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.     

部分亚硝化-厌氧氨氧化耦合工艺处理污泥脱水液

在缺氧滤床+好氧悬浮填料生物膜工艺中实现部分亚硝化,然后进行厌氧氨氧化(ANAMMOX),考察其对高含氮、低C/N污泥脱水液的处理能力.结果表明,亚硝化反应器在15~29℃、DO 6~9mg/L条件下,通过综合调控进水氨氮负荷(ALR)、进水碱度/氨氮、水力停留时间(HRT)等运行参数,可以调节出水(NO2--N)/(NH4+-N)的比率,能够较好地实现部分亚硝化反应以完成厌氧氨氧化.当进水ALR为1.16kg/(m3·d),进水碱度/氨氮为5.1时,出水(NO2--N)/(NH4+-N)在1.2左右,(NO2--N)/(NOx--N)大于90%,进入ANAMMOX反应器的氮物质去除率达到83.8%.     

高浓度含氮废水生物脱氮新工艺研究

采用厌氧氨氧化-UASB工艺处理高浓度含氮废水,这是一种全新的生物脱氮工艺。厌氧氨氧化-UASB反应器、厌氧氨氧化-UASB-生物膜反应器在相同的进水条件和温控条件下稳定运行,实现了对氮素的持续去除能力,NH4^＋-N、NO2^--N、TN去除率分别保持在99．9％、99．9％、90．0％以上,稳定运行阶段出水pH值均保持在8．5附近。NH4^＋-N去除量与NO2^--N去除量、NO2^--N生成量的比值可以指示厌氧氨氧化反应器性能的演变。ANAMMOX菌在生长过程中需消耗碱度,因此反应器内pH值的变化可以反映生物反应的相对强度。生物膜的培养有利于ANAMIVIOX菌积累,UASB-生物膜反应器运行效果明显优于不具有生物膜的普通UASB反应器。     

膜曝气生物膜反应器运行单级自养脱氮工艺功能型菌群特性研究

基于16S rDNA基因的分子生物学方法,对运行单级自养脱氮工艺的膜曝气生物膜反应器（membrane-aerated biofilm bioreactor, MABR)内的2个主要效应菌群(氨氧化菌和厌氧氨氧化菌)之间的协同作用关系和在生物膜上可能的空间分布进行研究.荧光原位杂交结果显示,试验的曝气生物膜主要存在2个明显的功能层,一个是靠近曝气膜和生物膜交界的氨氧化菌聚集层,另一个是靠近生物膜与水体交界的厌氧氨氧化菌聚集层.氨氧化菌和厌氧氨氧化菌群为曝气生物膜上的2个主要功能菌群,它们之间的合作共生和协同作用是膜曝气生物膜实现单级自养脱氮的基础.     

一种新厌氧氨氧化菌的16S rRNA基因序列测试

运用序批式试验测定厌氧氨氧化污泥的氨氮和亚硝态氮消耗量,求得厌氧氨氧化活性为9.84×10-4 mg·(mg·h)-1,厌氧氨氧化菌消耗NO-2-N与NJ 4-N之比为1.311;采用分子生物学方法从EGSB反应器颗粒污泥中提取细菌总DNA,经纯化、特异引物PCR扩增、克隆、测序等过程,得到厌氧氨氧化菌部分16S rDNA序列;通过系统发育树分析可以发现,在EGSB反应器中富集得到的厌氧氨氧化菌种(anaerobic ammonium-oxidizing Planctomycete cquenviron-1)与Candidatus"Anammoxoglobus propionicus"和Candidatus"Jettenia asiatica"同属,arnaerobic ammonium-oxidizing Planctomycete cquenviron-1与其他厌氧氨氧化菌基因序列的同源性最大为93%.结果表明,前期EGSB反应器富集得到了一种新型厌氧氨氧化菌,该菌株命名为anaerobic ammonium-oxidizing Planctomycete cquenviron-1.     

调整气水比优化高氨氮废水BAF一体化脱氮

为实现常温下高氨氮废水中氮的高效去除,选取8：1、12：1和15：1等3个气水比（GWR）条件,考察常温下曝气生物滤池（BAF）短程硝化-厌氧氨氧化（ANAMMOX）一体化自养脱氮工艺稳定运行的性能.研究结果表明：进水氨氮（NH₄⁺-N）浓度为400mg/L、回流比为1：1的条件下,GWR为15：1脱氮效果最好,氨氮去除率（ARE）达90%以上,总氮（TN）去除负荷为1.1kgN/（m³·d）,去除率达83%.GWR为15：1时,溶解氧（DO）为2.41~4.22mg/L,进水NH₄⁺-N转化为亚硝（NO₂^--N）量增加,ANAMMOX活性增强.对生物膜进行功能菌种实时荧光定量PCR（qPCR）分析得出,GWR为15：1时,ANAMMOX和氨氧化菌（AOB）两者丰度均最高,高达10¹² copies/g dry sludge以上,一体化脱氮效果最好.同时,研究表明提高GWR后ANAMMOX反应增强,而过程中无N₂O生成,GWR为15：1时,N₂O总释放量最小,释放因子为0.0012.     

不同填料UAFB-ANAMMOX反应器的脱氮效能

由于厌氧氨氧化菌增殖速率缓慢,对环境因素敏感,导致反应器启动时间长且运行不稳定. 以人工配水为研究对象,采用UAFB(升流式厌氧固定床)反应器,分别填充组合填料、聚氨酯泡绵和立体弹性纤维作为生物载体,对各载体的挂膜特征及厌氧氨氧化的实现与稳定特性进行了研究. 结果表明:与聚氨酯泡绵和立体弹性纤维相比,组合填料在快速启动反应器及运行稳定性上有较大优势,反应器启动时间为42d,稳定运行后期NH₄+-N及NO₂--N的去除率均达到90%以上,最大TN去除负荷(以N计)为1.239kg/(m3·d);并且组合填料挂膜效果较好,生物膜跟载体结合较紧密. 以聚氨酯泡绵为载体的反应器启动时间(66d)长,挂膜效果较差,膜易脱落;稳定运行后期NH₄+-N及NO₂--N的去除率分别大于90%与95%,最大TN去除负荷为1.268kg/(m3·d). 以立体弹性纤维为载体的反应器对ρ(DO)和ρ(基质)及水力冲击等环境因素较为敏感,运行效果不稳定,最大TN去除负荷仅为0.724kg/(m3·d).      

厌氧氨氧化过程中COD及pH与基质浓度之间的关系

分析了上向流厌氧氨氧化生物滤池中氮素化合物浓度、COD和pH变化规律以及ANAMMOX活性和生物量的分布规律,利用数理统计的方法研究了厌氧氨氧化过程中COD和pH与氮素基质浓度之间的关系.结果表明,溶解氧和氮负荷的共同作用使得ANAMMOX活性和生物量的分布沿滤层深度呈"山脊"状不均匀分布;异养反硝化的存在和H+的消耗使得厌氧氨氧化过程中COD和pH分别呈降低和升高趋势;100 mg/L以下的有机物浓度对厌氧氨氧化菌的影响不大,且COD和pH与基质NH4+-N浓度之间呈良好的线性相关关系.本试验中COD-NH4+-N和pH-NH4+-N拟合直线的斜率分别为1.113 8±0.052 2和-0.111 3±0.001 2,置信度为95%,平均相关系数R2分别为0.982 3和0.985 0.     

微气泡曝气生物膜反应器处理低C/N比废水脱氮过程

微气泡曝气生物膜反应器是微气泡曝气技术与好氧生物处理相结合的新型处理工艺.本研究采用微气泡曝气生物膜反应器在低气水比下处理低C/N比废水,考察了生物脱氮过程和性能,并分析了脱氮功能菌群变化.结果表明,通过低气水比(小于1∶2)控制DO浓度并降低进水C/N比,可以实现生物脱氮过程从同步硝化-反硝化向同步短程硝化-厌氧氨氧化-反硝化(SNAD)过程转变,并可获得较高的低C/N比废水生物脱氮性能. DO浓度低于1. 0 mg·L-1、进水C/N比为1∶2. 8时,SNAD过程成为生物脱氮的主要途径,TN平均去除率可达到76. 3%,TN平均去除负荷为1. 42 kg·(m3·d)-1,厌氧氨氧化过程对TN去除的贡献率为86. 0%.随着进水C/N比降低,生物膜中亚硝化菌群和厌氧氨氧化菌群的相对丰度逐渐增加,而硝化菌群和反硝化菌群的相对丰度逐渐降低.生物脱氮功能菌群变化与脱氮过程转变为SNAD过程相一致.     

两种修复模式下CAHs污染地下水的原位对照

为探究氯代脂肪烃（CAHs）污染地下水原位修复的长效性及环境的长期响应，选择华北某废弃化工厂污染区，开展了生物刺激、零价铁（ZVI）-生物刺激耦合中试对照试验，系统对比了2种修复模式下CAHs的降解效率及地下水生物化学参数的动态变化规律.结果表明，修复后长达4~5a内总CAHs含量均降至50 μg/L以下，耦合修复策略提高了CAHs的整体降解效率且未出现浓度反弹，同时可更快速地改善地下环境，为潜在降解菌的生长提供有利条件.两种修复方式对地下水细菌多样性的长期影响基本一致，均有利于向脱硫菌门Desulfobacterota和绿弯菌门Chloroflexi演化.最终生物刺激区总细菌数量高于耦合修复区约1个数量级，但后者地下水中的脱卤球菌属Dehalococcoidia数量（2.1~35）×10³copies/mL反而高于前者（8.3~9.1）×10³copies/mL，这更有利于CAHs的彻底脱氯.     

生物膜反应器-单宁酸铁处理低C/N废水的脱氮性能

采用生物膜反应器耦合包埋型单宁酸铁处理低C/N比废水,考察其脱氮性能,分析了生物脱氮过程功能菌群的变化,以及单宁酸铁强化脱氮的作用机制.结果表明,生物膜反应器耦合包埋型单宁酸铁,具有低C/N比废水高效脱氮性能.进水C/N比为1：2.7时,TN平均去除率可达80.0%,TN平均去除负荷为1.38kg/（m³·d）.生物膜反应器内随着进水C/N比降低,优势脱氮过程从同步硝化-反硝化过程向同步短程硝化-厌氧氨氧化-反硝化（SNAD）过程转变,厌氧氨氧化过程对TN去除的贡献率逐渐升高至76.2%,亚硝化菌群和厌氧氨氧化菌群成为优势生物脱氮功能菌群.包埋型单宁酸铁在生化处理后,通过吸附-催化氨氧化作用同步去除氨氮和亚硝酸盐氮,进一步提高TN去除性能.因此,耦合单宁酸铁强化生物膜反应器SNAD脱氮过程,是实现低C/N比废水高效脱氮新的有效途径.     

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.     

生物反应器填埋场场内脱氮机理小试研究

虽然相对于传统的填埋场而言,渗滤液回灌型生物反应器填埋场系统有利于促进填埋层微生物的生长,但并不能促进垃圾有机污染物的彻底厌氧降解,甚至会导致高浓度氨氮的积累而增加场外处理难度;为此,通过实验室动态模拟试验,进行了渗滤液回灌型生物反应器填埋场系统和脱氮型生物反应器填埋场系统对填埋垃圾的脱氮性能及脱氮机理的初步研究.结果表明,脱氮型生物反应器填埋场系统所提供的生物空间环境更有利于反硝化细菌的生长与繁殖,其反硝化细菌的数量始终比常规的渗滤液回灌型生物反应器填埋场系统高1～3个数量级;其氨氮去除效果达到90%左右,远远优于渗滤液回灌型生物反应器填埋场系统.     

纤维载体的生物膜CANON反应器的启动特性

为研究纤维载体在CANON工艺中的运行特性,同时接种亚硝化污泥及厌氧氨氧化污泥启动CANON反应器.结果表明经过85 d运行,成功启动了CANON反应器,NRR从0.09 kg·(m3·d)-1提升至0.9 kg·(m3·d)-1并能稳定运行,说明纤维载体有利于富集污泥,反应器内能维持较高的生物量.随着微生物的富集生长,生物膜变厚,反应器的能力提升,反应器中DO达到5 mg·L-1.利用微电极测得生物膜由表及里的DO梯度为0.32~0 mg·L-1,说明生物膜变厚,氧对生物膜的穿透力减弱,亚硝化微生物量降低.荧光定量PCR结果表明,启动前后NOB菌数量维持在较低水平,AOB菌的丰度增长不大,ANAMMOX菌细胞增长了一个数量级.     

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.     

苯酚对厌氧氨氧化工艺耦合反硝化的启动及脱氮性能的影响

研究了ANAMMOX耦合异养反硝化反应器的启动过程,考察了苯酚浓度对耦合反应器脱氮性能的影响.接种2L(占反应器有效容积的20%)挥发性悬浮固体(MLVSS)为6000mg/L的ANAMMOX颗粒污泥,在pH7.8、温度为25℃、HRT为1.5h的条件下经过86d的培养,ANAMMOX耦合异养反硝化启动成功.实验结果表明,在稳定运行阶段,NH4+-N、NO2--N和TN平均去除率分别为85.4%、86.1%和79.9%,TN平均容积负荷和TN平均去除负荷分别为2.63,2.10kg/(m3·d);ANAMMOX颗粒污泥外面包裹着苯酚反硝化菌;系统内异养反硝化与ANAMMOX存在协同和竞争关系.当苯酚浓度≥0.3mmol/L时,ANAMMOX菌的活性受到很大抑制,苯酚浓度的升高加剧了苯酚反硝化菌与ANAMMOX菌之间的竞争;从脱氮效果及系统稳定两方面综合考虑,当苯酚浓度为0.2mmol/L时,耦合效果最好,消耗的NH4+-N、NO2--N与生成的NO3--N之比为1:1.52:0.11.     

复合填料ANAMMOX系统脱氮效能及微生物群落研究

为实现厌氧氨氧化菌(AnAOB)的高效富集,于第26天和第95天在反应器内分别添加活性炭填料和组合填料,构建复合填料ANAMMOX (anaerobic ammonium oxidation,厌氧氨氧化)系统. 通过测定进出水NH₄+-N、NO₂?-N和NO₃?-N浓度变化,考察在不同时期添加填料对反应器脱氮效能的影响,并运用16S rRNA高通量测序技术考察污泥的微生物多样性和群落结构变化情况. 结果表明:①经过160 d的运行,成功构建了具有良好抗冲击负荷能力的复合填料ANAMMOX系统,且其稳定运行期间,TN容积负荷(NLR)和TN去除负荷(NRR)分别可达0.97和0.83 kg/(m3·d),化学计量比接近理论值1∶1.32∶0.26. ②复合填料ANAMMOX系统促进了AnAOB的富集,污泥颜色由初始的黑色逐渐转变为红褐色,并出现ANAMMOX颗粒污泥,复合填料表面有大量AnAOB聚集形成了红色生物膜. ③第160天时,AnAOB在系统中处于主导地位. 门水平分析发现,浮霉菌门的相对丰度由0.77%提至33.17%,绿弯菌门的相对丰度从9.17%提至22.65%,其他菌门的相对丰度降低;属水平分析发现,ANAMMOX菌种Candidatus jettenia和Candidatus brocadia的相对丰度分别为30.56%和1.93%. 研究显示,复合填料ANAMMOX系统可以维持反应器稳定的脱氮效率,同时能实现AnAOB的高效富集.      

崇明东滩夏季沉积物厌氧氨氧化菌群落结构与空间分布特征

为探索长江口崇明东滩表层沉积物中是否存在厌氧氨氧化菌以及厌氧氨氧化菌的群落结构与空间分布特征,以崇明东滩高、中、低潮滩夏季表层沉积物中总DNA为模板,PCR扩增沉积物样品中厌氧氨氧化菌特异性16S rDNA片段,通过克隆、测序,构建相应基因文库,将文库中有效克隆序列分别提交到GenBank中进行相似序列搜索,并利用MEGA5绘制系统发育树.分析结果发现,克隆序列CM-L-7和CM-L-18与已发现厌氧氨氧化菌Candidatus"Scalindua sp."同源性达98%,CM-L-13与Candidatus"Scalindua wagneri"同源性达94%,CM-M-6与Candidatus"Kuenenia sp."同源性达94%,CM-M-22与Anaerobicammonium-oxidizing planctomycete JMK-1的同源性达95%,CM-H-15与Candidatus"Kuenenia stuttgartiensis"的同源性达94%.表明,崇明东滩高、中、低潮滩表层沉积物中均存在厌氧氨氧化菌,但所属菌属不同,低潮滩以Candidatus"Scalindua"为主,中、高潮滩以Candidatus"Kuenenia"为主.相比之下,中潮滩厌氧氨氧化菌群落结构较为复杂.部分克隆序列与已发现厌氧氨氧化菌存在较大进化距离,表明崇明东滩可能还存在其他具有潜在厌氧氨氧化功能的细菌.     

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.     

长江口邻近海域沉积物中厌氧氨氧化细菌分布特征研究

海洋生态系统氮素循环对维持海洋生态收支平衡具有重要意义,由厌氧氨氧化细菌(anaerobic ammonia-oxidizing bacteria,ANAMMOX Bacteria)推动的厌氧氨氧化过程是海洋氮素移除的重要途径.本研究采用荧光定量PCR(q PCR)技术,并结合环境理化因子,分析了2011年夏季长江口邻近海域沉积物中厌氧氨氧化细菌的种群丰度分布特征.结果表明,厌氧氨氧化细菌的种群丰度在长江口邻近海域的空间分布与环境因子密切相关,总有机碳含量、盐度、铵盐浓度对长江口邻近海域沉积物中厌氧氨氧化细菌的种群丰度具有重要调控作用.厌氧氨氧化细菌的丰度分布与总有机碳含量呈显著正相关关系(P0.01,r=0.69),同时又随亚硝酸盐浓度、溶解氧浓度的升高而降低,而盐度对厌氧氨氧化细菌丰度分布的影响较为复杂.