,采用单室双阳极MEC处理玉米秸秆的氢发酵废水,通过对关键过程参数的优化,实现氢发酵废水高效产氢。结果表明,当外加电压为0.8 V时,产氢速率和玉米秸秆氢发酵废水中COD的去除率分别达到(5.31±0.13)m~3·(m~3·d)~(-1)和(58±2)%。其中,乙酸、丁酸、丙酸、乙醇的去除率分别达到(95±2)%、(76.2±0.8)%、(93±3)%、(98±1)%。与单室单阳极MEC相比,单室双阳极MEC利用玉米秸秆氢发酵废水进行深度产氢的速率提高了1.22倍。此外,MEC生物阳极驯化方式对MEC利用玉米秸秆氢发酵废水产氢具有重要影响。与利用乙酸为底物驯化富集的生物阳极相比,以丁酸为底物驯化富集的生物阳极去除COD的能力和MEC产氢速率都有提高。     

单室微生物电解池处理含镍模拟废水

为了利用废水中的有机物及降低重金属浓度,研究了单室微生物电解池对模拟废水中Ni（Ⅱ）的去除,探索了不同影响因子对镍的去除影响。在最佳外加电压0.7 V、最适初始pH 7.0、100 mmol·L-1 PBS下,单室微生物电解池运行48 h,对12.5 mg·L-1Ni（Ⅱ）和1 000 mg·L-1 COD的去除率分别可达到（88.2±2.5）%和（72.2±0.9）%,有效地降低了重金属浓度,拓展了生物电化学系统系统在去除重金属离子废水方面的应用。     

电流强度对高盐废水混合生物阴极MFC脱氮及产电的影响

构建了双室混合生物阴极微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)处理高盐榨菜废水,探讨了不同电流强度对混合膜 MFC 脱氮的影响,并分析了产电特性及微生物群落特征。结果表明,高电流通量可缩短双室混合膜MFC的完全脱氮周期,且主要缩短的是稳定期周期。相对于其他3个实验组,电流强度最大的S3实验组硝酸盐平均去除速率((5.72±0.10) mg·(L·d)⁻¹)与硝酸盐最高去除速率((8.45±0.15) mg·(L·d)⁻¹)均最大,且实现总氮100%去除的时间最短(19 d),稳定期硝酸盐去除速率k (6.122 5 mg·(L·d)⁻¹)最大,这说明增大电流强度可促进混合膜MFC 电营养反硝化。电营养反硝化菌可直接利用电子进行反硝化反应,而较大的电子通量给阴极电活性自养脱氮微生物提供了丰富的生命燃料。在产电方面,曝气阶段开路电压(S1、S2、S3、S4分别为750、729、721、699 mV)随外加电阻的增大而增大,最大功率密度相差却并不显著(1.09、0.94、1.04、1.02 W·m⁻³);停止曝气阶段,阴极室电子受体的减少,导致MFC产电性能普遍下降,外电阻最大的S1实验组开路电压(746 mV)与最大功率密度(0.77 W·m⁻³)为最高。高通量测序结果表明,承担电营养反硝化功能的菌群可能为norank_f_Hydrogenophaga,Azoarcus。以上研究结果可为后续双室混合膜 MFC处理高盐废水提供技术参考。     

微生物电解池从剩余污泥热碱水解液中回收鸟粪石

通过鸟粪石的形式回收城市污水处理厂剩余污泥中的氮磷,不仅可减少对环境的污染,而且可以实现氮磷的资源化。利用微生物电解池(microbial electrolysis cell, MEC)开展了回收剩余污泥热碱水解液中鸟粪石的研究,实验结果表明,剩余污泥通过热碱水解促进了磷酸盐的释放,经MEC处理后可形成鸟粪石沉淀。扫描电镜-能谱分析(SEM-EDS)结果表明,阴极沉淀物为斜方晶,主要成分为N、O、P、Mg,符合鸟粪石的成分组成及晶体特征。双室MEC的鸟粪石生成速率远大于单室MEC的,双室MEC对磷酸盐的去除率最高可达77%,而单室MEC对磷酸盐去除率最高为56%。在双室MEC中,随着外加电压的升高,鸟粪石的生成速率增大,当外加电压为0.95 V时,鸟粪石生成速率为0.37 g/(m2·h);当外加电压为1.15 V时,鸟粪石生成速率为0.61 g/(m2·h)。微生物电解池为剩余污泥中鸟粪石的回收提供了一种新的处理方法。     

脱硫MEC的硫价态变化与微生物群落演替规律

采用微生物电解池(microbial electrolysis cell,MEC)进行沼气脱硫研究,探究了阳极的S²⁻去除率、硫价态的变化及微生物群落演替规律。结果表明,该方法中S²⁻去除率可达到90%以上,SO₄²⁻为阳极硫氧化反应的主要产物。微生物群落分析结果表明,Pseudomonas为脱硫优势微生物,在阳极生物膜与溶液中的丰度分别为7.6%和15.8%;电活性细菌Geobacter在阳极生物膜与溶液中的丰度分别为11.3%和5.26%,参与了Pseudomonas的种间电子传递,从而提高硫氧化效率。本研究结果可为MEC沼气脱硫工艺提供参考。     

温度对序批式膜生物反应器生物脱氮影响及微生物机制解析

针对生猪养殖废水处理过程中普遍存在的脱氮效果不佳,工艺流程较长等问题,采用中试规模序批式膜生物反应器(SMBR)处理生猪养殖废水,并与猪场现有废水处理A²/O工艺进行了比较。结果表明：SMBR在运行温度逐步降低的情况下,可以取得较好的污染物去除效果,氨氮平均出水浓度为10 mg·L⁻¹,去除率达到98.6%;总氮平均出水浓度为31 mg·L⁻¹,去除率达到96.5%;COD为332 mg·L⁻¹,去除率达到96.5%。猪场现有A²/O工艺对氨氮、总氮和耗氧有机物的去除率分别为99%、88%和97%。高通量测序和OUT分类结果表明,SMBR中主要的AOB为Nitrosomonas,NOB主要为Nitrospira、Nitrobacter和Nitrolancea。AOB是SMBR主要的硝化细菌,NOB是A²/O工艺中主要的硝化细菌,并且反硝化细菌在SMBR中的菌群丰度高于A²/O工艺中的反硝化菌群丰度。综上所述,与A²/O工艺相比,SMBR具有短流程和脱氮效果较好等优势,这可使其具有较好的应用前景。     

外源性海藻糖强化好氧脱氮菌处理高盐废水的菌群特性

为提升高盐胁迫下好氧脱氮功能菌群的富集丰度及脱氮性能,解决高盐废水生物脱氮效率低的问题,助推好氧脱氮功能菌在高盐废水处理的工程应用,将海藻糖添加到已富集好氧脱氮功能菌的膜曝气生物膜反应器 (membrane aerobic biofilm reactor, MABR) 中,构建高盐废水的海藻糖生物强化处理系统,从反应器脱氮性能、菌群多样性以及脱氮功能基因丰度等方面探究高盐废水中海藻糖对好氧脱氮菌的强化机制。结果表明：实验组 (C₄₀、C₁₂₀、C₃₆₀和C_{1 080}) 中NH₄⁺-N、TN和COD去除率相较对照组 (C₀) 分别提高了10.70%、32.72%、27.36%、19.45%,8.32%、28.36%、22.53%、17.63%和12.09%、31.14%、25.27%、25.06%;外加海藻糖提高了菌群在高盐废水中的脱氮效率,浓度为120 μmol·L^-1时,NH₄⁺-N去除率最高可提升32.72%。高通量测序分析显示：在高盐环境胁迫下,海藻糖浓度对群落结构及丰度存在显著影响,C₄₀和C₁₂₀提高了异养硝化-好氧反硝化 (heterotrophic nitrification-aerobic denitrification, HN-AD) 菌 (Pseudofulvimonas、Rhodobacteraceae、 Paracoccus、Parapusillimonas和Flavobacterium) 的相对丰度,而C₃₆₀和C_{1 080}有利于异养反硝化菌 (heterotrophic denitrified bacteria, HDB) (Enterococcu、Nitrincola、Truepera、Fusibacter) 的富集;海藻糖浓度显著影响高盐废水中脱氮菌群的组成与丰度。PICRUSt1结果显示：添加海藻糖有效提高以HN-AD菌和HDB为主的脱氮菌群的反硝化活性,在C₄₀和C₁₂₀中,与HN-AD菌关联的硝化基因 (hao) 和反硝化基因 (nasA、napA和napB) 相对丰度提高,此时HN-AD途径得到增强;而与HDB关联的反硝化基因 (narG、narH和narI) 相对丰度在C₃₆₀和C_{1 080}增加,进一步说明加入高浓度海藻糖更有利于加强异养反硝化途径;海藻糖浓度为120 μmol·L^-1时,脱氮基因相对丰度最高,最大程度地加快了好氧脱氮菌群的硝化和反硝化进程。本研究结果可为好氧脱氮菌在高盐废水的好氧处理技术运用中提供参考。     

不同分子量聚乳酸的异养反硝化脱氮性能及脱氮反应机制

聚乳酸(PLA)是一种发展潜力巨大的反硝化固体碳源。为探究不同分子量PLA反硝化脱氮路径及机制,以不同分子量PLA为固体碳源研究了PLA的静态释碳性能和反硝化脱氮效果,考察了反硝化出水溶解性有机质(DOM)组分和微生物群落结构。结果表明：PLA释碳稳定,在清水和脱氮反应器中出水COD均能稳定在20 mg·L⁻¹;PLA分子量越低,脱氮效果越好,5 000 g·mol⁻¹分子量PLA的NO₃⁻-N去除率和反硝化速率达到100%和1.29 mg·L⁻¹·h⁻¹。PLA脱氮路径有2条：一是反硝化功能菌群利用水解微生物分解PLA释放的小分子碳源作为电子供体进行异养反硝化作用;一是微生物利用溶解性微生物代谢产物等有机物进行反硝化脱氮。该研究结果可为PLA固体碳源在反硝化脱氮工艺中的高效应用提供参考。     

运行方式对低基质厌氧氨氧化系统脱氮及菌群结构的影响

为了考察运行方式对厌氧氨氧化系统脱氮性能及菌群结构的影响,建立一套厌氧移动床生物膜反应器,在(25±1) ℃恒温、低基质(TN≤60 mg·L⁻¹)条件下,分别以连续式和间歇式方式运行,采用高通量测序,基于直系同源蛋白簇基因(COGs),对16S rRNA扩增子测序结果进行功能预测,来表征微生物菌群结构和微生物功能的变化。结果表明：系统总氮负荷为(227±13) mg·(L·d)⁻¹时,间歇式运行脱氮效率(90.6%)优于连续式运行效率(74.6%),生物膜厌氧氨氧化细菌的相对丰度高于悬浮污泥;反应器由连续式变为间歇式运行后,主要功能菌属Ca. Brocadia丰度降低,同时,具有部分反硝化作用的Pseudomonas菌丰度出现明显升高。进一步分析可知,在适量的有机物条件下,间歇式运行能够获得更好的厌氧氨氧化与反硝化协同处理效果。本研究结果可为污水处理厂的实际运行提供参考。     

铁屑耦合固相反硝化对低碳氮比废水中总氮的处理

为考察脱氮效率并解决碳源不足导致总氮 (TN) 去除率不高的问题,将竹刨花作为固体碳源与挂膜载体,引入铁屑,构成耦合体系,搭建2套反硝化实验装置 (分别为耦合体系1号与单纯固相反硝化体系2号) 并对脱氮率及微生物进行分析。结果表明：进水TN为41.62~59.95 mg·L⁻¹,COD/N<0.5,水力停留时间为18 h; 13~105 d,1号TN平均去除率为73.21%~92.79%,比2号平均去除率高近1倍;1号碳源相对2号更为充足,但2体系出水COD均值都低于一级A;1号总铁释放稳定,出水总铁均值低于0.3 mg·L⁻¹,未出现NH₃-N明显积累。SEM表征结果显示,1号竹填料表面黏性物质与微生物数量更多,生物膜更加紧密。16S rRNA表征结果显示：1号具有更高的微生物丰度与多样性;2体系反硝化脱氮相关门类占主体,优势门类均为变形菌门,但1号变形菌门占比高于2号;变形菌门中,1号反硝化菌群 (属水平,丰度>1%) 类别和总占比均高于2号。由此可知,铁屑强化了碳源的分解与利用,促进了脱氮功能菌生长,显著提升了耦合体系脱氮效能,出水TN可达到地表水IV类标准(GB 3838-2002)。竹刨花获取方便灵活,铁屑低廉,两者构成的耦合体系具有巨大的实际应用前景。     

短程硝化-厌氧氨氧化耦合反硝化系统处理集便器污水

集便器污水具有高有机物、高悬浮物、高氨氮、高磷及低碳氮比的特点。采用一体式短程硝化-厌氧氨氧化耦合反硝化系统进行集便器污水的污染物去除效能研究。结果表明,将氨氮为400~500 mg·L⁻¹、COD约400 mg·L⁻¹的集便器污水作为实验进水,按照分阶段分比例的进水方式,经过约75 d运行,最终出水氨氮及总氮仅为40.20 mg·L⁻¹和67.40 mg·L⁻¹,去除率分别为90.84%和86.90%,总氮去除负荷为0.141 kg·(m³·d)⁻¹。微生物分析结果表明,Candidatus_Brocadia始终是系统内的厌氧氨氧化优势菌属,且运行稳定后其相对丰度达到约30.70%。本研究可为集便器污水脱氮工艺应用技术提供参考。

     

间歇曝气生物炭湿地中污染物的去除特征及微生物种群结构

生物炭作为一种疏松多孔的吸附材料,近年来被广泛应用于受污染水体净化。通过构建生物炭投加比为0、10%、30%和40%的间歇曝气湿地系统(分别命名为CW、BW1、BW2和BW3),探究了生物炭投加比例对间歇曝气湿地中污染物去除及微生物群落结构的影响。结果表明,投加生物炭可提高湿地系统曝气段水体中平均溶解氧(DO)浓度。其中,BW3曝气段平均DO浓度为2.5 mg·L−1,相较于CW提高了13.6%,但添加生物炭对非曝气段DO浓度影响不显著(P>0.05)。所有湿地系统水体中化学需氧量(COD)去除率均高于90%,生物炭添加对耗氧有机物去除的影响并不显著。当生物炭投加比例由0增加至40%时,氨氮的去除率由80.76%提高至99.43%。生物炭可以显著提升湿地系统总氮的去除效果,BW3的总氮去除率相较于空白对照提高了18.5%,且在各反应器出水中均未检测到硝态氮(${{\rm{NO}}_3^ -} $-N)和亚硝态氮(${{\rm{NO}}_2^ -} $-N)。高通量测序结果显示,在门类水平,生物炭增加了拟杆菌门(Bacteroidetess)和变形菌门(Proteobacteria)数量,降低了放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)和螺旋体菌门(Saccharibacteria)的相对丰度。各湿地系统中已检出与脱氮相关的菌属共13种,生物炭投加可提升Nitrospira、Thauera、Rhodobacter和Pseudomonas等10余种与脱氮相关的菌落丰度。在间歇曝气湿地系统中,生物炭可以通过增加脱氮相关菌属,提高对氮素污染物的净化效果。     

溶解氧分区控制的一段式自养脱氮工艺的性能及其中微生物的特征

针对一段式自养脱氮工艺普遍存在脱氮性能较差或不稳定的问题,提出了溶解氧分区控制的策略,研发了一种内外分层、溶解氧分区的新型自养脱氮反应器。通过改变反应器的进水氮负荷和调控曝气量,考察其溶解氧分区效果和脱氮性能变化,并探究长期运行过程中微生物群落结构特征。结果表明：在为期250 d的连续实验中,新型反应器能实现良好的溶解氧分区效果,可有效强化氨氧化速率和厌氧氨氧化速率,总氮去除率到达84.3%,氮去除速率为0.84 kg·(m³·d) ⁻¹,自养脱氮性能得到了提升;反应器中微生物群落结构趋向单一,浮霉菌门始终维持较高丰度（7.6%~10.5%）,厌氧氨氧化菌的优势菌属则发生了由Candidatus Kuenenia向Candidatus Brocadia的演替,而亚硝酸盐氧化菌生长受到抑制。本研究结果可为自养脱氮工艺的应用提供参考。     

基于异养-硫自养反硝化耦合技术的陶粒-硫磺混合生物填料对城市污水处理厂尾水的深度脱氮

针对城市污水处理厂脱氮能力的不足,设计了2种不同体积比的陶粒-硫磺混合生物填料反应器(陶粒与硫磺的体积比分别为2∶1和5∶1),并用其对城市污水处理厂尾水进行了深度处理。结果表明,陶粒与硫磺体积比为2∶1的混合生物填料反应器(R2,高硫耦合组)在C/N为4,HRT为4 h的条件下处理模拟废水时脱氮效率最高,TN平均去除率和平均出水质量浓度分别为(92.62±1.36)%和(2.39±0.22) mg∙L^-1。相比于R1(异养对照组),R2在保证脱氮效率的同时,碳源投加量更少;此外,R2在最佳条件下促进了体系内反硝化微生物群落Thauera(陶厄氏菌属)和Thiobacillus(硫杆菌属)的生长,二者的相对丰度之和为39.13%。     

好氧颗粒污泥处理低碳氮比实际生活污水的运行效能

以低碳氮比实际生活污水为基质,在不外加碳源的前提下,在序批式活性污泥反应器(SBR)内培养好氧颗粒污泥(AGS)。结果表明：经过30 d的连续运行可成功培养出好氧颗粒污泥,成熟的好氧颗粒污泥SVI约为50 mL·g⁻¹,MLSS为4.5 g·L⁻¹左右,平均粒径达到608.3 μm;反应器连续运行超过180 d,在整个运行过程中,以C/N为2~6的实际生活污水为基质,COD平均去除率为89.5%,TN平均去除率为78.5%,TP平均去除率可达70%以上。好氧颗粒污泥脱氮除磷的沿程实验结果显示,其可实现同步高效脱氮除磷,氮的去除主要源于同步硝化反硝化,其独特的分层结构能够保证在外部较高的溶解氧环境下颗粒污泥内部同时完成反硝化过程。     

升流式生物膜反应器中CANON工艺处理中低浓度氨氮废水的快速启动

为了实现中低浓度氨氮废水情况下CANON工艺的快速启动和稳定运行,在升流式生物膜反应器中,通过调控水力停留时间、溶解氧和回流比,研究进水氨氮浓度为200 mg·L⁻¹时CANON工艺的快速启动过程。结果表明：1~17 d,污泥处于驯化阶段,HRT为12 h,DO控制在0.1~0.2 mg·L⁻¹,50%的回流比满足污泥上升流态;18~60 d,HRT逐步缩短至8 h,DO控制在0.3~0.5 mg·L⁻¹,回流比增大至150%,AOB和 ANAMMOX在该阶段成功富集,填料上初步形成生物膜;61 d时,HRT缩短至6 h,加大回流比至200%,溶解氧控制在0.3~1.0 mg·L⁻¹,系统启动加速,此时,进水氨氮负荷增加至0.795 kg·(m³·d)⁻¹;运行至第93天,氨氮和总氮平均去除率分别达到95%和82%,ANAMMOX完成挂膜,CANON工艺成功启动。高通量测序结果显示,在整个启动过程中,优势菌群AOB和ANAMMOX的丰度呈增长趋势,启动完成时,生物膜中AOB占比19.46%,ANAMMOX占比22.49%,分别属于Brocadiaceae和Nitrosmonadaceae。CANON系统集成絮体、颗粒和填料挂膜3种污泥形态为一体,实现了在中低浓度氨氮废水中的高效稳定运行。     

印染废水高标准排放组合工艺优化

为了实现印染废水的高标准排放,构建了生物吸附/MBBR/混凝沉淀池/硫铁自养反硝化/活性焦组合工艺,并对其进行了优化运行研究;考察了不同水力停留时间(HRT)和溶解氧(DO)对系统污染物去除的影响。结果表明：生物吸附池和MBBR池的HRT分别为1 h和10 h、DO分别为1 mg·L−1和5 mg·L−1的情况下,污染物的去除效果最佳;其中,COD的去除率达到98%;在最优条件下,组合工艺出水COD、${\rm{NH}}_4^{+} $-N、TP和TN浓度分别为 16、0.56、0.32和1.39 mg·L−1,污水色度基本完全去除。该组合工艺实现了印染废水的高标准排放,为印染废水处理的工程应用提供了数据和技术支撑。