ANAMMOX体系中氨与硫酸盐的同步转化条件

在CFSTR(continuous flow stirred tank reactor)反应器中接种混合污泥(ANAMMOX污泥与污水厂浓缩污泥按1∶1混合)研究NH_4~+与SO_4~(2-)的同步转化,通过不断投加污泥令体系内ORP值稳定在(-200±50) mV,同步转化现象持续42 d,NH_4~+平均转化14. 81 mg·L~(-1),SO_4~(2-)平均转化8. 77 mg·L~(-1).在批试实验中通过溶液是否充满玻璃瓶来控制体系内厌氧条件,不充满组NH_4~+与SO_4~(2-)均降低,但两者的转化不同步;在完全充满组中NH_4~+不转化,SO_4~(2-)浓度下降明显,实验后期检测到S~(2-).分析认为同步转化现象产生的一般条件为NH_4~+和SO_4~(2-)基质充足,接种浓度适量的混合污泥,体系漏氧且ORP检测值在-150～-300 mV范围内.同时认为本文及相关研究中所使用的实验条件均不能证明NH_4~+与SO24-的同步转化是两者相互转化的结果,相反实验条件更利于NH4+与SO24-各自独立转化.     

硫酸盐还原氨氧化体系中基质转化途径

NH_4~+与SO_4~(2-)在接种ANAMMOX培养物的条件下发生同步转化的现象得到研究者的关注,并据此认为这是发生了以SO_4~(2-)为电子受体的NH_4~+氧化过程.然而在相关文献报道中存在着一些问题和疑惑.本文利用CFSTR反应器通过接种ANAMMOX微生物研究了NH_4~+与SO_4~(2-)同步转化特征,在进水除氧、非充满的密封条件下,NH_4~+-N平均转化50.8 mg·L~(-1),SO_4~(2-)-S平均转化量达4.5 mg·L~(-1),同时元素分析结果显示观察到的黄色固体不是单质硫而是含铁化合物;而在完全充满的批试反应器中,观察不到NH_4~+的转化,SO_4~(2-)发生明显转化,且转化速率与接种生物量有关.这两种条件下反应器中的ORP有很大的差异.通过分析论证,认为本研究及相关文献观察报道的NH_4~+与SO_4~(2-)同步转化很可能不是ANAMMOX微生物以SO_4~(2-)为电子受体氧化NH_4~+,而是各自独立的反应过程:NH_4~+的氧化是由于反应器运行过程形成的微氧环境所致,而SO_4~(2-)的转化是因微生物衰亡过程释放有机物导致的异养还原.这种转化途径可以澄清和解释相关研究中存在的问题和疑惑.     

我国北方四类土壤中氨氧化古菌和氨氧化细菌的活性及对氨氧化的贡献

氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)与氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)是目前已知的两类好氧氨氧化微生物,广泛分布于各类生态系统中.采用双氰胺(dicyandiamide;DCD)和1-辛炔(1-octyne)抑制剂的方法对我国北方湿地、草原、农田、沙漠4类生态系统的土壤中AOA和AOB的氨氧化速率(ammonia oxidation rate,AR)分别进行定量测定,剖析AOA、AOB对不同土壤中氨氧化的贡献.结果表明:在氨氮含量较高的湿地土壤((32.58±1.38)mg·kg~(-1))中氨氧化速率由AOB主导(ARAOB占AR的86.19%),而在氨氮含量较低的草原土壤((10.40±0.69)mg·kg~(-1))、农田土壤((5.09±0.25)mg·kg~(-1))中氨氧化速率则由AOA主导(ARAOA分别占AR的65.50%、62.20%).氨氮含量是影响AOA、AOB相对活性的主要限制性因素.湿地土壤中氨氧化速率最高,为3.22 mg·kg~(-1)·d~(-1)(以N计),其次是草原土壤和农田土壤,其AR分别为1.11、1.00 mg·kg~(-1)·d~(-1),沙漠土壤中未检测到氨氧化速率.对氨氧化古菌、细菌的amoA基因进行定量分析的结果表明:在氨氮含量最高的湿地土壤和最低的沙漠土壤((1.27±0.05)mg·kg~(-1))中AOA丰度高于AOB丰度,在草原、农田土壤中AOB丰度高于AOA丰度.amoA基因生物多样性分析表明,377个古菌amoA序列以85%相似度可以划分为19个独立操作单元(operational taxonomic unit,OTU),具有较高的生物多样性,其Shannon指数为1.51~1.73.直接通过氨氧化微生物amoA基因丰度来推测AOA、AOB的活性具有一定的缺陷,而依靠AOA、AOB分别的氨氧化速率能够准确地衡量其在不同生态系统中对氨氮去除的相对贡献,对于理解不同生态系统中氨氮去除过程和效应有着重要的意义.     

从亚硝酸还原厌氧氨氧化转变为硫酸盐型厌氧氨氧化

在UASB反应器内,研究了由亚硝酸盐型厌氧氨氧化转变为硫酸盐型厌氧氨氧化的过程及其微生物群落变化.结果表明,历时177 d成功实现了硫酸盐型厌氧氨氧化.进水氨氮和硫酸盐浓度分别为130 mg·L-1和500 mg·L-1下,反应器对氨氮和硫酸盐的去除率分别达到58.9%和15.7%,对氨氮和硫酸盐的去除负荷为74.3 mg·(L·d)-1和77.5 mg·(L·d)-1,氮、硫损失摩尔比约为2,出水p H值低于进水.污泥中细菌从以球菌为主转变成以短杆菌为主,菌群中细菌由Candidatus brocadia为优势种转变为以Bacillus benzoevorans为优势种.说明完成这两种厌氧氨氧化的优势菌不同,两种厌氧氨氧化并非同一种菌参与完成的.     

铁矿区内重金属对土壤氨氧化微生物群落组成的影响

以密云水库上游某铁矿区为研究对象,采用荧光定量PCR和变性梯度凝胶电泳(DGGE)分析了矿区内不同采样点的土壤中氨氧化微生物的数量和群落结构的变化,结果表明,土样中氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的数量变化范围分别为3.01×107~1.08×109copies/g干土和8.65×107~2.69×109copies/g干土.重金属含量与氨氧化微生物数量的相关性分析以及氨氧化微生物群落结构的冗余分析结果表明,该矿区内重金属污染改变了土壤中的氨氧化微生物的数量和结构.Cu污染对AOA的数量起到了显著抑制作用(r= -0.653*, P<0.05),但是对AOB则没有明显作用;Zn污染对尾矿库区域土壤的AOA/AOB比值影响显著(r= -0.606*, P<0.05);Cd污染改变了AOB的种群分布,降低了AOB的多样性水平.土壤中Cr长期干扰并没有改变氨氧化微生物的数量和结构,但是明显得抑制了氨氧化速率,表明重金属污染在一定程度上也影响了土壤生态系统的氮循环.     

影响硫酸盐型厌氧氨氧化反应建立的因素及关键问题

硫酸盐型厌氧氨氧化(SRAO)可在厌氧条件下,将废水中氨和硫酸盐转化为氮气和低价态硫而同时去除,为污水脱氮除硫提供了新的思路,但对该反应的建立与反应器的启动还认识不清。该文综述了近年来的国内外SRAO脱氮研究进展,分析了SRAO反应的可能机理、微生物菌群以及反应发生的影响因素,提出了SRAO建立的一些关键问题,讨论了氨氮与硫酸盐可能的转化方式,可为今后研究探索方向。     

艾比湖湿地盐节木根际土壤氨氧化微生物多样性和丰度及其与环境因子的相关性分析

氨氧化反应是硝化作用的关键步骤,参与这一反应的微生物是氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA).对新疆艾比湖湿地盐节木根际和非根际土壤的氨氧化微生物进行群落结构和丰度分析,并探究其与土壤理化因子的相关性.同时,以氨单加氧酶基因(amo A)为分子标记,构建克隆文库和测序并与q-PCR法结合研究AOA、AOB的群落结构和丰度,利用Pearson相关分析法探究其与环境因子的相关性.结果表明,根际土壤中AOB的多样性高于AOA,amo A基因序列多属于土壤/水体沉积物分支,AOB克隆文库中的所有序列均属于亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas).根际土壤中AOA amo A和AOB amo A的数量分别为2.09×104和2.91×105copies·g~(-1),AOB/AOA的比值为13.9;非根际土壤中AOA amo A和AOB amo A的数量分别为3.85×104和4.76×105copies·g~(-1),AOB/AOA的比值为12.36.相关分析显示,氨氧化微生物的群落结构和丰度与电导率(EC)、有机质(OM)、速效氮(AN)、氨氮(NH_4~+-N)和总氮(TN)等环境因子显著相关.这些结果表明,根际土壤中AOB的群落多样性高于AOA,根际和非根际土壤中AOB的丰度均高于AOA,说明在艾比湖湿地AOB是氨氧化微生物的优势种群,且EC、OM、AN、NH_4~+-N和TN可能会影响氨氧化微生物的群落结构和丰度.     

处理采矿废水湿地沉积物中厌氧氨氧化过程

氮元素在人工湿地生物地球化学循环中起到了重要作用,因此本文以处理采矿废水人工湿地为研究对象,分析了富硫、富铁沉积物中氨氮的厌氧转化过程及其主要途径.本实验以湿地沉积物为样品,通过添加氨氮和利用乙炔抑制剂的技术手段,探究了水铁矿对减少湿地氮流失的效果.结果发现了湿地中存在厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,ANAMMOX)以及厌氧氨氧化作用与铁还原耦合的作用过程(anaerobic ammonium oxidation coupled to iron reduction,Feammox).Feammox可以利用Fe(Ⅲ)氧化氨氮产生氮气,中间产物包括硝酸盐、亚硝酸盐、及温室气体N2O等.水铁矿的加入对Feammox过程有促进作用,使得Feammox过程主导的氨氮流失速率从1.69 mg·(kg·d)~(-1)增强到2.72 mg·(kg·d)~(-1),进而使得Feammox过程对氨氮流失的贡献率从28%增加到42%.但同时,水铁矿的加入使得ANAMMOX作用显著地降低,从而使得湿地系统总体氮流失可以减少约25%.研究结果表明水铁矿矿化形成针铁矿而抑制ANAMMOX过程、以及促进Feammox争夺硫酸盐型厌氧氨氧化过程(sulfate-reducing anaerobic ammonium oxidation,S-ANAMMOX)电子供体而抑制SANAMMOX过程,达到了减少湿地系统总氮流失的目的.另外,对于进一步认识湿地中铁的氧化还原循环过程同氮循环之间的交互作用具有一定的意义.     

利用RFLP分析DO对附积床系统中AOB群落结构的影响

为了解析DO浓度对附积床反应器脱氮系统中COD、NH4+-N、TN去除效率的影响,以及对氨氧化菌群(AOB)结构及多样性的影响,分析了DO分别为1.0~2.0,2.0~3.0,3.0~4.0mg/L时COD、NH4+-N、TN去除效率,并采用针对AOB功能基因氨单加氧酶(amoA)的限制性内切酶片段长度多态性技术(RFLP)分析了三组DO浓度下反应器中AOB的群落结构及多样性.结果表明,不同DO条件下,系统均取得较高的COD和NH4+-N的去除效果, NH4+-N的去除效率随着DO的增加而提高.不同DO浓度下反应器生物膜上AOB菌群多样性丰富,且与DO对AOB菌群的多样性影响较小相比,DO对AOB的菌群结构及种类的影响较大.     

厌氧氨氧化菌富集培养过程微生物群落结构及多样性

为深入理解厌氧氨氧化菌富集培养过程微生物群落变化特征,采用ASBR反应器进行厌氧氨氧化菌富集培养,考察了不同培养时间微生物群落组成、多样性及物种网络关系.结果表明,通过逐步提高基质浓度,实现了厌氧氨氧化菌富集,NH₄⁺-N和NO₂^--N去除率分别为97.6%和95.4%,总氮去除率为84.9%.高通量测序发现,整个培养过程优势菌门(相对丰度> 5%)为变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、浮霉菌门(Planctomycetes)、装甲菌门(Armatimonadetes)和放线菌门(Actinobacteria);富集培养获得的主要厌氧氨氧化菌为Candidatus Brocadia,相对丰度从1.42%增长到24.66%;培养过程,微生物群落优势菌群组成未发生变化,但相对丰度呈现显著差异(P <0.05).富集培养过程不同时间,微生物群落α多样性呈现先升高后降低的趋势,且存在显著差异(P <0.05)...     

半短程亚硝化与厌氧氨氧化联合脱氮工艺微生物特征研究进展

半短程亚硝化-厌氧氨氧化脱氮技术具有良好的发展前景,该工艺的发展以及应用分子生物学技术对好氧氨氧化菌种群和厌氧氨氧化种群生态学的研究备受人们关注.本文综述了工艺原理和影响因子诸如温度、pH值、氧的可利用性、游离氨浓度等对氨氧化菌及厌氧氨氧化菌的影响,并介绍了应用分子生物学方法对氨氧化菌与厌氧氨氧化菌的类别及分布的研究结果,并对该工艺提出了展望.     

常温下厌氧氨氧化污泥的储存及活性恢复

An AOB的缓慢生长严重限制了它的广泛应用,因此厌氧氨氧化污泥的长期储存和快速恢复的研究成为必然.本研究在室温(室温14~30℃)下,分别选择了15、30、45、60、75和100 d的储存时间,研究了无外加基质条件下,储存时间对厌氧氨氧化污泥活性以及恢复后活性的影响.结果显示,经过15、30、45、60、75和100 d的储存,污泥的比厌氧氨氧化活性(SAA)分别是储存前初始SAA的90.9%、64.3%、61.7%、43.2%、25.8%和19.3%.污泥的SAA随储存时间呈线性下降(R2为0.978).污泥恢复后的活性均高于污泥的初始SAA,分别为储存前的初始SAA的103.4%、129.3%、124.8%、111.7%和116.9%,储存了100 d的污泥恢复后的SAA虽未恢复到初始SAA水平,但也达到初始SAA的98.9%.试验结果表明,在长达100 d的常温储存后,厌氧氨氧化污泥的SAA(以N/VSS计)降为0.0513 g·(g·d)~(-1),经过9.5 d的恢复培养,污泥SAA仍能得到基本恢复.     

快速启动厌氧氨氧化工艺

为研究如何获得厌氧氨氧化的快速启动工艺,采用两种不同水力流态反应器:完全混合式膜生物反应器(MBR)和推流式厌氧折流板反应器(ABR),分别接种絮状硝化污泥,考察其厌氧氨氧化快速启动性能.结果表明:两种反应器均能成功启动厌氧氨氧化,MBR启动周期(90 d)比ABR(111 d)缩短20%;稳定运行期内,MBR总氮(NH_4~+-N+NO_2~--N)平均去除负荷[0.098 kg·(m3·d)-1]也明显高于ABR[0.089 kg·(m3·d)-1];此外,两个反应器中污泥形态差异明显,MBR中污泥呈絮状,而ABR第1隔室中以厌氧氨氧化颗粒污泥为主;NH_4~+-N、NO_2~--N和NO_3~--N之间的定量关系分析表明:相较于ABR,MBR能实现完全的生物截留,使得系统内含有更多种类的脱氮功能菌,有利于氮素的去除.MBR在厌氧氨氧化的快速启动方面表现出更明显的优势.     

On-line controlling system for nitrogen and phosphorus removal of municipal wastewater in a sequencing batch reactor (SBR)

The objectives of this study were to establish an on-line controlling system for nitrogen and phosphorus removal synchronously of municipal wastewater in a sequencing batch reactor (SBR). The SBR for municipal wastewater treatment was operated in sequences: filling, anaerobic, oxic, anoxic, oxic, settling and discharge. The reactor was equipped with on-line monitoring sensors for dissolved oxygen (DO), oxidation-reduction potential (ORP) and pH. The variation of DO, ORP and pH is relevant to each phase of biological process for nitrogen and phosphorus removal in this SBR. The characteristic points of DO, ORP and pH can be used to judge and control the stages of process that include: phosphate release by the turning points of ORP and pH; nitrification by the ammonia valley of pH and ammonia elbows of DO and ORP; denitrification by the nitrate knee of ORP and nitrate apex of pH; phosphate uptake by the turning point of pH; and residual organic carbon oxidation by the carbon elbows of DO and ORP. The controlling system can operate automatically for nitrogen and phosphorus efficiently removal. __________ Translated from Water & Wastewater Engineering, 2006, 26(5): 728–733 [译自: 给水排水]     

微生物电解系统生物阴极的硫酸盐还原特性研究

针对传统硫酸盐生物还原方法中供氢体系能耗大和氢气利用率低的特点,构建双极室微生物电解系统(microbial electrolysis system,MES),研究了微生物利用阴极作为电子供体去除废水中硫酸盐及电子利用的特性.外加电压为0.8 V时,MES生物阴极在36 h内SO2-4平均去除量为109.8 mg·L-1,平均还原速率可达73.2 mg·(L·d)-1.运行时MES的最高电流密度为50~60 A·m-3,电子回收率为(43.3±10.7)%,约90%的电子被用于还原SO2-4.微生物利用MES阴极产生的H2作为电子供体还原SO2-4,主要还原产物为溶解态的S2-和气态的H2S,还原过程主要发生在前12 h.对MES施加不同外加电压的实验显示,外加电压为0.8 V时的SO2-4去除率和电荷量都比0.4 V时高;但0.4 V情形下MES的电子回收率可达到70%,且周期结束时阴极H2低于检出限,推测微生物可以直接利用阴极的电子从而提高了能量效率.实验结果最终表明,微生物可利用MES的阴极进行代谢去除废水中的SO2-4,阳极微生物产生电子降低了系统能耗,这为含硫酸盐废水的高效低耗处理提供了新的研究思路.     

pH、ORP监控在亚硝酸型生物脱氮过程中的应用

目前亚硝酸型生物脱氮因为其节约能源和碳源备受人们的关注。国内外学者提出了多种实现及维持的控制途径,但仍存在一些问题。文章分析了pH、ORP作为亚硝酸型硝化过程控制参数的理论基础,并阐述了亚硝酸型生物脱氮过程中pH、ORP过程控制国内外研究现状和发展趋势。     

单级自养脱氮工艺氨氮去除途径研究

以SBBR单级自养脱氮系统的污泥为对象,采用不同的人工模拟废水为反应器进水,通过批式试验的方式研究了单级自养脱氮系统内的中间产物及氮素平衡情况,并探讨了氨氮的去除途径.结果表明,以仅含氨氮的人工模拟废水为进水,在未投加有机碳源的条件下,系统内62％的氨氮被转化为NO^-₂、NO^-₃、NH₂ＯH、N₂Ｈ₄、NO、NO₂、N₂Ｏ和N₂等一系列氮化合物,其中N₂占90.07％.单级自养脱氮系统内的氨氮是由多种途径去除的.4.5％的氨氮是在吹脱等物化作用下去除的,不超过3.73％的氨氮是通过传统的硝化反硝化途径去除的,53.77％的氨氮是由自养脱氮途径去除的,自养脱氮反应起主要的脱氮作用,且自养脱氮反应可以通过2条代谢途径来实现.但在足够NO₂存在并且缺氧的条件下,单级自养脱氮系统内的出水氨氮浓度与空白反应器相当,NH⁺₄并没有被亚硝化单胞菌以NO₂为电子受体氧化为NO^-₂和N₂等化合物而得以去除,可能是因为系统内不存在该类型的亚硝化功能菌.