胞外聚合物和信号分子对厌氧氨氧化污泥活性的影响

为了探究胞外聚合物（EPS）对厌氧氨氧化颗粒污泥活性的影响,分别向厌氧氨氧化颗粒污泥中投加30mg/L的总胞外聚合物（IN-EPS）,松散结合型胞外聚合物（LB-EPS）和紧密结合型胞外聚合物（TB-EPS）.结果表明,3种EPS均可提高厌氧氨氧化颗粒污泥的活性.对于添加了IN-EPS,LB-EPS和TB-EPS的实验组,厌氧氨氧化颗粒污泥的氨氮去除速率分别增加了6.68%,10.5%和19.29%,厌氧氨氧化菌的生长速率分别增加了18.25%,21%,16.3%.三维荧光光谱法分析发现3种EPS的组成基本相同,以芳香族蛋白质和可溶性微生物产物为主.对EPS中的高丝氨酸内酯类（AHLs）信号分子进行检测,发现EPS中含有3种信号分子,分别是C4-HSL,C6-HSL和C10-HSL,外源投加这3种AHLs到厌氧氨氧化颗粒污泥中,结果发现C4-HSL和C6-HSL可以提高厌氧氨氧化颗粒污泥的活性和生长速率,这是EPS可以提高厌氧氨氧化菌活性的原因.     

厌氧氨氧化颗粒污泥胞外聚合物金属元素特性

为探究厌氧氨氧化颗粒污泥胞外金属元素特性,将厌氧氨氧化颗粒污泥根据粒径筛分为0.5~1.4mm、1.4~2.8mm、>2.8mm 3组,提取不同粒径厌氧氨氧化颗粒污泥胞外聚合物（EPS）,研究EPS金属元素特性.结果表明,蛋白质（PN）是厌氧氨氧化颗粒污泥EPS的主要成分,占EPS含量的84.2%以上.随着粒径的增大,EPS中Na、K、Ca、Mg元素含量均增多,且与EPS中蛋白质含量变化一致.EPS中K、Ca、Mg元素的离子形式占比分别为68.6%、56.2%、94.7%.EPS经过阳离子交换树脂（CER）处理后,0.5~1.4mm、1.4~2.8mm、>2.8mm组EPS Zeta电位分别减小了4.7,7.2,9.1mV,EPS中的金属离子可通过压缩双电层作用促进颗粒污泥的聚集,金属离子对大粒径颗粒污泥EPS Zeta电位的影响幅度更大.     

厌氧氨氧化颗粒污泥胞外聚合物金属元素特性

为探究厌氧氨氧化颗粒污泥胞外金属元素特性,将厌氧氨氧化颗粒污泥根据粒径筛分为0.5~1.4mm、1.4~2.8mm、>2.8mm 3组,提取不同粒径厌氧氨氧化颗粒污泥胞外聚合物（EPS）,研究EPS金属元素特性.结果表明,蛋白质（PN）是厌氧氨氧化颗粒污泥EPS的主要成分,占EPS含量的84.2%以上.随着粒径的增大,EPS中Na、K、Ca、Mg元素含量均增多,且与EPS中蛋白质含量变化一致.EPS中K、Ca、Mg元素的离子形式占比分别为68.6%、56.2%、94.7%.EPS经过阳离子交换树脂（CER）处理后,0.5~1.4mm、1.4~2.8mm、>2.8mm组EPS Zeta电位分别减小了4.7,7.2,9.1mV,EPS中的金属离子可通过压缩双电层作用促进颗粒污泥的聚集,金属离子对大粒径颗粒污泥EPS Zeta电位的影响幅度更大.     

温度对海洋厌氧氨氧化菌脱氮效能的影响

采用ASBR反应器,研究了不同温度对海洋厌氧氨氧化菌处理含海水污水脱氮效能的影响,并利用修正的Logistic模型模拟不同温度下海洋厌氧氨氧化菌的动力学特性.结果表明,在25~35℃之间,温度对反应器的脱氮效能影响不大,总氮去除率(TNRE)基本保持在(82±2)%,总氮容积负荷去除速率(TNRR)稳定在(0.62±0.01)kg·(m~3·d)~(-1);在20℃时,TNRE从起始的59%经过13d上升到79%,说明在此温度下,海洋厌氧氨氧化菌仍然具有较强的脱氮能力,反应器在较低温处理含海水污水具有较好的发挥潜能;然而当温度降到15℃和10℃时,反应器的脱氮效能受到明显的抑制,TNRE分别下降至(40±8)%和(11±4)%,TNRR也下降至(0.30±0.04)kg·(m~3·d)~(-1)和(0.08±0.03)kg·(m~3·d)~(-1).根据Arrhenius方程得到,在25~35℃时,海洋厌氧氨氧化反应的活化能为26 k J·mol~(-1),在10~25℃时,海洋厌氧氨氧化反应的活化能为76 k J·mol~(-1).此外,通过Logistic模型对海洋厌氧氨氧化脱氮进行动力学分析,得到不同温度下NRE和出水总氮浓度(ceff)的预测公式,相关系数R2在0.966 8~0.995 7之间.     

苯酚对厌氧氨氧化颗粒污泥脱氮性能抑制作用的研究

为了考察有毒有机物苯酚对厌氧氨氧化颗粒污泥活性的抑制作用,研究了不同苯酚浓度（50和100 mg/L）条件下厌氧氨氧化颗粒污泥对氨氮（${\rm{NH}}_4^ + $-N）和亚硝酸盐氮（NO2 −-N）去除率的影响,并综合胞外聚合物（extracellular polymeric substances,EPS）分泌情况和微生物群落变化趋势,分析颗粒污泥脱氮性能退化的原因。结果表明,苯酚抑制了厌氧氨氧化颗粒污泥的脱氮性能,当苯酚浓度为50和150 mg/L时,$ {\rm{NH}}_4^ + $-N去除率分别降低了15.05%和24.35%。苯酚刺激了颗粒污泥中微生物胞外聚合物的分泌,以抵御其毒性胁迫,当苯酚浓度为50、150 mg/L时,颗粒污泥的总EPS含量分别增加了43.62%和57.29%。苯酚导致厌氧氨氧化颗粒污泥中微生物群落发生变化,在苯酚浓度为50、150 mg/L时,厌氧氨氧化细菌所属的浮霉菌门的相对丰度由41.01%分别降至38.52%、33.84%。通过PICRUSt（Phylogenetic Investigation of Communities by Reconstruction of Unobserved States）预测分析发现,在苯酚胁迫下与厌氧氨氧化细菌相关的关键代谢通路受到了抑制,苯酚影响了与颗粒污泥脱氮性能相关的功能性细菌的代谢。     

温度对厌氧氨氧化反应器脱氮效能稳定性的影响

采用厌氧氨氧化反应器,通过氮去除速率的测定,研究了不同温度变化方式对反应器脱氮效能稳定性的影响.结果表明,温度在26～37℃之间变化时,氮去除速率在1.51～1.84 kg.(m3.d)-1之间波动.其中逐渐降温的氮去除速率变化幅度4.35%,比阶梯降温(氮去除速率变化幅度9.03%)更有利于厌氧氨氧化反应器脱氮效能的稳定.当温度低于20℃时,反应器氮去除会快速下降.特别当温度低于15℃时,反应器氮去除速率下降至0.55 kg.(m3.d)-1,同时出现大量的NO2--N积累,从而抑制厌氧氨氧化反应.对其进行线性拟合发现,低于20℃时温度与氮去除速率具有明显的线性关系.根据温度变化对反应器氮去除速率稳定性的影响,提出了厌氧氨氧化反应器快速启动及实现低温高效运行的控温策略.     

温度对厌氧氨氧化与反硝化耦合脱氮除碳的影响

采用ASBR反应器,研究了温度对厌氧氨氧化与反硝化耦合反应的短期影响.试验结果表明:耦合反应的活化能要小于单纯厌氧氨氧化反应的活化能,厌氧氨氧化与反硝化耦合反应可在一定程度上缓解低温对单纯厌氧氨氧化反应造成的消极影响,温度降低对厌氧氨氧化反应的影响大于对反硝化反应的影响.温度与耦合反应最大比反应速率的关系符合Arrhenius方程,在25~35℃时,耦合反应活化能为49.56kJ/mol,小于厌氧氨氧化反应的活化能66.18kJ/mol,且厌氧氨氧化反应为主导反应,对脱氮的贡献率约为61.29%.9~25℃时耦合反应的活化能为74.91kJ/mol,小于此温度梯度下厌氧氨氧化的活化能106.40kJ/mol,反硝化反应对脱氮的贡献率随温度的降低逐渐升高,9℃时,反硝化反应成为主导反应,对脱氮的贡献率约为75.10%.温度低于25℃时,反应器的容积氮去除速率(NRR)会受温度的影响.     

温度对SBR生物脱氮效能及胞外聚合物的影响

本实验以人工模拟废水为研究对象,采用3组SBR反应器(R_(15℃)、R_(25℃)、R_(35℃)),重点考察了温度对生物脱氮效能、胞外聚合物(EPS)含量及其组分[蛋白质(PN)、多糖(PS)和核酸(DNA)]的影响.结果表明,高温条件有利于促进亚硝酸型生物脱氮体系的建立,显著提高氨氮去除性能.温度对EPS及其组分具有显著影响.随着温度的升高,EPS和TB-EPS含量逐渐降低,而LB-EPS含量逐渐升高,EPS以TB-EPS为主(占69.0%~79.5%),但TB-EPS/LB-EPS比值随着温度升高逐渐降低[3.8(15℃)→3.6(25℃)→2.2(35℃)].在EPS,LB-EPS和TB-EPS中PN和DNA含量随着温度升高而降低,LB-EPS和EPS中PS含量随温度升高而增加.而TB-EPS中PS含量随温度升高而降低,且25℃是各组分浓度变化重要折点.在15℃和25℃时,PN为TB-EPS和LB-EPS的主要成分,PS次之,DNA最少,35℃时,PS成为主要成分,PN次之,DNA最少.此外,本研究也发现,在15℃和25℃时,EPS含量在硝化过程中逐渐增大,反硝化过程中逐渐降低.     

苯酚对厌氧氨氧化污泥脱氮效能长短期影响

通过接种厌氧氨氧化(ANAMMOX)污泥,研究了苯酚浓度对ANAMMOX污泥脱氮效能长短期影响.短期结果表明,随着苯酚浓度的增大,氮去除率快速下降.当苯酚浓度大于600 mg·L-1时,NH+4-N的去除率降低到6%以下,TN的去除率只有10%左右.长期实验结果表明,当苯酚浓度小于100 mg·L-1时,NH+4-N的去除率都能达到99%以上,说明低浓度苯酚对ANAMMOX菌有一个驯化的过程.当苯酚浓度高于400 mg·L-1时,NH+4-N的去除率只有23.59%,TN去除率只有50.3%,ANAMMOX污泥抑制明显,与短期结果相同.此时反硝化菌活性明显高于ANAMMOX菌,说明苯酚可作为有机碳源诱发体系中发生反硝化反应,最终导致反硝化菌在体系中占据主导地位.但高浓度(1 000 mg·L-1)苯酚对反硝化菌也具有抑制作用.通过拟合得到苯酚对ANAMMOX半抑制有效浓度(IC50)为71.57 mg·L-1.经过18 d的恢复后,NH+4-N去除率基本恢复,但氮素之间的转化计量式发生了改变,ρ(NH+4-N)去除/ρ(NO-2-N)去除/ρ(NO-3-N)生成为1∶0.86∶0.2.研究结果表明,将苯酚控制在合理范围内可以使反应器达到同步脱氮除酚的效果.     

典型重金属离子对厌氧氨氧化脱氮体系的影响研究进展

厌氧氨氧化工艺具有无须外加碳源、产泥量少和能耗低等优势,应用前景较为广阔.但厌氧氨氧化菌对环境条件敏感,阻碍了该工艺的推广应用.重金属离子是影响厌氧氨氧化工艺的重要环境影响因子,且不同种类、价态和浓度的重金属离子造成的影响存在较大差异.选取含氮废水中的4种典型重金属离子(Cu2+、Zn2+、Fe2+和Fe3+),综述了...     

厌氧氨氧化细菌和反硝化厌氧甲烷氧化细菌在岸边带土壤中的分布规律

厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,anammox)和反硝化厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,n-damo)的发现打破了人们长久以来对生物氮、碳循环的传统认识.厌氧氨氧化细菌(anammox bacteria)和反硝化厌氧甲烷氧化细菌(n-damo bacteria)在水生态系统均有分布,并且在全球氮、碳循环中发挥重要作用.但它们在岸边带土壤中的存在和分布还不甚清楚.因此,本文对湖泊岸边带土壤中厌氧氨氧化细菌和反硝化厌氧甲烷氧化细菌的存在和分布进行了研究.基于厌氧氨氧化细菌hzs B基因(联氨合成酶关键基因)和M.oxyfera-like细菌16S rRNA基因的序列分析,分别证明了厌氧氨氧化细菌和M.oxyfera-like细菌在白洋淀湖泊岸边带深层土壤中的共同存在.厌氧氨氧化细菌hzs B基因定量PCR结果显示,其主要分布在地下水位附近及以下部分(40~100 cm),而在表层(0~40 cm)土壤中未被检测到.M.oxyfera-like细菌16S rRNA基因定量PCR结果显示,不同深度的土壤均有M.oxyfera-like细菌分布,并且其丰度随着土壤深度的增加而递增.这些结果说明厌氧氨氧化细菌和M.oxyfera-like细菌在湖泊岸边带深层土壤中共同存在,并且有不同的分布规律.     

长期饥饿后厌氧氨氧化工艺的运行及恢复性能研究

为研究如何快速恢复在突发状况下长期断流的厌氧氨氧化工艺的活性,比较分析了3个厌氧氨氧化反应器的脱氮性能及微生物种群变化.分别为R1(生物滤柱)、R2(膜生物反应器,MBR)、R3(MBR),其中R1与R2进水基质浓度相同,R2与R3反应器形式相同,进水基质浓度不同.结果表明:R1、R2、R3中的厌氧氨氧化污泥分别经过39d、93d、76d得到恢复,总氮去除率分别恢复至87.0%、83.4%、87.6%,总氮去除负荷分别恢复至0.359,0.114,0.244kg/(m³·d).R1与R2相比,厌氧氨氧化生物滤柱能够承受较高的水力负荷,长期断流后具有较高的稳定性,且更容易恢复.R2与R3相比,在进水基质浓度较高的条件下,厌氧氨氧化菌具有充足的营养底物,且高基质水平形成的底物浓度压力更有利于提升氨氮与亚硝酸盐氮在污泥内部的传质效果,恢复效果更好.高通量测序结果表明,3个反应器在恢复前(后)CandidatusKuenenia的相对丰度分别为17.3%(32.0%)、1.6%(2.6%)、1.8%(6.0%),恢复后R1中相对丰度最高.     

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%.     

厌氧铁氨氧化处理模拟垃圾渗滤液的影响因素研究

厌氧条件下,微生物将NH~+_4-N氧化和Fe~(3+)还原的反应称为厌氧铁氨氧化(Feammox).试验以处理垃圾渗滤液的厌氧氨氧化污泥(ANAMMOX)为接种污泥驯化Feammox污泥,研究了不同NH~+_4-N及Fe~(3+)浓度对Feammox系统的影响,并采用扫描电镜(SEM)分析了Feammox系统不同运行阶段的污泥形态特征.结果表明:在厌氧序批式反应器中,在常温条件下控制进水NH~+_4-N浓度为50 mg·L~(-1)、pH在7.4～7.6之间,经过88 d厌氧富集培养后NH~+_4-N最大转化率达到52.73%,最大转化量为28.37 mg·L~(-1),出水Fe~(2+)浓度随着运行时间的增加逐渐增加,最高浓度为2.87 mg·L~(-1).高浓度NH~+_4-N(400 mg·L~(-1))和Fe~(3+)(500 mg·L~(-1))条件下,氨氮转化量分别达到了40.69 mg·L~(-1)和29.23 mg·L~(-1),说明高进水基质条件下仍然有Feammox反应发生.低浓度NH~+_4-N(100 mg·L~(-1))和Fe~(3+)(50 mg·L~(-1))条件下,NH~+_4-N转化量与Fe~(2+)生成量的线性关系较强,R~2分别为0.86544和0.86034.通过SEM分析可得,Feammox污泥表面附着有不规则矿物,这些矿物沉积在微生物细胞表面阻碍传质,从而降低微生物代谢效率.     

铁离子对厌氧氨氧化反应器性能的影响

考察了铁离子对厌氧氨氧化反应器性能的影响.研究发现,经过205d的连续培养,添加铁离子可提高反应器的基质转化能力,铁离子浓度为0.075 mmol·L-1时,反应器对NH4+-N和NO2--N的最大去除速率分别为对照(铁离子浓度0.03 mmol·L-1)的1.8倍和1.6倍;添加铁离子可促进厌氧氨氧化菌生长,以NO3--N产生量和挥发性固体浓度(VS)表征厌氧氨氧化菌生长,铁离子浓度为0.075 mmol·L-1时,细胞生长量为对照(铁离子浓度为0.03 mmol·L-1)的1.36倍;试验反应器的VS是对照的2.15倍.添加铁离子可引起厌氧氨氧化菌细胞结构改变,细胞内产生不明灰色区域.试验还证明,厌氧氨氧化菌对铁离子的需求量相对较大,原有厌氧氨氧化菌培养基的铁含量相对不足.     

盐度变化对厌氧污泥胞外聚合物的影响

为探讨盐度变化对厌氧污泥胞外聚合物的影响,采用三维荧光(3D-EEM)和傅里叶变换红外(FTIR)技术,研究了不同盐度下升流式厌氧污泥流化床(UASB)中污泥的松散结合型胞外聚合物(LB-EPS)与紧密结合型胞外聚合物(TB-EPS)的变化规律,并分析了LB-EPS和TB-EPS与污泥沉降性间的关系.结果表明,进水盐度由0逐渐增加至8%,厌氧污泥LB-EPS和TB-EPS含量分别由4.94和12.25 mg·g~(-1)(以VSS计)增加至41.47和43.04 mg·g~(-1)(以VSS计);LB-EPS和TB-EPS中蛋白(PN)和多糖(PS)含量的比值分别由3.2和3.8降低至1.8和2.3;污泥容积指数(SVI)与LB-EPS、TB-EPS均正相关;3D-EEM光谱显示,色氨酸蛋白和芳环蛋白荧光峰存在于不同盐度下LB-EPS和TB-EPS中,类胡敏酸荧光峰仅存在于盐度高于4%的TB-EPS中;FTIR分析表明,进水盐度的增加导致LB-EPS和TB-EPS中PS的C—O组分相对含量增加.     

有机物对厌氧氨氧化系统的冲击影响

接种稳定运行300余天的厌氧氨氧化污泥,通过批次试验,研究了不同浓度乙酸钠和不同种类有机物对厌氧氨氧化系统的冲击影响.结果表明:在初始NO2--N浓度为35mg/L左右,乙酸钠浓度为0~200mg/L时,乙酸钠的冲击不会抑制厌氧氨氧化菌的活性,且一定程度上促进厌氧氨氧化反应的进行,最大比氨氧化速率与乙酸钠浓度呈正相关性;不同有机物对厌氧氨氧化系统的促进作用不同,氨氧化速率从高到低依次为乙酸钠、蛋白胨、葡萄糖和淀粉;反硝化作用伴随整个反应过程,但硝态氮还原速率[0.0155~0.0442mgN/(L?min)]小于氨氧化速率[0.1090~0.1498mgN/(L?min)],因此厌氧氨氧化菌在系统中一直占主导地位.在有机物的冲击下,厌氧氨氧化反应可协同反硝化反应去除系统中的总氮,提高系统总氮的去除率,从而改善出水水质.     

氨氮对反硝化型甲烷厌氧氧化细菌的影响机理研究

反硝化型甲烷厌氧氧化(Denitrifying Anaerobic Methane Oxidation,DAMO)是以甲烷为电子供体和唯一碳源,以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体的一种氧化还原反应,可用于废水脱氮,而氨氮是含氮废水中存在的主要形式.目前的研究认为主导DAMO过程的微生物主要有DAMO细菌和DAMO古菌.本文以DAMO细菌为优势菌种的系统为研究对象,通过短期和长期试验,从宏观和微观上研究了氨氮对该系统短期和长期的影响,并比较了不同pH体系下影响效果差异,揭示了相关影响机理.短期试验研究表明,氨氮对该系统的安全浓度为250 mg·L~(-1).当氨氮浓度为500 mg·L~(-1)时,对该系统的脱氮效率造成明显的抑制作用,并且随着浓度、时间的增加,氨氮对其的抑制效果增强;不同pH条件下抑制效果的差异对比发现,在碱性条件下,真正起抑制作用的是氨氮的质子化形式FA(Free Ammonia),在中性及酸性条件下,真正起抑制作用的抑制因子是离子化的NH_4~+.通过扫描电镜对系统中絮状污泥分析发现,在氨氮的短期抑制后,系统内的微生物出现了明显皱缩,丝状菌的数量增加;采用高通量测序技术分析了长期氨氮抑制后的系统,结果显示,系统内菌群结构发生较大改变,物种的多样性和丰度都大大降低.通过菌属分析认为,系统脱氮效率的降低是由于Methylomonas(甲基单胞菌属)数量的减少引起的.