厌氧反硝化生物反应器恢复启动过程中微生物群落特征分析

针对厌氧反硝化工艺在处置高浓度硝酸盐废液过程中难以连续运行的实际情况,系统研究了升流式污泥床（USB）反应器恢复启动过程中微生物群落变化过程。结果表明：采用原水NO3--N负荷的30%（710.7 mg·L-1）恢复启动23 d,NO3--N平均去除率为99%,比反硝化速率（RNO3-）从49.4 mg·（g·h）-1提升到170.7 mg·（g·h）-1（以VSS计）,提高了3~4倍。高通量测序分析发现,Halomonas（盐单胞菌属）、Pseudomonas（假单胞菌属）、Alcaligenes（产碱杆菌属）为脱氮的优势菌种,与启动初期相比,启动末期的相对丰度分别增长了35%、31%和14%。优势菌种的相对丰度与RNO3-之间存在一定的正相关性,RNO3-每增加1倍,优势菌种的相对丰度平均扩增6.7%。USB厌氧反硝化反应器可以快速恢复启动,具有较好的工程应用可行性和运行灵活性。     

基于好氧反硝化反应器的海水脱氮性能及动力学特征

以去除海水循环水养殖系统中硝酸盐(NO3--N)为目的,通过接种好氧反硝化细菌的方式构建海水好氧反硝化反应器,对其反硝化脱氮性能和动力学特征展开研究。研究结果显示,好氧反硝化反应器完成挂膜需要15 d。在有氧条件下,反应器对NO3--N浓度为30~150 mg·L-1海水具有良好的反硝化性能,NO3--N的去除率达到90%以上。批次实验结果显示：好氧反硝化过程呈现阶段性,NO3--N在整个过程中可被高效去除;NO2--N积累最大值随初始NO3--N浓度的增大而增大,且初始NO3--N浓度越高,NO2--N完全去除所需时间越长。采用Monod方程的微分方程模型,能够很好地拟合反硝化过程中NO3--N、NO2--N的变化趋势。该好氧反硝化反应器具有良好的脱氮性能,为解决循环水养殖系统NO3--N积累问题提供了新的思路。     

不同调控策略对CANON工艺快速适应氨氮浓度提升的影响

针对进水氨氮浓度变化会影响CANON颗粒污泥功能微生物间的协同导致系统不稳定的问题,通过接种常温下贮存2个月的自养颗粒污泥,并采用3种调控策略（维持HRT不变,快速提升氨氮浓度(R1);维持HRT不变,逐级提升氨氮浓度(R2);逐级提升进水氨氮浓度同时调整HRT,以125 mg·L⁻¹为进水氨氮增幅(R3)）,分别考察各种调控策略对系统适应275 mg·L⁻¹和400 mg·L^-1氨氮浓度的效能影响,探讨调控策略与污泥性能的关系及游离氨(FA)、溶解氧(DO)的影响。结果表明,污泥性能提升期,负荷变化最为平稳的策略R3率先适应进水氨氮浓度的提升,仅44 d内总氮去除负荷可达到3.5 kg·(m³·d)⁻¹;污泥性能成熟期,快速提升负荷的策略R1可缩短适应时间至25 d,总氮去除率稳定在80%以上,去除负荷达到5.3 kg·(m³·d)⁻¹。FA会影响功能微生物活性,策略R1在污泥性能提升期,FA浓度高达16.6~26.7 mg·L⁻¹,一定程度上抑制了好氧氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(AMX)的活性,导致系统适应期延长。在污泥适应高氨氮负荷过程中,比氨氧化速率(S_AOR)和比总氮去除速率(S_NRR)逐渐提高,污泥浓度和颗粒粒径逐渐增大。f值(Δ$ {\rm{NO}}_3^{-}$-N/ΔTN)可作为DO调节的重要依据,DO与氨氮去除负荷呈良好的正相关性。     

一株耐盐好氧反硝化细菌的分离鉴定及其脱氮特性

从处理高盐废水的生物接触氧化工艺成熟活性污泥中分离得到一株耐盐好氧反硝化细菌F10. 根据形态学特征、生理生化以及16S rRNA基因序列测定分析, 初步判定该菌株为盐单胞菌属(Halomonas sp.). 菌株能在盐度为3%~7%的培养基中良好的生长及脱氮, 最适盐度为3%(以NaCl计), 最适碳源为乙酸钠, 最适pH为7~8, 最适温度为30℃. 该菌株能利用NO3--N进行反硝化作用, 在盐度为3%的反硝化培养基中24 h内对NO3--N的去除率达到92.6%, 36 h基本完全去除。该菌株在3%盐度下表现出良好的异养硝化-好氧反硝化性能, 初始硝态氮浓度在270 mg/L时, 菌株的脱氮率可达90%以上, 氨氮的去除率可达75%以上, 脱氮过程中无NO2--N积累, 可实现同步硝化反硝化, 具有一定的工程应用价值。     

不同阳离子和碳氮比对反硝化性能及亚硝酸盐氮积累的影响

在序批式反应器(SBR)中,采用乙酸钠为碳源,通过硝酸钠和硝酸钙的交替投加、微量元素的投加以及碳氮比(COD/NO₃⁻-N)的改变,探究了不同控制条件对反硝化性能及NO₂⁻-N积累的影响,并分析了反应器中微生物种群演替特征。结果表明,在以乙酸钠为碳源的SBR中,Ca²⁺浓度过高会抑制反硝化。以NaNO₃为NO₃⁻-N来源时,硝酸盐氮还原率维持在50%左右;相同条件下,以Ca(NO₃)₂为NO₃⁻-N来源时,硝酸盐氮还原率仅有20%。反应器中补充适量磷元素后,硝酸盐氮还原率提高至62%,同时有少量的亚硝酸盐氮积累。当C/N比提高为4后,硝酸盐氮还原率大于98%,长期运行下亚硝酸盐氮积累率平均为83.8%。高通量测序分析结果表明,变形菌门和拟杆菌门在系统中占主导地位。NO₂⁻-N积累的关键功能菌属是Thauera菌属,其最高占比为17.25%。以Ca(NO₃)₂为NO₃⁻-N来源时,Thauera菌属占比仅为0.14%。以上研究结果为短程反硝化的快速启动和稳定运行提供参考。     

碳氮比对低温投加介体生物反硝化脱氮的影响

污水的生物脱氮效果受低温抑制,投加氧化还原介体有利于反硝化过程。采用规格相同的序批式反应器,使用人工配制硝酸盐废水和经过驯化的活性污泥,考察了不同碳源浓度(碳氮比)对低温(10 ℃)投加氧化还原介体1, 2-萘醌-4-磺酸(NQS)污水生物反硝化脱氮过程的影响。结果表明：当碳源浓度(以COD计)为150~400 mg·L⁻¹ (碳氮比为1.8~4.7)时,脱氮效率随碳氮比的升高而升高;当碳源浓度为400~550 mg·L⁻¹ (碳氮比为4.7~6.5)时,脱氮效率随着碳氮比的升高而降低;当碳源浓度为400 mg·L⁻¹ (碳氮比为4.7)左右时效果最好,总氮去除率最高为64.7%。对于脱氮速率,介体强化脱氮速率随着碳氮比的升高而升高。同时,探讨了投加介体污水生物反硝化脱氮的机理,发现投加介体降低了体系的氧化还原电位(ORP),有利于反硝化脱氮反应的进行。     

铁自养反硝化污泥富集培养过程中化学与生物作用的变化规律

铁自养反硝化技术在低碳氮比废水处理中具有安全性高、成本低廉等优势,但目前对其反硝化过程机理,特别是其中生物与化学作用的关系仍缺乏清晰认识。为此,以铁自养反硝化系统为研究对象,结合反应动力学,分析不同阶段活性污泥自养反硝化过程中生物和化学作用变化规律,以期探究该过程的脱氮机制。结果表明,铁自养反硝化过程脱氮效率和速率分别可达(87.0±1.8)%和0.12 kg·(m³·d)⁻¹。铁自养条件下,未经驯化的活性污泥在反硝化过程中,Fe(Ⅱ)氧化由化学作用主导,$ {{\rm{NO}}_{\rm{2}}^{\rm{ - }}}$-N还原由生物作用主导,且生物过程由自养反硝化和以胞外聚合物为底物的异养反硝化共同作用;经驯化培养,Fe(II)氧化的生物作用增强,与${ {\rm{NO}}_{\rm{2}}^{\rm{ - }}}$-N还原均由生物作用主导。以上研究结果可为铁自养反硝化脱氮技术的发展提供参考。     

SFBR工艺顺序进行硝化和反硝化的动力学研究

采用序半连续式反应器(sequencing fed-batch reactor,简称SFBR)对人工合成废水顺序地进行硝化和反硝化动力学进行了研究.硝化和反硝化所用微生物为活性污泥.反应器在不同的操作条件进行操作,获得了用于确定动力学常数的数据;获得动力学参数um=0.05 h-1,KNO=2.0 mg/L,y=0.47 mg X/mg N,a=0.001 h-1.类似地确定了反硝化动力学参数kD=0.01 h-1和KD,NO=0.4 mg/L.在一定范围内硝化和反硝化速率随着氨浓度和硝酸盐浓度的增加而增加.实验数据表明,硝化和反硝化的动力学符合Monod动力学方程.     

Denitrification of synthetic concentrated nitrate wastes by aerobic granular sludge under anoxic conditions

The aim of the present work was to determine the denitrification potential of aerobic granular sludge for concentrated nitrate wastes. We cultivated mixed microbial granules in a sequencing batch reactor operated at a superficial air velocity of 0.8 cm s⁻¹. The denitrification experiments were performed under anoxic conditions using serum bottles containing synthetic media with 225-2250 mg L⁻¹ NO₃-N. Time required for complete denitrification varied with the initial nitrate concentration and acetate to nitrate-N mass ratio. Complete denitrification of 2250 mg L⁻¹ NO₃-N under anoxic conditions was accomplished in 120 h. Nitrite accumulation was not significant (<5 mg N L⁻¹) at initial NO₃-N concentrations below 677 mg L⁻¹. However, denitrification of higher concentrations of nitrate (?900 mg N L⁻¹) resulted in buildup of nitrite. Nevertheless, nitrite buildups observed in present study were relatively lower compared to that reported in previous studies using flocculent activated sludge. The experimental results suggest that acetate-fed aerobic granular sludge can be quickly adapted to treat high strength nitrate waste and can thus be used as seed biomass for developing high-rate bioreactors for efficient treatment of concentrated nitrate-bearing wastes.     

压力环境下活性污泥的耐盐驯化过程

通过逐步提高盐浓度的梯度盐度方法驯化耐盐活性污泥,采用加压-常压对比实验,探讨活性污泥耐盐驯化过程中,0.3 MPa的压力环境对有机物降解规律、污泥脱氢酶活性及胞外聚合物（EPS）含量的影响。结果表明,经耐盐驯化的活性污泥在5%的高盐度环境下仍可达到75%以上的有机物去除率;当驯化盐度达3.5%及以上,加压耐盐活性污泥有机物去除率及污泥脱氢酶活性均高于常压,其优势更为突出。耐盐驯化过程中活性污泥胞外聚合物（EPS）含量较稳定,加压系统EPS含量低于常压,这可能是加压活性污泥法可以实现原位污泥减量的重要原因之一。     

硫自养反硝化去除地下水中硝酸盐氮的研究

研究实际地下水硫自养反硝化动力学过程,考察季节因素(温度)对动力学的影响,实验结果表明,地下水升流式硫自养滤柱反硝化动力学符合1/2级动力学模型,其反应速率常数受温度的影响很大,用阿仑尼乌斯方程计算硫自养反硝化活化能为80.38 kJ/mol。硫自养反硝化产生的硫酸根与反硝化掉的硝酸根离子呈线性相关。在地下水不经任何预处理的条件下,硫自养反硝化仍能有效地脱除地下水中的硝酸盐,反应器出水的pH值仍维持在中性范围。     

添加前处理垃圾渗滤液污泥反硝化效能及微生物学分析

以探究前处理垃圾渗滤液作为去除高浓度硝态氮外加碳源的可行性为目的,建立SBR系统R0、R1(分别以无水乙酸钠、前处理垃圾渗滤液+无水乙酸钠作为碳源),采用模拟高浓度硝态氮废水培养获得快速高效反硝化活性污泥,考察了其脱氮效能并进行了分子生物学分析。结果表明：在PLL添加体积分数为10%时,R1系统在2.5 h内可将硝态氮几乎完全去除,反硝化速率高达58.05 mg·(g·h)⁻¹,是R0系统的1.79倍;16S rDNA扩增子测序结果显示,R0、R1反应器内微生物种群类别较为相似,丰度位于前3位的优势反硝化菌分别为假单胞菌属(Pseudomonas)、陶厄氏菌属(Thauera)和Pannonibacter,但相对丰度存在差异;经qPCR测定,实验组R1中反硝化基因narG、nirK、nirS和norB的相对表达量显著高于对照组R0。前处理垃圾渗滤液作为外加碳源可以提高污泥反硝化活性。     

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。     

添加腐熟污泥对生活垃圾堆肥氮素转化与损失的影响

研究添加腐熟污泥对垃圾好氧堆肥过程中氮素转化与损失的影响,实验设置生活垃圾与腐熟污泥质量比分别为1∶1、2∶1和4∶1,以单独生活垃圾为对照,主要监测堆肥过程中固相（TN、氨氮、硝态氮和亚硝态氮）和气相（NH3和N2O）中氮素转化规律。结果表明：与单独生活垃圾相比,生活垃圾与腐熟污泥比例为1∶1和4∶1时,有机氮与TN损失明显减少;至堆肥结束4组堆体铵态氮与硝态氮相较于堆肥初期均有不同程度提高,其中4∶1组铵态氮与硝态氮提高最多,分别为32.3%和86.1%;亚硝态氮含量在整个堆肥过程中一直处于下降趋势;腐熟污泥的添加使物料堆肥过程中氨气和N2O的释放量随着腐熟污泥添加量的增加而减小。总体而言,由于腐熟污泥对氨气良好的吸附性能和其含有的大量亚硝酸盐氧化菌,加入堆肥后减少反硝化途径N2O的产生,从而减少生活垃圾堆肥过程中氮素损失和温室气体的释放。     

H2-MBfR反硝化效能及影响因素

氢自养反硝化因资源节约、无二次污染,是可持续的低碳污水处理工艺。为探究氢基质膜生物膜反应器(hydrogen-based membrane biofilm reactor)反硝化的快速启动及其脱氮性能,考察了不同进水浓度、pH、氢通量(J_m)等关键因素对H₂-MBfR反硝化过程的影响,分析了系统的微生物群落特征。结果表明：不同接种污泥14 d内反应器的反硝化效率均可稳定在98%以上,接种反硝化污泥更有利于快速启动;在氢气足够的条件下,通过提高进水NO₃^--N浓度和缩短水力停留时间(HRT),反应器运行负荷提高了3.3倍,系统维持稳定、高效的反硝化性能,相对于异养反硝化,可节省CO₂的理论排放量约为0.83~1.25 g(以NO₃^--N计);最佳初始pH在7.5左右,反硝化过程中亚硝酸盐的积累率最低;J_m与反硝化速率具有很好的一致性,提高J_m有利于提高反硝化效率。16s rRNA高通量测序结果表明,变形菌门Proteobacteria是H₂-MBfR系统中主导菌门,随着系统反硝化性能提升,该门类菌属达到47.5%。unclassified_f__Comamonadaceae、norank_f__Blastocatellaceae、Hydrogenophaga和Rhodobacter是H₂-MBfR系统中典型的反硝化菌属,在稳定期总丰度可达到46%左右。     

剩余污泥发酵产酸特征及基质释放规律研究

剩余污泥发酵既能实现污泥减量,又能获得污水生物脱氮除磷所需的挥发性脂肪酸VFAs等。采用序批式污泥发酵实验,在(30±1)℃的条件下,研究剩余污泥投配比对序批式污泥发酵系统污泥减量、产酸以及基质释放过程的影响,探索VFAs生成最大化的条件。实验结果表明:投加接种污泥不能明显提高序批式污泥发酵系统剩余污泥的减量效果,但可以改善污泥的产酸特性;当污泥投配比大于50%时,发酵过程中将出现2个VFAs浓度峰,且第二次峰浓度更大;较为理想的序批式污泥发酵投配比是60%~80%、发酵时间为5 d或25 d,前者VFAs表观转化率最大(约24%),后者发酵液中VFAs浓度最高(约600 mg/L);发酵过程中,NH4+-N总体呈上升趋势,磷浓度发酵5 d时达到最大值。     

Simultaneous nitrification, denitrification, and phosphorus removal in single-tank low-dissolved-oxygen systems under cyclic aeration.

Simultaneous nitrification and denitrification (SND or SNdN) may occur at low dissolved oxygen concentrations. In this study, bench-scale (approximately 6 L) bioreactors treating a continuous feed of synthetic wastewater were used to evaluate the effects of solids retention time and low dissolved oxygen concentration, under cyclic aeration, on the removal of organics, nitrogen, and phosphorus. The cyclic aeration was carried out with repeated cycles of 1 hour at a higher dissolved oxygen concentration (HDO) and 30 minutes at a lower (or zero) dissolved oxygen concentration (LDO). Compared with aeration at constant dissolved oxygen concentrations, the cyclic aeration, when operated with proper combinations of HDO and LDO, produced better-settling sludge and more complete nitrogen and phosphorus removal. For nitrogen removal, the advantage resulted from the more readily available nitrate and nitrite (generated by nitrification during the HDO period) for denitrification (during the LDO period). For phosphorus removal, the advantage of cyclic aeration came from the development of a higher population of polyphosphate-accumulating organisms, as indicated by the higher phosphorus contents in the sludge solids of the cyclically aerated systems. Nitrite shunt was also observed to occur in the LDO systems. Higher ratios of nitrite to nitrate were found in the systems of lower HDO (and, to less dependency, higher LDO), suggesting that the nitrite shunt took place mainly because of the disrupted nitrification at lower HDO. The study results indicated that the HDO used should be kept reasonably high (approximately 0.8 mg/L) or the HDO period prolonged, to promote adequate nitrification, and the LDO kept low (< or =0.2 mg/L), to achieve more complete denitrification and higher phosphorus removal. The above findings in the laboratory systems find strong support from the results obtained in full-scale plant implementation. Two plant case studies using the cyclic low-dissolved-oxygen aeration for creating and maintaining SND are also presented.     

Transport and reduction of nitrate in clayey till underneath forest and arable land

Transport and reduction of nitrate in a typically macroporous clayey till were examined at variable flow rate and nitrate flux. The experiments were carried out using saturated, large diameter (0.5 m), undisturbed soil columns (LUC), from a forest and nearby agricultural sites. Transport of nitrate was controlled by flow along the macropores (fractures and biopores) in the columns. Nitrate reduction (denitrification) determined under active flow mainly followed first order reactions with half-lives (t(1/2)) increasing with depth (1.5-3.5 m) from 7 to 35 days at the forest site and 1-7 h at the agricultural site. Nitrate reduction was likely due to microbial degradation of accumulated organic matter coupled with successive consumption of O2 and NO3- in the macropore water followed by reductive dissolution of Fe and Mn from minerals along the macropores. Concentrations of total organic carbon measured in soil samples were near identical at the two study sites and consequently not useful as indicator for the observed differences in nitrate reduction. Instead the high reduction rates at the agricultural site were positively correlated with elevated concentration of water-soluble organic carbon and nitrate-removing bacteria relative to the forest site. After high concentrations of water-soluble organic carbon in the columns from the agricultural site were leached they lost their elevated reduction rates, which, however, was successfully re-established by infiltration of new reactive organics represented by pesticides. Simulations using a calibrated discrete fracture matrix diffusion (DFMD) model could reasonably reproduce the denitrification and resulting flux of nitrate observed during variable flow rate from the columns.     

pH值对污泥发酵产酸的影响

利用剩余污泥厌氧发酵产生挥发性脂肪酸,可作为污水脱氮除磷的有机碳源,而pH值是发酵产酸过程中重要的控制参数.研究了不同pH值条件下剩余污泥厌氧发酵产酸过程中各参数变化规律,探索pH值对其过程的影响及其分析.结果表明,碱性条件有利于污泥发酵产酸过程,实验最佳条件是控制反应初始pH值为10.0,仅8d发酵挥发性脂肪酸浓度就达到8.90 mmol/L.此外,污泥在发酵过程中,酸性条件下NH4+-N和PO43--P的释放量均大于碱性条件.     

pH和硝化细菌浓度对氨氮氧化速率的影响

为实现氨氮氧化速率的提高,以污水处理厂A2/O工艺回流污泥为菌源,利用细菌发酵罐,通过间歇运行方式实现了硝化细菌菌群的筛选和富集。实验中通过调节系统pH值考察不同游离氨（FA）水平对氨氮氧化速率、亚硝酸盐积累和硝酸盐生成的影响,以及通过沉淀排水保留污泥,反应有效容积缩小,等同于污泥浓度提高的方式考察了硝化细菌浓度变化对氨氮氧化速率的影响。结果表明在一定氨氮底物浓度条件下适合的pH值是实现氨氮高速率氧化的重要条件,同时硝化细菌浓度是高氨氮氧化速率实现的物质基础。通过FISH检测,证明了所得培养物中,氨氧化和亚硝酸盐氧化细菌菌群（AOB和NOB）占有绝对数量优势。