低温下丝状菌膨胀污泥的微生物多样性

为探究低温下丝状菌污泥膨胀过程中微生物多样性的变化特征,实验采用低温-SBR反应器成功诱发污泥膨胀,并借助Illumina MiSeq高通量测序技术,考察了不同沉降性能下活性污泥微生物群落的整体变化特征、各特定菌群及特定菌属的变化特征.结果表明,在系统运行温度降至(14±1)℃后可成功诱发丝状菌污泥膨胀,SVI可恶化至663.99 mL·g~(-1),且膨胀后COD去除率和TN去除率仍能维持在90%和86%左右.低温下污泥膨胀的发生不仅会导致系统内微生物整体多样性和均一性的降低,使特定菌群中丝状菌群的丰度由0.49%增至26.04%,还会使脱氮菌群的丰度由21.04%减少至13.99%、除磷菌群的丰度由4.25%减少至1.93%.发现的5种丝状菌属中,以Thiothrix为代表的3种菌属的丰度递增,仅Haliscomenobacter的丰度递减;发现的19种脱氮菌属中,以Nitrosomonas为代表的5种菌属的丰度递增,以Nitrospira为代表的7种菌属的丰度递减;发现的8种除磷菌属中,Pseudomonas和Tetrasphaera的丰度递增,以Candidatus_Competibacter为代表的5种菌属的丰度递减.虽然污泥膨胀对微生物菌群结构产生较大影响,但不同泥样中始终存在的477个OTUs和227个菌属说明膨胀过程中反应器内主体微生物仍呈相对稳定状态.     

干旱寒冷地区氧化沟工艺活性污泥的菌群结构研究

为了探讨新疆干旱寒冷地区城市污水厂活性污泥的菌群结构特征,采用高通量测序技术对北疆5座城市污水厂活性污泥进行菌群分析。结果表明:5座污水厂基本可以达到各自的设计出水标准,其中3座污水厂运行中出现了污泥丝状膨胀。变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和绿弯菌门（Chloroflexi）是活性污泥的优势细菌门,相对丰度分别为30.65%~43.12%、21.15%~33.64%和5.02%~14.36%。放线菌门（Actinobacteria）在沉降性能良好的污泥中相对丰度为2.97%~6.17%,而在丝状膨胀污泥中相对丰度达到11.69%~15.64%。季节性膨胀污泥中微丝菌属（Microthrix）和黄杆菌属（Flavobacterium）相对丰度呈现出季节性变化,常年膨胀的污泥中腐螺旋菌属（Saprospiraceae_norank）为优势细菌属,相对丰度达到17.48%~18.30%。子囊菌门（Ascomycota）是丝状污泥膨胀中的优势真菌门,相对丰度达到56.60%~72.68%。研究结果可对干旱寒冷地区污水厂运行调控提供理论支撑。     

3种不同工艺切换下活性污泥菌群结构及代谢产物对污泥沉降性能的影响

均以乙酸钠为碳源,考察了AAO脱氮除磷(Ⅰ阶段)、AO脱氮(Ⅱ阶段)、好氧除碳(Ⅲ阶段)这3种工艺下污泥沉降性能的变化,追踪了污泥中微生物群落结构的演替、监测了微生物代谢产物的含量及组分变化,分析运行方式对污泥沉降性能变化的影响.结果表明,Ⅰ阶段沉降性能最佳,其次为Ⅲ、Ⅱ阶段.运行条件的不同,系统优势菌及菌群结构都发生了显著变化,其中Thiothrix的相对数量是影响污泥沉降性能变化的主导细菌.在接种污泥和Ⅰ阶段Thiothrix的丰度仅为0.08%和1.51%,Ⅱ阶段上升至9.41%,Ⅲ阶段降至4.29%.Ⅰ阶段的厌氧区对该菌的生长具有抑制作用,但Ⅱ阶段的缺氧区却刺激其优势生长.同时对比了3个系统中微生物种群多样性,Ⅰ阶段最高,其次为Ⅱ、Ⅲ阶段.缺氧区和厌氧区的引入导致系统功能与环境的复杂度增加,微生物群落多样性有所升高.胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)中各组分含量及三维荧光测定结果表明,微生物群落结构变化对EPS的组分及含量具有显著影响,进而导致污泥沉降性能改善或恶化的进程加剧,污泥沉降性能与松散附着胞外聚合物(loosely bound EPS,LB-EPS)中蛋白质/多糖的比值呈正相关.     

丝状菌污泥膨胀对脱氮除磷功能菌群的影响

丝状菌引起的污泥膨胀或生物泡沫是活性污泥法污水处理厂运行管理中经常碰到的异常问题,为确定丝状菌引起的污泥膨胀对脱氮除磷系统功能菌群的影响,采用形态学鉴定和Illumina MiSeq高通量测序对5座城市污水处理厂非膨胀期和膨胀期活性污泥、生物泡沫中关键微生物菌群分布特征进行分析研究.结果表明,污泥膨胀和生物泡沫主要由微丝菌(Microthrix parvicella)引起,膨胀期污泥和生物泡沫中微丝菌最高比例达6%和38%.主要脱氮除磷菌属为亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)、硝化螺菌(Nitrospira)、陶厄氏菌(Thauera)和Candidatus Accumulibacter phosphatis.膨胀期与非膨胀期相比AOB和聚磷菌相对丰度明显降低,最大变化比例为54%和47%,反硝化菌相对丰度显著升高,最大变化比例为73%;脱氮除磷菌群的波动变化受污泥膨胀的影响外,还与处理工艺及菌群的生理特性相关.     

处理垃圾渗滤液的SBR中微生物种群与污泥比阻

为了研究活性污泥法处理垃圾渗滤液时污泥过滤性能与微生物种群的关系,采用两组运行参数相同的SBR反应器对某垃圾焚烧发电厂的垃圾渗滤液进行处理,一组置于太阳光照下(SBR1),另一组置于室内黑暗处(SBR2).在运行过程中发现SBR1在第30~50 d出现了轮虫等捕食性后生动物,污泥比阻在第35 d出现下降;而SBR2在第40 d发生了丝状膨胀,污泥比阻一直上升.为了研究两组反应器中微生物种群的差异,取两反应器运行至第50 d的活性污泥进行高通量测序发现:SBR1真菌中Rozellomycota为优势菌门,相对丰度为83.71%.SBR2真菌中Basidiomycota和Trichosporon为优势菌门和菌属,相对丰度分别为99.84%和99.78%.SBR1中细菌丰度较SBR2高,Thauera是SBR1中主要细菌菌属,其相对丰度为39.35%;Planktosalinus、Thauera和Ottowia为SBR2中优势细菌菌属,其相对丰度分别为16.84%、16.23%和12.55%.SBR2中主要真菌和细菌菌属类型和丰度均与SBR1存在差异,可见活性污泥中的微生物种群结构是影响污泥过滤性能的主要因素,同时太阳光照会影响活性污泥反应器中的微生物种群结构.     

膨胀污泥中丝状菌的分离鉴定与特性分析

为了阐明膨胀污泥中的丝状菌种类和特性,利用培养法、显微镜检和分子生物学分析技术从城市污水处理厂的膨胀污泥中分离鉴定丝状菌,并对典型丝状菌进行特性分析.利用高氏一号培养基和淀粉培养基分离出的丝状菌可归入18个属,其中链霉菌属(Streptomyce)、细杆菌属(Microbacterium)属于放线菌门,其余均属于真菌.青霉菌属(Penicillium)、枝孢菌属(Cladosporium)、链格孢属(Alternaria)、曲霉菌属(Aspergillus)、毛孢子菌属(Trichosporon)在培养基上的出现频次较高.毛孢子菌、链霉菌、青霉菌和链格孢菌都能在pH中性或偏酸性条件下良好生长.高浓度的Na Cl能够抑制毛孢子菌和链霉菌,但对青霉菌和链格孢菌的抑制作用不明显.除毛孢子菌外,链霉菌、青霉菌和链格孢菌都可有效地利用蔗糖、淀粉和纤维素,碳源浓度增加会促进它们的生长.r DNA-ITS区高通量测序结果表明膨胀污泥中存在大量未知真菌.     

A2O工艺活性污泥中可培养丝状细菌的多样性

活性污泥法是应用最广泛的污水处理方法之一,但是由于丝状菌过度繁殖而引发的污泥膨胀是制约其发展的重大难题.本研究从A2O工艺城市污水处理系统的膨胀期活性污泥中分离培养出17株丝状细菌.对各菌株进行了16S rDNA测序和系统发育树分析,结果表明,这些分离的可培养丝状细菌均属于链霉菌属;利用rep-PCR指纹图谱技术进一步分析了所得菌种属内多样性,显示出活性污泥中链霉菌存在丰富的多样性.由于这些可培养丝状细菌与引起污泥膨胀的优势丝状菌(微丝菌)生理特征差别较大,不会在污水处理系统中过度繁殖,本研究向活性污泥中投加一定量的链霉菌分离菌株,发现部分菌株对污泥的沉降性能有明显改善作用,为污泥膨胀的防控提供了新的思路.     

棉秆炭调控对碱性镉污染水稻根际土壤真菌群落结构和功能的影响

为研究棉秆炭对碱性镉污染水稻根际土壤真菌多样性、结构及功能的影响,采用室外水稻盆栽试验,在土壤中添加了0、 1和8 mg·kg~(-1)的镉和炭土质量比分别为0%、 1%和5%的棉花秸秆生物质炭,以水稻成熟期根际土壤为研究对象,借助Illumina HiSeq高通量测序手段分析棉秆炭与镉污染条件对碱性水稻根际土壤真菌群落多样性、结构及潜在功能的影响,探寻不同土壤环境因子与真菌群落结构间的关联性.结果表明:①施用棉秆炭显著提高了土壤pH、速效养分和有机质等指标,并降低土壤中可还原态镉的含量(P0.05).②水稻根际土壤真菌菌门分布主要为子囊菌门、Aphelidiomycota门和壶菌门,占所有菌门的57%.菌属分布主要为被孢霉属、链格孢属和镰刀菌属.各处理间真菌群落α-多样性差异显著(P0.05).未添加棉秆炭处理下(C0),镉浓度的增加降低了土壤中壶菌门、被孢霉属和链格孢属的相对丰度和真菌多样性指数(Shannon指数).在不同浓度镉处理下(Cd0、 Cd1和Cd8),增加棉秆炭会降低真菌群落丰富度指数(Chao1指数)和Shannon指数.镉污染导致土壤中壶菌门相对丰度增多,却使子囊菌门丰度下降,施用棉秆炭可显著提升壶菌门的相对丰度(P0.05).镉污染使被孢霉属和链格孢属丰度下降,但是施用棉秆炭可使链格孢属相对丰度增多.增加棉杆炭施用量,土壤中会存在更多的内生菌、植物病原体和腐生菌;而镉污染程度增加会减少土壤中内生菌、植物病原体和腐生菌.③影响真菌群落多样性及结构的主要环境因子有土壤速效钾、有机质和pH.水稻土壤镉含量中占比最大的可还原态镉与轮形动物门、Aphelidiomycota门和子囊菌门呈显著正相关(P0.05),但与其它菌门呈负相关(P0.05).研究结果说明棉秆炭在碱性镉污染土壤微生态调控方面具有一定的作用.     

两次污泥颗粒化过程中微生物群落的动态变化

利用序批式反应器(sequencing batch reactor,SBR)培养好氧颗粒污泥(aerobic granular sludge,AGS),在此期间发生了AGS破碎现象,后经培养,破碎污泥再次变为成熟的AGS.因此,采用Illumina Mi Seq PE300高通量测序技术研究了两次污泥颗粒化过程中微生物群落结构变化的差异,以期揭示有利于AGS形成的优势菌属;此外,利用实时定量聚合酶链式反应(quantitative polymerase chain reaction,q PCR)探究了两次污泥颗粒化过程中硝化微生物的动态变化.结果表明,在两次污泥颗粒化过程中,胞外蛋白质和胞外多糖的含量均增加;氨氧化古菌(ammonia oxidizing archaea,AOA)在第一次污泥颗粒化过程以及AGS成熟过程丰度增加,氨氧化细菌(ammonia oxidizing bacteria,AOB)虽然在第一次污泥颗粒化过程中丰度降低,但是在AGS培养过程中其丰度都一直高于AOA;微生物群落多样性随着AGS的形成而降低;变形菌门(Proteobacteria)相对丰度明显增加,分别增加了12.29%和5.90%;某些属于变形菌门的属其相对丰度也增加,其中,Candidatus Competibacter在两次污泥颗粒化过程中相对丰度增加最明显,并且在成熟的AGS中呈现很高的相对丰度,达到14.20%.总的来说,胞外蛋白质和胞外多糖含量的增加,可能促进了污泥颗粒化;AOA和AOB可能共同参与了AGS的氨氧化作用;Ca.Competibacter的富集可能有利于AGS的形成.     

基于高通量测序分析的生物修复石油污染土壤菌群结构变化

利用高通量测序技术对微生物修复石油污染土壤过程中的微生物群落结构变化进行研究.结果表明,经修复处理的土壤微生物群落结构及多样性发生明显变化.利用生物强化修复处理(BA)的土壤中,微生物丰富度与均匀度明显降低,土著菌群受到抑制,外加变形菌门(Proteobacteria)成为主要的优势菌门,相对丰度由修复前的37. 44%增加为87. 44%.假单胞菌属(Pseudomonas)成为土壤中的优势菌属,丰度由2. 99%增加为76. 37%;进行生物刺激修复处理的土壤(BS)菌群丰富度和均匀度与原污染土壤相比略有降低.菌群结构组成上,原优势菌门变形菌门(Proteobacteria)丰度由37. 44%降低为10. 90%,厚壁菌门(Firmicutes)丰度由9. 16%增加为35. 32%,属水平上,原优势菌属微小杆菌属(Exiguobacterium)和原小单胞菌属(Promicromonospora)丰度由8. 49%和18. 96%分别降低为2. 19%和14. 97%,诺卡氏菌属(Nocardioides)和芽孢杆菌属(Bacillus)丰度由5. 56%和0. 29%分别增加至28. 95%和22. 70%,成为主要优势菌属.生物强化修复处理引起土壤菌群多样性和结构发生明显变化,生物刺激修复处理可基本保持土壤菌群结构多样性不被破坏,土壤菌群结构的稳定有利于石油烃的生物降解.     

好氧颗粒污泥形成过程与机理分析

以西安市第三污水处理厂氧化沟中的普通絮状活性污泥为接种污泥,人工配制的模拟生活废水为营养,表面气体上升流速为1.06~1.77 cm/s时,在SBR反应器中成功培养出了好氧颗粒污泥,SVI值由最初的168 mL/g逐渐降低至40 mL/g左右,污泥表现出了良好的沉降性能,同时,对COD、TN、TP的去除率分别达到了95%、96%和98%。研究认为,颗粒污泥的形成是一个微生态系统形成的过程,水力剪切力是其形成的一个重要影响因素,直接影响到好氧颗粒污泥微生物种群的结构和分布;从丝状微生物与微生态群落的关系分析,胶团菌与结构丝状菌之间相互依存,丝状微生物形成了絮体骨架,为絮体形成较大颗粒提供了必要条件。     

低温下活性污泥膨胀的微生物群落结构研究

采用水质参数指标测定和高通量测序技术,探讨了郑州某污水处理厂冬季间歇性污泥膨胀机制.结果表明该厂活性污泥的污泥容积指数(SVI值)的变化与季节温度变化有显著的负相关性,1~4月及12月易发生污泥膨胀,但是不影响出水水质.高通量测序技术分析发现污泥膨胀月份泥样的微生物群落结构要显著不同于未膨胀月份.该厂发生丝状菌污泥膨胀的优势丝状菌为腐螺旋菌科Saprospiraceae和黄杆菌科Flavobacterium.因此,低温导致活性污泥微生物群落结构变化是引起该厂活性污泥膨胀的原因.     

Type 0092丝状菌污泥微膨胀在短程硝化中的实现

利用Type 0092丝状菌不易引发污泥恶性膨胀的特点,本实验采用实际生活污水,以SBR反应器接种短程硝化污泥,考察了短程硝化状态下启动Type 0092丝状菌污泥微膨胀的特性,研究了系统启动与维持期间的污泥沉降性能、亚硝酸盐积累率(NAR)、污染物去除特性以及污泥菌群结构变化情况.结果表明控制DO为0. 3～0. 8 mg·L~(-1),F/M(以COD/MLSS计)=0. 24 kg·(kg·d)~(-1),按照交替缺氧/好氧模式运行(单周期3次,缺氧∶好氧=20 min∶60 min),能够启动Type 0092丝状菌污泥微膨胀与短程硝化耦合,系统SVI值维持在180 m L·g~(-1)左右,NAR一直维持在99%左右,COD和TN去除率能够分别提高约13%和5%,相较于传统全程硝化非微膨胀状态曝气量能节省约62. 5%.当交替缺氧/好氧模式变为单周期交替6次,缺氧∶好氧=10 min∶30 min,亚硝酸盐氧化菌(NOB)的活性会恢复,使短程硝化被破坏;低溶解氧、交替缺氧/好氧、低负荷是实现Type 0092丝状菌污泥微膨胀的关键因素,当负荷(以COD/MLSS计)大于0. 25 kg·(kg·d)~(-1)时,仅靠低溶解氧和间歇曝气无法维持污泥微膨胀状态.     

温度冲击引起的丝状菌污泥膨胀菌群特征

为探究温度冲击引起的污泥膨胀机理,以生活污水为处理对象,采用SBR工艺分别运行温度骤降系统和温度梯度降低系统,利用Illumina MiSeq高通量测序技术分析温度变化过程中微生物群落整体变化,并对膨胀阶段优势丝状菌类型进行解析.结果表明,温度骤降系统优势丝状菌为微丝菌(Microthrixparvicella),SVI值升高至291mL/g以上,温度梯度降低系统优势丝状菌为Eikelboom Type 0092型丝状菌,SVI值稳定维持在250mL/g,因此Eikelboom Type 0092型丝状菌适宜在温度冲击环境中生长繁殖.温度冲击方式不同导致菌群组成具有差异性,Proteobacteria相对丰度均值为39.3%,其占比在不同阶段变化较小.两个系统在污泥膨胀阶段Actinobacteria和Chloroflexi的相对丰度占比不同.各样本中与去除有机物相关微生物菌群丰度均值为13.6%,Nitrospira其相对丰度均值为2.48%,占NOB总含量80%以上.温度梯度降低系统发生的Eikelboom Type 0092型丝状菌型污泥微膨胀,其出水水质没有发生严重恶化,COD和NH₄⁺-N的去除效果均高于温度骤降系统.     

污泥微膨胀状态下短程硝化的实现

为了实现"低氧丝状菌活性污泥微膨胀"和短程硝化的结合,本试验采用SBR反应器,研究了在微膨胀状态下,短程硝化的启动方法和短程硝化启动过程中污泥沉降性的维持策略.分析了水质、pH、DO和温度等环境因素以及混合液流态、曝气方法和进水方式等运行条件对污泥沉降性的影响.结果表明,在pH处于7.2~8.0,温度处于20~25℃时,通过维持低溶解氧和准确控制曝气时间可以逐步在污泥微膨胀状态下实现短程硝化.系统运行160个周期后,亚硝酸盐积累率可从28%逐步上升到80%.通过改变进水体积交换率和辅助调节曝气量的方法可以有效维持活性污泥的沉降性.在污泥微膨胀状态下,VER在0.25~0.33适时调节,可控制污泥容积指数在150 mL/g附近小幅波动.在好氧阶段后期,会出现溶解态总氮浓度的小幅上升.     

污泥膨胀问题与序列间歇式活性污泥法

为了进一步探索污泥膨胀的影响因素,研究序列间歇式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor,简称SBR法）发生污泥膨胀的可能性。本文在参阅大量有关文献的基础上,系统地阐述了在普通活性污泥法中引起污泥膨胀的本质原因、影响因素和控制方法与措施。试验结果表明,虽然SBR法的底物降解过程是一个理想的推流式,它确实是活性污泥法中最不易发生污泥膨胀的工艺。但是,这并不意味着SBR法不可能发生污泥膨胀,通过大量试验发现,在低负荷和沉淀及闲置时间过长时．SBR法也会产生污泥膨胀。