聚磷生物膜反应器磷负荷提升过程中微生物种群分析

在同步去除及富集磷酸盐的基础上,通过研究水力停留时间(8 h、6 h、4 h)及不同的进水磷浓度考察磷负荷对于反应器的运行效能和微生物群落结构的影响,探究生物膜反应器所能承受的最大磷负荷,并探究微生物种群与工艺性能的响应关系,获取高效生物膜驯化的最优进水磷条件,以及分析该条件下的种群结构.结果表明,在驯化阶段,在磷负荷低于0.18 kg·m~(-3)·d~(-1)时,磷负荷的提升不会影响磷去除率,磷去除率保持在98.3%;当磷负荷达到0.24 kg·m~(-3)·d~(-1)时,磷去除率下降到84.3%,但P_(rel)/C_(upt)依旧从最初的0.06上升至0.121.MiSeq测序结果表明优势菌门为变形菌门(Proteobacteria),从59.2%增长至83.5%,反应器中的优势聚磷菌科为红环菌科(Rhodocyclaceae),从11.8%增长至27.3%.在回收阶段,在保证好氧出水达标的情况下,磷酸盐浓度升高至56.4 mg·L~(-1),富集液浓度达到鸟粪石法回收磷的标准.通过增加进水磷负荷可使聚磷菌丰度提高,进而提高了回收液磷浓度.     

聚磷生物膜的快速启动及微生物特性研究

在同步去除并富集磷的基础上,探究采用前期不排泥、后期排泥的挂膜方式对聚磷生物膜反应器的运行效能、微生物特征及群落结构的影响.结果表明,经过驯化运行,聚磷生物膜的蓄磷能力明显提升.在挂膜阶段,生物膜厚度及EPS含量出现一定程度的增长;PN/PS上升至3.12,PN/PS比值增加有利于微生物粘附在填料上.在好氧出水达标的情况下,富集液中磷酸盐浓度提升至89.5 mg·L~(-1),达到了鸟粪石回收标准.高通量测序结果表明,经过富集培养,微生物群落多样性呈下降趋势,群落组成变化明显.优势菌门为变形菌门(Proteobacteria),其丰度从33.6%增长至75.3%;反应器中的聚磷菌属丰度明显增加,从11.8%上升至23.2%,红环菌属(Rhodocyclaceae)、UKL 13-1为反应器中的优势聚磷菌.     

好氧段碳源浓度对同步去除和富集磷酸盐生物膜的影响

利用聚磷菌以循环交替O/A模式运行,对生活污水处理厂的主流工艺中实现磷酸盐的同步去除和富集,探究了好氧段碳源浓度对聚磷生物膜去除和富集磷酸盐性能以及生物膜中微生物种群结构的影响.结果表明,好氧COD质量浓度从200 mg·L~(-1)降低到0 mg·L~(-1),吸磷速率提升1. 29倍,出水磷质量浓度稳定在0. 5 mg·L~(-1)以下;释磷速率提升3. 56倍,富集液磷酸盐质量浓度从27. 125 mg·L~(-1)升高到55. 91 mg·L~(-1).微生物群落变化中,鉴定为聚磷菌的变形菌门(Proteobacteria)的含量增加约2倍,红环菌科(Rhodocyclaceae)和厌氧绳菌科(Anaerolineaceae)的富集效果分别提高了2. 28和5倍.降低好氧段碳源浓度,有利于聚磷菌的筛选和富集,强化了好氧段磷酸盐的去除以及厌氧段磷酸盐的释放,获得了更高的磷酸盐富集液,并且为以资源回收为目的的未来城市污水处理厂提供降低好氧段碳源需求的理论基础.     

一种新型生物膜法除磷工艺中聚磷菌的富集培养过程

采用挂式尼龙作为生物载体的新型生物膜反应器处理合成废水,探讨短时间内在该常规生物膜上富集培养高浓度聚磷菌的可行性,并从反应器运行效率、除磷速率以及聚磷菌的富集状态等方面进行验证.反应器启动运行10 d后,好氧阶段正磷酸盐去除率稳定在95%以上,COD出水浓度均在50 mg·L~(-1)以下,并在该处理水平稳定运行了50 d.运行培养48 d后,吸磷及释磷速率由相同的3.4 mg·(L·h)-1分别提高到8 mg·(L·h)-1和6 mg·(L·h)-1,好氧和厌氧周期由相同的6 h分别缩短到2 h和3 h.运行培养50 d经荧光原位杂交法(FISH)测定,污泥中聚磷菌的丰度从原泥的48.96%提高到70%,杂交图中的聚磷菌以大块团聚态出现,由直接显微镜法测得生物膜厚度约为28.9μm,证明生物膜上聚磷菌群已处于动力学增长末期即生物膜已经成熟.经过50 d的强化培养,能够在常规尼龙填料上富集占总菌70%的高浓度聚磷菌,使得本反应器能高效去除污水中的磷与有机物.     

ABR-MBR耦合工艺启动及优化反硝化除磷性能

探究ABR-MBR耦合工艺在无污泥回流及在ABR各隔室接种高浓度(25g·L~(-1),以MLSS计)活性污泥条件下启动反硝化除磷性能的可行性以及反硝化除磷隔室内微生物群落特征.结果表明,通过逐步提升硝化液回流比(R)由0%至200%成功启动反硝化除磷性能.稳定运行过程中,系统对COD、 PO~(3-)_4-P和TN的平均去除率分别为88.28%、 54.45%和61.93%.在ABR进水容积负荷(以COD计,下同)为0.8 kg·(m~3·d)~(-1)、R为150%、 ABR和MBR的水力停留时间(HRT)分别为9h和3.3 h时,VFA平均产量为80.58mg·L~(-1)、回流硝化液的ρ(NO~-_2-N)/ρ(NO~-_3-N)平均为1.68,PO~(3-)_4-P和TN的平均去除率分别为64.94%和62.95%,实现短程硝化和反硝化除磷耦合.批次实验证明反硝化除磷菌(DPAOs)为ABR中主要除磷功能菌,厌氧释磷量和缺氧吸磷量分别为3.73mg·L~(-1)和10.22mg·L~(-1).高通量测序分析结果表明,除磷隔室内微生物的优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes),分别占23.49%～53.66%和16.55%～21.78%,与反硝化除磷有关的功能微生物主要是变形菌门下的索氏菌属(Thauera)、发硫菌属(Thiothrix)、假单胞菌属(Pseudomonas)、norank_f_Rhodocyclaceae和unclassified_f_Rhodocyclaceae,拟杆菌门中的鞘脂杆菌目(Sphingobacteriales).     

A2N双污泥反硝化除磷系统微生物的先间歇后连续培养及快速启动

以实际生活污水为对象,研究了反硝化聚磷菌(DPB)的驯化培养以及A2N双污泥反硝化除磷系统的快速启动.采用先独立培养反硝化聚磷菌和好氧硝化生物膜再连续运行的方式成功地快速启动了A2N系统.采用污水处理厂除磷工艺中的活性污泥为种泥,在SBR系统中以先A/O(厌氧,好氧)后A/A(厌氧,缺氧)的方式运行.32 d成功地使反硝化聚磷菌成为优势菌属.在SBR反应器中,采用硝化效果较好的活性污泥为种泥,好氧硝化生物膜30 d挂膜成功.氨氮去除率稳定在99%以上.然后.A2N系统连续运行,11d后系统反硝化除磷效果进入稳定状态,出水氨氮和正磷酸盐浓度均为O,硝态氮为10.26 mg/L,出水COD为19.56 mg/L,COD、氨氮、总氮和磷去除率分别为91%、100%、77%和100%,说明A:N系统具有很好的脱氮除磷效果,认为系统启动成功.     

不同填料下聚磷生物膜的驯化过程及性能

为解决磷资源短缺和磷污染的问题,开发了具有同步去除与回收高浓度磷酸盐效果的生物膜技术。选用尼龙和悬浮两种填料研究了聚磷生物膜的除磷性能及聚磷能力。结果表明:在除磷性能方面,尼龙填料的聚磷生物膜无论从驯化时间和处理效果方面都优于悬浮填料,在出水主要指标达到标准时(ρ(PO~(3-)_4)<0.5 mg/L,ρ(COD)<50 mg/L),尼龙和悬浮填料的除磷率分别为97.23%和83.6%;同时,在聚磷能力方面,通过SMT(surface mount technology)法测得尼龙和悬浮填料中的磷含量分别为112,86.50 mg/g,高于现有活性污泥中的磷含量。由扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)分析,发现尼龙填料驯化培养性能优于悬浮填料,且聚磷菌以球状菌为主。     

饥饿对硫自养反硝化反应器生物群落结构的影响

采用颗粒硫磺/白云石和黄铁矿/白云石自养反硝化反应器处理二沉尾水,探究饥饿忍耐对反应器去除效果、微生物群落变化的影响及其性能恢复时间.结果表明,在12~14℃的低温条件下,经过30 d的不进水饥饿忍耐后,颗粒硫磺/白云石和黄铁矿/白云石反应器出水NO_3~--N浓度分别从1.78 mg·L~(-1)、11.32 mg·L~(-1)增加到27.87 mg·L~(-1)、26.56 mg·L~(-1).颗粒硫磺/白云石和黄铁矿/白云石自养反硝化反应器分别在重启后的第5 d和11 d使得NO_3~--N去除性能恢复至饥饿前的水平,并且在低温条件下保持了良好的脱氮效果.MiSeq高通量测序结果表明,2个反应器的细菌群落的丰度和多样性饥饿期均低于恢复期,且优势菌门均为Proteobacteria,主要的纲类为β-Proteobacteria.硫磺/白云石反应器中鉴别出Thiobacillus菌属为主要反硝化类群.     

HN-AD菌生物强化接触氧化工艺处理猪场沼液

针对养猪废水采用传统工艺经厌氧发酵处理后,形成高氨氮低碳氮比沼液,导致脱氮效果差、工艺流程复杂、启动周期较长等问题.本研究以异养硝化-好氧反硝化(HN-AD)菌为生物强化剂,以PAN活性炭纤维作为填料的生物接触氧化池(BCO)为生物膜反应器,形成生物强化BCO工艺处理猪场沼液.前期污泥驯化阶段发现,NH_4~+-N浓度高于500 mg·L~(-1)时,污染物去除率明显降低,经HN-AD菌剂生物强化后,耐受NH_4~+-N浓度可高于600 mg·L~(-1)且能保持污染物的高效去除.采用HN-AD生物强化的BCO工艺处理真实猪场沼液,对NH4+-N、TN和COD的平均去除率分别为86. 9%、70. 5%和74. 4%,分别高于传统处理工艺的57. 6%、50. 3%和50. 0%,出水浓度均低于相关污染物排放标准.采用高通量测序技术研究了功能菌富集过程中微生物群落结构的变化规律,结果表明,生物膜内属于HN-AD菌的优势菌由Alcaligenes这一种菌属增加为生物强化后的Diaphorobacter、Acinetobacter和Thauera等多种菌属,且Acinetobacter菌属的相对丰度明显高于接种菌剂.扫描电子显微镜结果也进一步证实了生物强化的存在,紧密附着在填料上的生物膜层表面富集了以杆状和球状为主的HN-AD功能菌.     

盐度对EGSB反应器的运行及厌氧颗粒污泥的影响

高盐废水通常含有高COD浓度,难以处理,引用具有耐盐性能的生物反应器处理高盐废水成为必要.使用模拟高盐废水在3.267 kg·(m~3·d)~(-1)的COD容积负荷下,将Cl~-浓度逐步从0提升至10 000 mg·L~(-1),研究盐度对膨胀颗粒污泥床(expanded granular sludge bed,EGSB)反应器的影响.结果表明,Cl~-浓度小于7 500 mg·L~(-1)时,对微生物的抑制作用较低;Cl~-浓度为7 500 mg·L~(-1)时,反应器的COD去除率能保持在98.1%左右,容积产气率能够基本保持在1.3 m~3·(m~3·d)~(-1)以上,大粒径的厌氧颗粒污泥仍然占据体系的主体;当Cl~-浓度为10 000 mg·L~(-1)时,反应器中的厌氧颗粒污泥受到严重影响.采用高通量测序技术对0和5 000 mg·L~(-1)两个Cl~-浓度下的厌氧颗粒污泥的微生物菌群结构进行分析,结果表明,盐度影响了微生物的种群分布,在5 000 mg·L~(-1)的Cl~-浓度下,主要的优势菌属由Cl~-浓度为0时的Methanoregula与Longilinea变为Methanobacterium、Methanospirillum、Methanothrix和Paludibacter.     

胞外聚合物在生物膜同步去除/富集磷酸盐系统中的作用

以基于同步去除/富集磷酸盐的厌氧/好氧交替生物膜序批式反应器内生物膜为研究对象,研究了胞外聚合物（EPS）内磷含量形态及生物膜内微生物种群变化,探究EPS在生物膜去除/富集磷酸盐中的作用及其与微生物种群之间的联系.结果表明,生物膜反应器在厌氧外加COD为200 mg·L^-1的条件下富集到了磷浓度为120.95 mg·L^-1的富集液.EPS在生物膜吸/释磷过程中发挥重要作用,EPS磷含量占生物膜磷含量的69.16%~79.00%,³¹P核磁共振实验表明ortho-P为EPS内主要磷形态,占比为85.47%~88.60%.高通量测序结果表明生物膜内微生物种群变化明显,Candidatus_Competibacter为优势菌属,其丰度由1.23%增至38.87%,有利于形成更具粘性的EPS进而黏附在生物膜上,可能促进EPS在吸/释磷中发挥作用;暖绳菌科为优势聚磷菌,随实验温度升高,其丰度由5.29%减至4.90%.     

ABR除碳-CANON耦合工艺除碳脱氮特性

CANON工艺如能处理低氨氮城市生活污水,将大幅度降低市政污水处理能耗.故以纤维载体为填料,在CSTR反应器中同时接种亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥启动CANON反应器,且在CANON系统前端添加ABR除碳系统,构建ABR除碳-CANON耦合工艺,研究ABR除碳-CANON耦合工艺除碳脱氮性能,并采用MiSeq高通量测序技术分析污泥中微生物菌群结构的变化情况.结果表明,通过同时接种亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥,控制DO为0. 5～2 mg·L-1、HRT为6h、p H值为8左右等措施,在55 d内成功启动CANON系统,TN去除率为81%～87%,氨氮负荷为0. 195 kg·(m3·d)-1. ABR除碳系统出水有机物浓度(120 mg·L-1)不会对后续CANON系统产生不利影响,一体式ABR除碳-CANON工艺TN去除率在74%～87%,出水COD平均浓度为40 mg·L-1.同时,CANON系统启动后变形菌门(Proteobacteria)得到了显著提升,鞘脂杆菌纲(Sphingobacteria)所占比例下降为6. 8%,CANON系统中亚硝化菌和厌氧氨氧化菌不断淘汰劣势菌群成为反应器内优势菌群,一体化ABR除碳-CANON工艺对城市污水具有良好的脱氮除碳效果.     

进水C/P对SNEDPR系统脱氮除磷性能的影响

为了解不同进水C/P条件下同步硝化内源反硝化除磷(SNEDPR)的脱氮除磷特性.以实际城市污水为处理对象,采用延时厌氧(180 min)/低氧(溶解氧0.5~1.0 mg·L~(-1))运行的序批式反应器(SBR),考察了进水C/P(分别为60、30、20、15、10)对系统C、N、P去除特性的影响.结果表明:适当降低进水C/P(由60降至30)有利于提高系统内PAOs竞争优势.当C/P为30时系统除磷性能最高,厌氧段释磷速率(PRR)和好氧段吸磷速率(PUR,以P/MLSS计,下同)分别高达3.5mg·(g·h)-1和4.2 mg·(g·h)-1,出水PO3-4-P浓度均低于0.3 mg·L~(-1),且PPAO,An高达88.1%;但进一步降低进水C/P至10时,PO3-4-P去除率和PPAO,An分别由38.1%和82.4%降低至3.1%和5.3%,PRR和PUR分别仅为0.2 mg·(g·h)-1和0.24mg·(g·h)-1,系统表现出较差的除磷性能.降低C/P对系统COD去除性能没有影响,COD去除率稳定在85%左右.此外,当C/P由60降低至20时,系统硝化性能变差,表现为出水NH+4-N和NO-2-N浓度分别由0和6.9 mg·L~(-1)升高至5.1 mg·L~(-1)和16.2 mg·L~(-1);而当C/P进一步降低至10时,系统硝化性能得以恢复,但亚硝积累特性遭到破坏,表现为出水NH+4-N和NO-2-N浓度逐渐降低为0,但出水NO-3-N浓度由0.08 mg·L~(-1)升高至14.1 mg·L~(-1).SNED率先由62.1%降低为36.4%后又逐渐提高至56.4%.C/P低于15时,有利于提高GAOs的竞争优势,且C/P由20降至10时系统脱氮性能得以恢复,原因在于GAOs内源反硝化作用的增强.     

臭氧催化氧化-BAF深度处理抗生素废水效能及微生物群落结构分析

采用臭氧催化氧化-曝气生物滤池（BAF）组合工艺对抗生素废水二级生化处理出水进行深度处理，考察了组合工艺对废水污染物的去除效果，通过三维荧光光谱结合平行因子法（EEMs-PARAFAC）分析了废水中有机物的荧光变化特征，并利用Illumina MiSeq高通量测序技术对BAF中微生物菌群结构的变化进行研究.结果表明，在最佳运行条件下，抗生素废水COD平均值由232 mg·L^-1降至46 mg·L^-1，NH₄⁺-N平均浓度由12 mg·L^-1降至4.1 mg·L^-1，出水水质可稳定达到《发酵类制药工业水污染物排放标准》（GB21903-2008）.EEMs-PARAFAC从废水中解析出3类荧光组分，主要可归为腐殖酸（胡敏酸）、富里酸及其混合物，经组合工艺处理后荧光强度大幅下降甚至消失.Illumina MiSeq测序显示，污泥经抗生素废水驯化后微生物丰富度和均匀度明显降低，Proteobacteria（变形杆菌门）、Chloroflexi（绿屈挠菌门）和Firmicutes（厚壁菌门）是优势菌门，其中，Thiothrix（发硫菌属）、Thermomonas、Pseudoxanthomonas（假黄单胞菌属）和JG30_KF_CM45是降解抗生素类污染物的主要菌属.     

间歇曝气连续流反应器同步硝化反硝化除磷

采用连续流反应器处理生活污水,保持厌氧段格室为3格,将缺氧段格室从2格减少至0格,好氧段格室由5格逐渐增加至7格,Run1时对好氧段格室采用连续曝气,Run2～Run4时采用间歇曝气.曝/停比分别为:40 min/20 min、40 min/30min、40 min/40 min,硝化液回流比从150%逐渐减少至0%. Run4时,平均进水COD、NH+4-N、TN、PO_4~(3-)-P浓度分别为259. 34、60. 26、64. 42、6. 10 mg·L-1,出水COD、NH+4-N、TN、PO_4~(3-)-P分别为26. 40、1. 03、5. 84、0. 30 mg·L-1.反应器对氮素的去除量从Run1时的192. 30 mg·h-1逐渐增加至Run4时的244. 00 mg·h-1,相应地去除率从65. 40%逐渐增大至95. 30%;从Run1～Run4,反硝化聚磷菌和聚磷菌的活性分别从36. 05%和38. 20%增大至140. 50%和133. 40%;通过间歇曝气在连续流反应器中实现了同步硝化反硝化除磷脱氮,为污水处理厂提标改造提供参考.     

超低溶解氧条件下的EBPR系统除磷性能

实验采用两个交替厌氧/好氧(An/O)模式运行的SBR反应器,对不同溶解氧(DO)浓度梯度下EBPR系统除磷效果及工艺性能进行了为期127 d的研究.在未控制DO的对照组反应器R1中,好氧段DO≥6 mg·L~(-1),运行的前65 d内工艺除磷性能稳定,除磷率95.9%,出水总磷0.5 mg·L~(-1),但由于系统长期处于过曝气状态,65 d后除磷性能逐渐恶化,直至97 d后系统彻底失效,整个运行阶段(1~127 d)出水总磷一级A达标率为39.4%.对于实验组反应器R2,控制好氧段DO浓度分别为2、1、0.5、0.2、0.1 mg·L~(-1),各工况初期除磷性能均有小幅波动,但除磷率迅速回升,继而反应器达到稳定运行.统计发现,实验组反应器R2在整个运行阶段出水总磷一级A的达标率为94.6%,127 d内仅有6 d不达标,工艺性能远优于R1.DO=2 mg·L~(-1)系统的比吸磷速率接近最大值,而低DO条件对比吸磷速率影响较大.实验还发现,尽管由超低DO(0.1 mg·L~(-1))引起的有机物降解速率低导致系统发生污泥微膨胀,但出水总磷仍能100%达标排放,微好氧EBPR的节能除磷具有可行性.     

不同诱导模式下CAST工艺的亚硝酸盐型反硝化除磷能力

实验采用改良型CAST工艺,考察了不同诱导模式下系统的除磷脱氮性能.结果表明,在缺氧条件下投加亚硝酸盐对系统反硝化除磷性能的抑制作用较大,投加量为5 mg·L~(-1)时系统除磷性能变差.相比较,好氧投加亚硝酸盐的CAST系统更稳定,当亚硝酸盐投加浓度为5、10、15 mg·L~(-1)时各工况初期除磷性能均有小幅波动,但分别经过10、6、34 d驯化后,除磷率迅速回升并稳定在95%以上,出水磷浓度均小于0.5 mg·L~(-1);投加量为20 mg·L~(-1)时工艺除磷性能急速恶化,但污泥的亚硝酸盐型缺氧吸磷能力是驯化前的10.4倍,说明投加一定浓度亚硝酸盐导致的除磷性能恶化可以解除,且长期投加有利于富集以NO_2~-为电子受体的反硝化聚磷菌.实验还发现,好氧投加一定浓度亚硝酸盐系统污泥沉降性能良好且污泥浓度不断降低,这对污泥减量具有一定指导意义.