高效厌氧产甲烷颗粒污泥中微生物多样性及定量化研究

以小试高效厌氧反应器不同运行阶段的颗粒污泥为对象,利用变性梯度凝胶电泳(DGGE)、荧光原位杂交(FISH)和实时定量链式聚合酶反应(RTQ-PCR)等技术研究了其中微生物种群的多样性、特征微生物的空间分布和定量关系,结果表明:随着反应器有机负荷逐渐提高,颗粒污泥中古菌的群落结构的变化较细菌更为明显;细菌多分布在颗粒外层,而古菌则主要分布在颗粒内层;古菌含量略少于细菌,但有逐渐增多的趋势;产甲烷丝菌在古菌中的含量增加明显.     

EGSB反应器在20℃下处理啤酒废水的工艺及微生物学研究

在20℃下连续运行厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器,对其处理模拟啤酒废水的工艺运行、污泥特性及微生物种群结构进行研究,结果表明:①HRT为18 h,经184 d的运行,EGSB反应器的有机负荷(以COD计)可达10 kg/(m3·d),COD去除率为85%以上,去除1 kg COD可产沼气0.58 m3;②随有机负荷逐渐提高,颗粒污泥粒径逐渐增大,沉降性能逐渐提高,但当负荷达到10 kg/(m3·d)时,颗粒污泥平均粒径有变小趋势;与中温厌氧污泥相比,低温污泥的胞外多聚物(ECP)总量有较大增加,其中蛋白质含量增加明显;③与接种污泥相比,在20℃下运行不同时期污泥中产甲烷菌的种类未发生明显变化,但接种同样颗粒污泥在15℃下运行6个月后污泥中的优势产甲烷菌种发生了明显的变化.     

厌氧颗粒污泥中微生物种群变化的分子生物学解析

荧光定量-聚合酶链式反应(RTQ-PCR)与荧光原位杂交(FISH)技术对厌氧反应器内不同状态下颗粒污泥中微生物种群的数量变化与空间分布进行研究.结果发现,颗粒污泥中真细菌明显多于古细菌,但随着厌氧反应器有机负荷的提高,古细菌明显增加,其中产甲烷丝菌也明显增加;真细菌多分布生长在颗粒污泥的外层,而对环境条件敏感的古细菌多分布生长在内层,且随着反应器有机负荷的提高,这种层状分布的特点更为明显.     

降解五氯酚厌氧生物反应器微生物种群结构的分子特性研究

采用PCR—DGGE技术，对降解PCP厌氧生物反应器污泥颗粒化过程微生物种群结构的时空分布变化特性进行了初步研究．结果表明，随着PCP负荷增加与污泥的颗粒化，污泥真细菌、古细菌组成均发生明显变化．当反应器稳定运行时，反应器内上下层污泥微生物种群结构组成相似，真细菌相似性Cs在71．4～77．6之间，古细菌Cs在70．4～76．7之间．反应器一旦受污染物负荷冲击干扰，反应器上下层污泥真细菌组成相似性Cs降至43．3，古细菌降至35．2．测序表明，颗粒污泥中存在不可培养的脱氯细菌，优势产甲烷细菌为Methanosaeta concilii、Methanobacterium sp．、Methanobrevibacter sp．和Methanothfix soehngenii．     

厌氧折流板反应器(ABR)中微生物种群演替特征

采用SEM,FISH和PCR-DGGE技术对ABR(厌氧折流板反应器)各隔室中厌氧颗粒污泥进行分析,考察微生物形态、真细菌数量及种群结构演替过程,并对优势菌种进行了系统发育分析. 结果表明:ABR反应器颗粒污泥微生物中杆菌占优势,其中前端的微生物生长较好,活性高;沿反应器流程方向,各隔室微生物总量逐渐降低,真细菌相对丰度随之递减,其中1#隔室真细菌相对丰度最高,为65.9%,而5#隔室只有27.2%. 此外,ABR反应器前端以真细菌为主,而后端隔室古细菌含量升高,微生物种群随流程发生显著演替,但5个隔室间真细菌的Shannon-Wiener多样性指数没有显著性变化. UPMGA聚类分析表明,1#隔室与2#隔室的微生物群落相似性为77%,4#隔室与5#隔室的相似性为85%,3#隔室与其他隔室的相似性均较低,表明ABR反应器前端以发酵产酸作用为主,后端以产甲烷作用为主,ABR反应器具有明显的分阶段多相工艺特点.      

利用FISH和DGGE对产甲烷颗粒污泥中微生物种群的研究

利用FISH和DGGE技术对厌氧反应器内处于不同运行阶段的4个产甲烷颗粒污泥进行研究,考察其中真细菌和古细菌的种群结构,并对其中的优势古细菌进行系统发育分析.FISH结果表明,颗粒污泥中真细菌含量明显高于古细菌,真细菌主要分布在颗粒污泥外层,古细菌则主要分布在内层;DGGE结果表明,随着反应器COD负荷的增加以及运行时间的延长,真细菌种群结构相对较稳定,而古细菌种群结构则发生了较明显变化,其中占优势的古细菌种类逐渐减少;将有代表性的7个古细菌条带切胶回收并测序,结果显示,反应器运行后期占优势的菌种主要包括甲烷微粒菌(Methanocorpusculum)、甲烷杆菌(Methanobacterium)和甲烷髦毛菌(Methanosaeta)等.     

IC反应器处理制药废水的颗粒污泥驯化和快速启动

试验研究了厌氧内循环(IC)反应器处理化工合成制药废水时,颗粒污泥的驯化培养启动过程.IC反应器控制在中温条件运行,接种颗粒污泥取自处理味精废水的厌氧上升流式污泥床反应器,驯化开始采用葡萄糖基质与制药废水混合废水,然后很快转化为全部是生物难降解的合成制药废水.结果表明,采用高负荷、高进水浓度的启动控制条件,经历23d的启动运行,IC反应器的容积负荷达到5 kgCOD/(m3·d), COD去除率达到70%~80%.在容积负荷达到7.4kgCOD/(m3·d)时,COD的去除率仍可稳定在70%左右.IC反应器中的成熟颗粒污泥形状规则、密实、粒径大.扫描电镜观察发现,颗粒污泥中古细菌产甲烷鬓毛菌(Methanosaetaceae)占优势. IC反应器处理难降解废水在高负荷、高进水浓度条件下可实现快速培养驯化和启动.     

高钙废水颗粒污泥中古菌菌群结构变化的分析

为了解高浓度Ca~(2+)与颗粒污泥中古菌菌群结构的关系,利用高通量测序分析IC(Internal Circulation)反应器(以废纸造纸废水为处理对象)内不同高度处颗粒污泥中古菌菌群组成,并利用SEM(Scanning Electron Microscope)和EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)分析颗粒污泥的形态结构和元素组成,同时借助红外光谱和XRD(X-ray diffraction)分析不同高度处颗粒污泥化学结构中各官能团的分布情况和无机成分.结果表明,随着反应器高度的增加,颗粒污泥中的无机成分CaCO_3也随着增加,而种泥中钙含量只有1.81%.种泥和ICR反应器内的颗粒污泥中古菌在门分类水平上主要包括Euryarchaeota和Bathyarchaeota,两者之和占90%以上.在属分类水平上,主要包括Methanosaeta、Methanoregula、Methanobacterium、Methanosarcina、Methanolinea、Methanospirillum等.种泥中古菌的物种多样性要明显高于IC反应器中,在IC反应器中不同高度处古菌生物多样性由高到低的顺序是5 m2 m7 m,5 m处的古菌物种更加丰富.随着反应器高度的增加,乙酸营养型甲烷菌的相对丰度呈现递增趋势,氢营养型甲烷菌则呈现递减趋势,而种泥中氢营养型甲烷菌相对丰度较大.这表明颗粒污泥在高钙废水的长期作用下,氢营养型甲烷菌的相对丰度减少,乙酸营养型甲烷菌的相对丰度增多,系统中古菌物种的相对丰度和多样性有所下降.CaCO_3沉淀使颗粒污泥的产甲烷活性降低,主要表现为其对氢营养型甲烷菌具有较大的抑制作用.     

应用RAPD方法分析厌氧氨氧化污泥驯化过程中的微生物遗传性质

采用随机扩增多态性DNA(RAPD)方法研究了厌氧氨氧化污泥驯化过程中微生物遗传多样性的变化,并对接种物不同的3个反应器中的微生物作了聚类分析.在污泥驯化培养过程中,3个反应器内的微生物发生了较明显的遗传变异,以缺氧污泥接种的反应器中微生物在驯化过程中的Nei基因多样性指数和Shannon信息指数均较高,遗传变异较大.硝化污泥中存在与厌氧氨氧化细菌亲缘关系较近的菌种,更适宜作为接种物驯化培养厌氧氨氧化细菌.以好氧污泥作为种泥启动反应器,通过培养硝化污泥再转入厌氧氨氧化驯化,这种驯化途径优于以缺氧污泥和厌氧污泥启动反应器的途径.     

利用填料式EGSB反应器启动厌氧氨氧化研究

对EGSB反应器进行改型,采用填料覆盖式出水富集培养厌氧氨氧化菌,并考察了反应器的脱氮能力,厌氧氨氧化现象,污泥颗粒化情况以及微生物变化情况。从第80天开始,反应器运行稳定,出现厌氧氨氧化现象,经过160多天的连续培养,总氮容积负荷达到0.88 kg/(m3·d),氨氮、亚硝酸氮去除率均在85%以上,污泥颗粒化明显,大部分污泥颗粒粒径在0.2~2 mm。反应器富集培养物中厌氧氨氧化菌含量明显增长,优势菌种为Candidatus_Brocadia属。     

贫营养条件下IAMBR污泥微生物群落结构的演变

采用PCR-DGGE技术并结合系统处理效果研究了贫营养条件下IAMBR污泥微生物群落结构,结果表明:IAMBR污泥中总细菌多样性特征、相似性特征和种群归属特征具有高度的协同性.运行前18天,氨氮去除率由95%降至73%后增加至82%,同时SVI值由123.7mL/g升至135.2mL/g再降至128.4mL/g.微生物群落在试验末期演替剧烈,总细菌相似性指数下降到63.6%,SVI值最终升至132.5mL/g.通过克隆测序分析,IAMBR系统中微生物菌种大部分为未培养菌种,其中亚硝化螺菌属占据优势地位,说明贫营养环境对IAMBR微生物群落产生不良影响,污泥微生物功能性指向明显,即硝化功能菌占据优势地位.     

MBR活性污泥培养驯化过程中生物多样性研究

以MBR反应器启动调试阶段的活性污泥为主要研究对象,系统考察了传统活性污泥法(Conventional activated sludge,CAS)污泥接种至MBR反应器内污泥培养驯化过程中生物多样性情况及微生物群落结构的演变规律.同时,在传统污水污泥检测指标的基础上,对各阶段污泥中总细菌基因组DNA进行提取,应用PCR-DGGE分子生物学技术获得了相应的凝胶电泳图谱并进一步分析了菌群间的相似性.结果表明,以CAS污泥为接种污泥在MBR反应器内培养驯化过程中微生物的多样性变化突出,细菌群落结构演替明显,不同阶段菌群间的相似性说明了各阶段菌群的演变关系:污泥培养驯化是一个逐步有序的过程,微生物随反应器内不同时期及环境的变化而调整,逐渐演变成适应MBR工艺的群落结构.     

用生活污水在常温下培养厌氧颗粒污泥的研究

用COD为300mg/L左右的生活污水在常温下(>17·C)启动5L升流式厌氧污泥床(UASB)反应器.接种消化污泥5.6keSS/m3,初始有机容积负荷为0.6kgCOD/(m3·d),水力停留时间为8h.稳定后逐步增加有机容积负荷.一个月后即有颗粒污泥出现,50d后反应器达到稳定的处理效果.运行145d后,污泥中大于0.5mm的颗粒污泥占总重量的73.5％,最大粒径可达3mm,比重为1.07SVI在20左右,污泥中产甲烷菌主要是索氏甲烷丝菌.用颗粒化后的反应器处理生活污水时,水力停留时间可短至6～4h,当水温不低于17℃时,出水COD均低于100mg/L,可达到排放要求。      

处理含氮芳烃废水SBR生物反应器细菌多样性研究

为了研究处理含氮芳烃废水牛物反应器细菌多样性及含氮芳烃降解的微生物学机制.并为工艺改进提供依据,采集处理含氮芳烃废水生物反应器从启动到稳定高效运行过程中不同时期污泥样品进行PCR-DGGE分析.同时,从稳定运行期反应器污泥中富集培养了90株细菌,获得36株降解菌并对其中5株降解菌进行了芳烃双加氧酶活测试.结果表明,细菌种群结构自启动至稳定运行期变化明显,Acidobacteria(SBR1,SBR7)、Actinobacteria(SBR4)和a-Proteobacteria(SBR6)等类群细菌对含氮芳烃化合物降解可能起重要作用.小同研究微生物多样性方法存在各自倾向性,仅能反映细菌种群中的不同部分.在分离细菌中,Actinobacteria类群细菌为优势类群.通过对降解菌芳烃开环双加氧酶酶活分析,进一步了解了含氮芳烃在反应器内的降解机制.研究结果为含氮芳烃废水处理研究提供了一些有价值的参考依据,并丰富了含氮芳烃废水降解菌资源.     

A2O-BAF反硝化除磷工艺丝状菌膨胀的发生及控制

为了有效控制A2O-BAF反硝化除磷工艺处理实际生活污水时产生的丝状菌污泥膨胀,研究了有机负荷和冬季突然降温对丝状菌污泥膨胀的影响.结果表明:当有机负荷低于0.30kgCOD/(kgMLSS·d)时,系统中存在轻度的丝状菌污泥膨胀现象;当有机负荷高于0.55kgCOD/(kgMLSS·d)时,容易引发严重的丝状菌污泥膨胀,调节有机负荷可使丝状菌污泥膨胀得到有效控制.冬季突然降温也会导致污泥膨胀的发生,恢复温度后,污泥沉降性能恢复正常,丝状菌污泥膨胀亦得到有效控制.     

不同污泥接种方式一段式自养脱氮工艺的启动特征

采用人工模拟无机高氨氮废水(100-130mg/L),以亚硝化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥为接种污泥,采用两套相同的膨胀颗粒污泥床反应器系统,分别以同步接种和分步接种方式启动一段式自养脱氮工艺.结果表明,与同步接种反应器相比,分步接种反应器在初期适应性及反应器快速启动时间及脱氮能力方面更具优势.同步接种反应器的活性抑制期运行时间是分步接种反应器的2倍多,TN去除率更低;在活性提高期,分步接种反应器启动时间为40d,比同步接种反应器少8d;与同步接种反应器相比,分步接种反应器可更早进入稳定运行期且脱氮效果更好,NH_4~+-N和TN的去除率最高达到84.1%和68%,高于同步接种反应器的79.1%和65.1%.同时,分步接种反应器TN最大去除负荷为0.49KgN/(m~3·d),比同步接种反应器的0.45KgN/(m~3·d)略高.FISH结果进一步表明,一段式自养脱氮工艺启动成功后,AOB和AnAOB都是系统中的优势菌种,而主要干扰菌群NOB被成功抑制.     

不同好氧颗粒污泥中微生物群落结构特点

为了探讨活性污泥好氧颗粒化过程对微生物种群的影响、不同底物及不同颗粒化方法培养的好氧颗粒污泥中微生物群落结构的差异,以接种污泥、模拟废水好氧颗粒污泥和分别投加粉末活性炭和硅藻土的实际生活污水好氧颗粒污泥为研究对象,利用PCR-DGGE对比分析了接种污泥和好氧颗粒污泥中的微生物群落结构.结果表明:活性污泥好氧颗粒化过程会减少微生物种群多样性,影响颗粒污泥稳定性的细菌被淘汰,而聚磷菌、反硝化菌、难降解有机物降解菌等污水处理功能微生物都在颗粒化过程中得到保留.活性污泥好氧颗粒化过程中能够实现亚硝化细菌(AOB)一定程度的富集.与接种活性污泥相比,好氧颗粒污泥中AOB的多样性指数与均匀性指数均有提高.好氧颗粒污泥中的优势菌群主要分布于变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和未培养菌(uncultured bacterium).其中AOB均属于β-Proteobacteria的亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas).     

驯化对餐厨垃圾厌氧消化系统微生物群落结构的影响

为研究驯化对餐厨垃圾厌氧消化系统微生物群落结构的影响,在单相完全搅拌式(CSTR)反应器内,以农村户用沼气池污泥为接种污泥,进行了餐厨垃圾中温厌氧消化.反应器在3 g·L-1·d-1(以VS计)的负荷下成功启动,并连续45 d维持性能稳定,表明驯化成功.期间采用454焦磷酸测序技术分析了驯化前后系统内的微生物群落结构.结果表明,微生物群落结构与底物密切相关,驯化后细菌及古菌群落都发生明显变化.从细菌群落看,与复杂有机物降解相关的菌类显著下降(如梭菌纲(Clostridia)和(vadin HA17),而易降解碳水化合物发酵菌(如Petrimonas)和脂肪降解菌(如Erysipelotrichia)显著增加.这与餐厨垃圾易降解有机物含量高,且富含淀粉和脂肪相关.丰富的易降解有机物还使得反应器内总挥发性脂肪酸(VFA)浓度((2203±174)mg·L-1)远高于种泥水平((222.0±0.3)mg·L-1),这导致了产甲烷菌由乙酸型的甲烷鬃菌属(Methanosaeta,占85.01%)绝对主导转向氢营养型的甲烷螺菌属(Methanospirillum,占35.35%)、甲烷囊菌属(Methanoculleus,占9.89%)与之(46.97%)共同主导的局面.然而,驯化后Methanosaeta在非最优条件下依然保持主导地位,可见接种污泥的群落组成对厌氧消化系统群落结构的塑造也具有重大影响.     

升流式厌氧污泥床(UASB)常温启动试验分析

研究了升流式厌氧污泥床(UASB)反应器在常温下的启动过程。试验结果表明,在常温(21~29℃,属于低温厌氧)下,接种普通厌氧污泥,经过逐步增加反应器负荷,启动时长119天,出现部分细小污泥颗粒,运行稳定。此时,进水COD为5240mg/L,有机负荷13.14kgcod/(m3·d),COD去除率最高达77.73%。出现的细小颗粒污泥呈黑色,粒径在0.5~1mm。     

上流式厌氧污泥反应器(UASB)处理榨菜腌制废水的研究

针对榨菜废水高盐度、高有机物浓度的特点,使用UASB厌氧反应器对该废水进行处理,考察了进水盐度和pH值、接种污泥、处理负荷和反应器内温度、碱度、氧化还原电位等因素对COD去除率的影响,通过对进水中上述因素的控制,发现UASB反应器的COD去除率可以达到45%.在有机负荷不超过15.0 kgCOD/(m3 ·d)的情况下逐渐提高负荷培养颗粒化污泥、盐度不超过46.0 g/L条件下逐渐提高进水盐度以驯化和培养耐盐、嗜盐微生物,是UASB反应器高效运行的关键.运行后期,耐盐微生物出现在颗粒污泥中.