某大型造纸废水处理厂的污泥膨胀控制及微生物群落结构分析

以一座处理规模为15×10⁴ m³·d⁻¹的造纸废水处理厂污泥膨胀控制为研究对象。通过进水补充氮磷营养物质、进水更换混凝剂去除硫化物,控制系统DO为1.5 mg·L⁻¹ ,选择池加大预曝气等措施改变优势丝状菌的生存环境。经过调控,系统SV、SVI出现显著下降,分别从98%、198 mL·g⁻¹下降至37%、80 mL·g⁻¹,恢复至正常范围,从而解决了该厂的污泥膨胀问题。对污泥进行微生物镜检和染色镜检分析发现,该厂活性污泥膨胀主要为Type 021N型丝状菌 (发硫菌) 和Beggiatoa sp. (贝氏硫细菌) 过度繁殖引起的丝状膨胀。对污泥膨胀控制前后的活性污泥进行高通量测序以分析其微生物菌群结构,从种属变化角度发现在污泥膨胀前后,Actinobacteria门中Rhodococcus属占比从2.92%下降为0.19% 、Mycolata属占比从0.1%下降为0,Alpha-proteobacteria门中的Meganema属占比从0.14%下降为0、Gamma-proteobacteria中Thiothrix占比从0.18%下降为0.01%。这几种微生物是引起该厂污泥膨胀的主要菌属。本研究案例在解决污泥膨胀问题的前提下,减少了药剂用量,提升了系统处理能力,避免了污泥流失,吨水电耗得以降低,且方法简单易行高效,可为其他同类污水处理厂解决污泥膨胀问题提供参考。     

外源C12-HSL信号分子协同反硝化菌FX-4对活性污泥系统脱氮效果的影响

为探究外源信号分子的群体感应效应对反硝化菌FX-4及活性污泥系统脱氮的影响,将外源AHLs (酰基高丝氨酸内酯类) 的C6-HSL和C12-HSL信号分子投加至反硝化复筛培养基中,探究AHLs对反硝化菌FX-4去除NO₃⁻-N的影响。结果发现,外源投加C6-HSL和C12-HSL均可有效地提高反硝化菌FX-4的NO₃⁻-N去除性能,增加反硝化菌FX-4的生物量,且C12-HSL协同反硝化菌FX-4的NO₃⁻-N去除效果最佳;不同浓度的C12-HSL对反硝化菌FX-4的NO₃⁻-N去除效果均有提升,且50 nmol∙L⁻¹的C12-HSL可较大提升菌株FX-4的NO₃⁻-N去除效果。将浓度为0、5 nmol∙L⁻¹、50 nmol∙L⁻¹、200 nmol∙L⁻¹、500 nmol∙L⁻¹和1 000 nmol∙L⁻¹的C12-HSL和反硝化菌FX-4同时投加至SBR活性污泥系统中,考察两者协同下系统脱氮性能、信号分子浓度和微生物群落结构的变化。结果表明,两者协同作用可对NO₃⁻-N去除性能产生明显影响,投加信号分子的实验组R₁~R₆相对于空白对照组R₀的NO₃⁻-N积累量减少20~50 mg∙L⁻¹,且C12-HSL投加量为100 nmol∙L⁻¹的反应器R₃的NO₃⁻-N消耗量最多,NO₃⁻-N出水质量浓度较R₀降低约45 mg∙L⁻¹;此外C12-HSL信号分子对TN去除产生正影响显著,且C12-HSL投加量为100 nmol∙L⁻¹的反应器能更有效地提升活性污泥系统TN去除效能。信号分子浓度变化检测结果显示,外源投加C12-HSL可以刺激系统其他AHLs分泌,特别是促进系统C4-HSL的分泌。微生物群落结构分析结果显示,外源投加反硝化菌FX-4和信号分子C12-HSL可显著影响活性污泥中微生物群落组成,加快活性污泥中微生物种群演替,使Thauera、Brevundimonas等脱氮相关菌属占比升高。以上结果可为信号分子作为应急手段强化活性污泥系统生物脱氮性能提供参考。     

连续流好氧颗粒污泥技术处理低浓度市政污水的中试研究

基于河北省某污水处理厂原厌氧池构建了中试规模3 000 m³·d^-1 (I、II系列) 的微氧-好氧耦合沉淀一体式反应器,以低浓度市政污水为基质、接种活性污泥,成功在连续流模式下培育了好氧颗粒污泥,并研究了颗粒污泥的形貌、结构特性、污染物去除性能及微生物群落结构变化。结果表明：中试系统形成的颗粒污泥轮廓清晰、呈规则球形和椭球形,平均粒径由接种污泥的28.9 μm增至90.1 μm,其中粒径>100 μm的占47.8%,>200 μm的占9.4%;中试系统培养的颗粒污泥机械强度远高于接种污泥的;I、II系列平均出水NH₄⁺-N分别为1.3和1.0 mg·L⁻¹,平均出水TN分别为9.9和9.1 mg·L⁻¹,系统具有良好的脱氮效果。此外,高通量测序结果表明中试系统大量富集了好氧反硝化菌Methylophilaceae和Methylotenera,好氧反硝化途径可能在脱氮中起重要作用。本研究可为连续流好氧污泥工艺的升级改造,以及在现有污水处理厂工艺基础上发展高效低碳的连续流AGS工艺提供参考。     

改良型UNITANK工艺冬季运行特性及微生物群落分析

针对苏州某城市污水处理厂改良型UNITANK工艺冬季出水水质波动大的问题,采用模型分析了改良型UNITANK工艺的周期性运行特征,通过Illumina MiSeq高通量测序对改良型UNITANK工艺冬季活性污泥的微生物种群结构进行了分析。结果表明,冬季改良型UNITANK工艺缺氧池反硝化充分,边池的均匀曝气导致边池前端和中段硝化不充分,周期性出水氨氮、溶解性磷酸盐的质量浓度逐渐升高。微生物种群结构分析结果表明：冬季微生物多样性较高,独特的工艺运行方式会对生物多样性产生影响;Saprospiraceae、Nitrosomonas、Nitrospira作为冬季活性污泥中的优势菌属,保证了改良型UNITANK工艺内生物脱氮除磷功能的发挥。     

曝气动力横向内循环反应器脱氮途径与性能分析

为降低城市污水生物脱氮系统处理能耗、提高脱氮效率,使用一种新型曝气动力横向内循环反应器(ALIR)来处理模拟城市污水并对该反应器的脱氮途径与性能进行了研究,采用16S rRNA基因高通量测序技术对微生物群落结构进行了分析。结果表明：反应器在A/O比为1:1、水力停留时间为9 h、污泥龄为20 d、污泥回流比100%的条件下,连续运行90 d后,出水NH₄⁺-N质量浓度低至(3.20±0.93) mg·L⁻¹,平均去除率为92.29%,出水总氮(TN)质量浓度为(11.68±1.31) mg·L⁻¹,TN去除率达到71.81%,同时好氧区平均同步硝化反硝化(SND)率达到26.49%;接种污泥与第80天活性污泥的优势门均为Proteobacteria和Bacteroidetes;与接种污泥相比,第80天污泥中Pseudomonas、Sulfuritalea等反硝化菌属丰度呈下降趋势,具有好氧反硝化功能的Acinetobacter属和Hyphomicrobium属的丰度则明显增加。综上,实验条件下,曝气动力横向内循环反应器可以免除内回流能耗,并获得良好的脱氮效果。该研究结果可为内循环反应器在实际工程中的应用提供参考。     

复合生物活性填料对活性污泥生物特性的影响

为了考察生物活性填料对活性污泥生物特性的影响,采用电子扫描显微镜、激光粒度仪和Miseq高通量测序技术,分别对SBR中污泥的形态、粒径和微生物群落分布进行了研究。结果表明,投加生物填料可以降低污泥的产率,促进污泥沉降,增强脱氮除磷效能;投加生物活性填料的SBR相比对照组SBR的污泥结构紧密,污泥颗粒分布均匀,且颗粒粒径大;内置填料和外置填料的活性污泥粒径在28.988~124.573μm的颗粒占据了大部分的比例,而对照组的活性污泥粒径在0.554~23.538μm的颗粒占据了大部分的比例;3个微生物群落主要分布在Sphingobacteriales、Xanthomonadales、Burkholderiales、Rhodocyclales、Flavobacteriales和Spirochaetales等6个目内;内置填料活性污泥微生物群落(17.12%)和外置填料活性污泥微生物群落(23.17%)中的黄色单胞菌目,要比对照组活性污泥微生物群落(5.51%)的比例高,说明通过复合生物活性填料的作用,能够改善活性污泥微生物群落的除磷能力,这与反应器实际运行效果和污泥粒径分析研究内容一致。     

基于高通量测序的OMS-2对序批式反应器系统微生物群落的影响

随着纳米材料的广泛应用,越来越多的纳米材料随着废水进入污水处理厂,纳米材料对污水生物处理系统的潜在影响越来越受到重视。探讨了氧化锰八面体分子筛(manganese oxide octahedral molecular sieve, OMS-2)纳米颗粒对序批式反应器(sequencing batch reactor,SBR)中活性污泥微生物群落结构的影响;以活性艳红X-3B溶液模拟印染废水,将不同浓度的OMS-2混入稳定运行的SBR中,采用Illumina MiSeq高通量测序分析技术,对不同SBR中微生物分布规律进行了研究。结果表明：SBR添加0.25 g·L⁻¹的OMS-2后,其COD去除率和脱色率分别提升了6%和13.6%;Illumina MiSeq高通量测序显示,在混入0.25 g·L⁻¹的OMS-2后,SBR内污泥菌群中拟杆菌门(Bacteroidetes)和变形菌门(Proteobacteria)的微生物DNA序列操作分类单元(operational taxonomic units,OTU)分别增加了16.8%和96.4%,这2类菌种可能提升了SBR降解有机污染物的能力;不同浓度的OMS-2改变了菌群的多样性和结构,低浓度的OMS-2可以提升微生物菌群的多样性和改变菌群的结构。X射线光电子能谱(XPS)分析表明,OMS-2在SBR中存在锰(Ⅳ)/锰(Ⅲ)转变为锰(Ⅱ)的氧化还原反应,该过程可能影响了菌群的组成。研究为纳米材料的实际应用和环境风险提供了参考。     

高悬浮物进水对中试规模微压内循环生物反应器处理效果的影响

采用中试规模微压内循环生物反应器(MPSR)处理某北方城市新区污水处理厂沉砂池出水,考察了高悬浮物进水条件下反应器污染物处理效果及污染物的去除特性,利用高通量测序对微生物群落结构进行分析。MPSR 经450 d的运行结果表明,受春季冰雪融化和夏季降雨影响,反应器进水中SS质量浓度平均值在1—5月提高至约800 mg·L⁻¹,在5—8月达到约2 700 mg·L⁻¹,运用SPSS对进水SS与COD进行相关性分析,二者为正相关,皮尔逊相关系数为0.682。高悬浮物进水使得系统内MLSS质量浓度增加至12 000 mg·L^-1,而MLVSS质量浓度基本保持在3 000~5 000 mg·L⁻¹,SVI下降至50 mL·g⁻¹。在不同进水负荷条件下,MPSR出水COD、TN、TP质量浓度始终保持在26、14、0.28 mg·L⁻¹以下,达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A排放标准。高通量测序结果表明MPSR内微生物结构丰富,系统内好氧反硝化菌Thermomonas、Terrimonas、反硝化除磷菌Dechloromonas等多重功能微生物共存。MPSR内丰富的微生物结构使其在高悬浮物冲击下仍可以保持稳定的处理效果。     

活性污泥丝状膨胀成因的研究——上海市几个污水处理厂的调查

以净化生活污水为主要对象的上海北区、东区和曹杨污水处理厂,活性污泥经常在春夏之交和夏天发生膨胀,轻者降低出水水质,重者造成污泥大量流失,直至运转中断。污泥膨胀的原因很多,而丝状膨胀是其中之一。至于引起污泥丝状膨胀的微生物种群,据文献报导却是多种多样的。1978—1979年,我们曾对上述三个厂的污泥丝状膨胀成因开展了初步的调查研究。     

耐盐复合菌剂强化生物工艺处理高盐废水的快速启动

从城市污水处理厂的活性污泥中驯化分离出2株耐盐高效菌：地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis ）O1和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）Y5制备复合菌剂,用于高盐生活污水生物处理工艺快速启动研究。研究表明,在SBR系统中连续投加复合菌剂（制备的配比为1∶1）,在30 d完成快速启动（TOC去除率>85%）,并且在整个启动过程中,TOC的去除率都能够稳定保持在80%左右,而负载复合菌剂填料的投入可获得更稳定的出水水质。通过高通量测序与OTU分类,高盐废水的配入使得活性污泥微生物群落结构发生显著改变,并且在工艺启动后,所投加的耐盐高效菌O1和Y5在活性污泥微生物总量中所占比例由1.31%升高至6.13%,说明O1和Y5能够在小试SBR中长期存留,并逐渐成为优势种属之一。     

不同污泥负荷下SBR处理游泳馆污水的微生物群落的演变

污泥负荷直接影响微生物的生长模式,当污泥负荷发生变化时,短时间内微生物群落结构将发生明显变化.为了研究污泥负荷冲击对SBR系统内活性污泥微生物群落结构的影响,应用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术,对不同污泥负荷冲击时,SBR处理游泳馆污水中的活性污泥微生物进行了考查.研究表明,在不同污泥负荷冲击的条件下,以MBR污泥为接种污泥,SBR工艺处理游泳馆污水系统内活性污泥微生物群落结构变化明显,多样性指数随着污泥负荷升高而逐渐增加并趋于稳定,但污泥冲击负荷过高多样性指数反而下降, SBR系统内微生物菌种大部分为未经培养菌种,肠杆菌属、甲苯单胞菌属以及γ-变形菌纲细菌等.微生物通过对不同负荷阶段环境条件的适应及演变,逐渐形成了适应相应污泥负荷的微生物种群.     

污泥膨胀形成机理及控制措施研究现状和进展

污泥膨胀现象在全球污水处理厂普遍存在,已成为制约活性污泥工艺发展的重大难题之一.本文总结了丝状细菌研究现状;重点阐述了当前引起污泥膨胀的主要机理;说明了基于这些机理的选择器控制理论;给出了主要的选择器类型.对当前关于污泥膨胀的研究进展和方向,分别从微生物和数学模型2个方面进行了讨论,最后,提出了一系列亟待解决的问题.     

基于纯膜MBBR的紧凑型污水处理BFM中试基质转化特性

为研究纯膜MBBR工艺用于国内北方市政污水的处理效果,采用基于两级AO纯膜MBBR耦合改良磁加载沉淀的BFM中试系统处理北方某污水厂进水,同步对比污水处理厂活性污泥系统处理效果。同时,为了完善工艺设计标准,研究了BFM工艺基质转化关系,并通过微生物高通量测序的方式分析了系统菌群组成及功能菌相对丰度,从微观层面解释了宏观运行效果。结果表明,从处理效果上看,BFM中试在出水稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准的基础上,系统HRT为7.76 h,仅为相同进水条件下污水处理厂活性污泥系统HRT的30%,节地优势明显;在进水重金属冲击下,BFM中试系统受到的影响更小,恢复时间更短,体现出较强的抗冲击特性;从基质转化关系上看,BFM系统生化段通过同化除磷可去除19.61%的STP,其余TP通过M段化学除磷去除,核算除磷所需Al/P为2.12,较污水处理厂二沉池化学除磷所需Al/P(4.35)明显降低,除磷效率高,药剂投加量省;从微观层面上看,成熟后的BFM系统前好氧区生物膜厚度为(345.78±74.81) μm,高于污水处理厂活性污泥系统好氧区生物膜厚度(228.83±66.27) μm,显示出纯膜MBBR生物膜生物量更大;高通量测序结果表明,纯膜MBBR极大的强化了对于功能菌的富集效率,Nitrospira在好氧生物膜中相对丰度达到15.62%~22.30%,核算硝化菌生物量达到(1.13±0.21) g·L⁻¹,显著高于对比的活性污泥系统。上述研究结果表明,BFM工艺在保证稳定处理效果的基础上,节地效果突出,且化学除磷效率高,运行成本相比传统工艺无明显增加,该工艺可用于紧凑型污水处理厂建设。     

微丝菌型污泥膨胀的工艺负荷调控方法

提出调控工艺局部污泥负荷分布来处理污水处理厂冬季微丝菌污泥膨胀。在某AAO工艺污水处理厂开展平行反应器实验,进行显微观测和工艺模拟,发现反应器前端厌/缺氧区污泥去除负荷的差值与微丝菌丰度、污泥粒径和沉降性能有相关性。比较多种运行模式的改善效果,发现AO模式沉降性能最好,优于AAO和多点回流。反应器前端污泥去除负荷梯度可作为调控指标,实验中AO模式负荷梯度可达0.54 kg COD·（kg SS·d）-1,明显高于AAO、多点回流和多点进水。因此,通过优化回流和排泥操作,可以调控污泥去除负荷的沿程分布,有可能缓解冬季的微丝菌型污泥膨胀。     

煤化工废水生化处理系统活性污泥膨胀控制及菌群迁移

针对煤化工废水生化处理系统存在的活性污泥丝状菌膨胀问题,根据微生物营养学原理,利用活性污泥调理剂对污泥膨胀进行控制和修复,并对修复前后的活性污泥细菌菌群进行高通量测序,研究了菌群的迁移变化途径。研究结果表明,修复后的煤化工废水生化处理系统中活性污泥的SVI值明显下降,维持在85 mL·g-1左右,系统对废水中有机污染物的降解能力有所提升,COD去除率由原来的93%左右提高到96%以上。细菌菌群种类、数量和丰度都有明显改善。     

斑石鲷循环水养殖系统生物滤池微生物群落对水质变化的动态响应

为了解斑石鲷循环水养殖系统生物滤池内部细菌群落组成及其净水机制,通过高通量测序方法,研究了不同时期各级生物滤池的细菌群落结构,分析了各级生物滤池的水质参数及水处理效果。结果表明：实验筛选出37 个门和513个细菌属,第3级生物滤池整体微生物群落丰富度和多样性均高于第1级和第2级生物滤池,第2级和第3级生物滤池微生物群落相似性最高。在门水平上,优势菌为变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、拟杆菌门(Bacteroidetes);在属水平上,发现了起硝化作用的亚硝化单胞菌属Nitrosomonas和硝化螺菌属Nitrospira;实验还发现该系统生物滤池可能存在功能上的浪费现象。该系统的细菌群落结构有稳定的演替模式,生物膜微生物群落变化对水质有一定程度的动态响应,Muricauda、Maribacter等反硝化细菌对硝态氮浓度的变化作用不明显。     

低进水浓度CASS工艺沿程污染物去除特征及微生物群落变化

南方部分城镇污水浓度偏低,而循环式活性污泥法(CASS)能较好地处理低浓度污水,处理性能与微生物群落特征密切相关,但鲜有研究涉及其沿程微生物群落结构变化。本研究选取广东省某CASS城镇污水厂作为典型案例,分析其沿程污染物去除特征和微生物变化,从微生物学角度探讨污染物的去除机理。结果表明：低进水浓度CASS生化池沿程耗氧有机物(以COD计)、TN、NO₃⁻-N、TP主要在污泥选择区被吸附降解,进水1 h COD和TP值降至最低,NH₄⁺-N主要在主反应区被氧化降解,生化池可去除污水中56.42%的耗氧有机物(以COD计)、41.71%的TN、77.78%的NH₄⁺-N、99.59%的TP。生化池主要优势菌门有变形菌门、拟杆菌门、绿弯菌门和浮霉菌门,变形菌门是影响微生物多样性变化的关键菌门。属水平上,进水1 h选择区Zoogloea、Aeromonas和Thauera丰度较高,主反应区Nitrospira丰度较高;进水结束选择区Nitrospira丰度较高,主反应区Terrimonas和Lactobacillus丰度较高;沉淀1 h选择区Thauera丰度提高,主反应区Nitrosomonas丰度较高,主要发生氨氧化;闲置结束选择区脱氮菌类型多丰度高,主反应区Sulfuritalea、Haliangium、Zoogloea丰度较高。沿程功能性微生物丰度变化与污染物浓度变化相对应。NO₃⁻-N对微生物群落结构的塑造影响最显著(解释度为38.92%)。氮代谢途径表明沿程主反应区均发生全程硝化反硝化,选择区均发生短程硝化和全程反硝化,除进水1 h外,其余阶段选择区的反硝化功能基因丰度均比主反应区高。     

污泥膨胀形成机理及控制措施研究现状和进展

污泥膨胀现象在全球污水处理厂普遍存在,已成为制约活性污泥工艺发展的重大难题之一.本文总结了丝状细菌研究现状;重点阐述了当前引起污泥膨胀的主要机理;说明了基于这些机理的选择器控制理论;给出了主要的选择器类型.对当前关于污泥膨胀的研究进展和方向,分别从微生物和数学模型2个方面进行了讨论,最后,提出了一系列亟待解决的问题.     

氯化钙控制污泥膨胀

污泥膨胀是活性污泥工艺运行中经常遇到的最棘手的问题之一。本实验以人工合成污水为底物,采用序机式活性污泥法（SBR）;研究投加无机混凝剂氯化钙控制污泥膨胀的情况,同时研究丝状菌和菌胶团的变化。研究发现,投加氯化钙后,丝状菌数量明显减少;形成较多大而密实规则的菌胶团,污泥膨胀得到控制。污泥容积指数（SVI）由最初的309.5 mL/g降到67.1 mL/g,污泥沉降性能改善。停止投加氯化钙后又运行了18周期,活性污泥没有发生再次膨胀。投加氯化钙对COD去除率没有明显影响。研究结果表明,投加氯化钙是一种有效的污泥膨胀应急控制措施。     

包埋厌氧氨氧化颗粒污泥的生活污水CANON工艺脱氮特性

为实现厌氧氨氧化(Anammox)包埋填料在城市污水中的稳定脱氮,以除碳后的生活污水作为进水,通过间歇曝气的运行方式,研究了高氨氮废水处理系统中的厌氧氨氧化颗粒污泥(AnGS)及利用其制成的Anammox包埋填料在生活污水CANON工艺中的脱氮性能及微生物群落结构。结果表明,在生活污水CANON工艺启动过程中,AnGS系统的氨氮去除率和总氮去除率最高分别仅为65.9%和59.3%,而包埋填料后在启动仅10 d后,氨氮去除率和总氮去除率分别可达98.9%和72.4%以上,同时出水NH₄⁺-N和TN均能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)》中一级A的排放要求。提高曝气阶段的DO质量浓度(2.9~3.1 mg·L⁻¹提升到3.9~4.1 mg·L⁻¹)会导致包埋填料出水NO₃⁻-N 质量浓度增长至9.7~11.1 mg·L⁻¹,从而破坏CANON工艺中的短程硝化导致出水总氮不达标。但将DO浓度恢复后,包埋填料CANON工艺的脱氮效果能够恢复。运行后的包埋填料中AAOB主要菌属Candidatus Kuenenia和Candidatus Brocadia的占比为21.11%和1.04%,同时NOB主要菌属为Nitrospira,占比仅为0.53%,包埋填料在生活污水中能够保持AAOB菌群优势并有效抑制NOB的增长,因此将包埋固定化技术用于城市污水CANON工艺脱氮中具有广阔的前景。