基于不同接种污泥复合型厌氧氨氧化反应器的快速启动特征

为获得快速启动厌氧氨氧化的最佳污泥源及厌氧氨氧化颗粒污泥的快速形成工艺,采用本实验室自主研发复合型CAMBR反应器(厌氧折流板反应器(ABR)+膜生物反应器(MBR),分别接种厌氧颗粒污泥(R1)和絮状反硝化污泥(R2),考察不同接种污泥的厌氧氨氧化启动特征和颗粒化程度.结果表明,R1与R2反应器分别耗时45 d和60 d均成功快速启动厌氧氨氧化,其启动过程均可分为活性停滞期、活性提高期、活性稳定期3个阶段,但每个阶段氮素的去除规律略有不同,稳定运行期内,R1和R2反应器内NH_4~+-N和NO-2-N的平均去除率均高达95%以上;此外,R1反应器中形成了直径0.8~1.6mm为主的厌氧氨氧化红色颗粒污泥,R2反应器则以不规则块状和絮状为主,颗粒化程度较低,两个反应器内均可观察到红色颗粒污泥上浮现象;稳定运行期内NH_4~+-N、NO-2-N和NO_3~--N之间的定量关系分析表明:R1反应器内可能存在着硝酸盐型厌氧氨氧化,致使NH_4~+-N过量转化,R2反应器内则为典型亚硝酸盐型厌氧氨氧化.     

反应器类型及接种污泥对厌氧氨氧化工艺启动阶段的影响

厌氧氨氧化工艺启动周期过长,在实际应用推广中受到制约。为缩短厌氧氨氧化工艺启动时间,提高启动成功率,试验分别通过将两种来源的污泥分别接种在两个相同类型的UASB反应器,以及将相同污泥分别接种在不同类型反应器的方法,对厌氧氨氧化工艺启动阶段进行试验研究,探索能够缩短工艺启动周期、提高工艺启动成功率的有效措施。结果表明,增加机械搅拌装置、提高接种污泥的浓度及厌氧氨氧化菌落丰度指数,可以有效提高厌氧氨氧化反应器的耐浓度、耐负荷冲击性能,有利于厌氧氨氧化工艺的启动。     

接种不同普通污泥的厌氧氨氧化反应器的启动运行研究

采用 3套相似的小试UASB系统 ,分别接种普通厌氧颗粒污泥、普通厌氧颗粒污泥与好氧活性污泥的混合污泥以及河底污泥 ,以自配含NH 4 N和NO-2 N的废水为进水 ,分别经过 2 2 5d、2 2 0d和 2 5 0d的启动运行 ,均成功实现了厌氧氨氧化过程 ,氨氮去除率都达到 80 %以上 ,但在各反应器中由厌氧氨氧化过程所去除的氨氮与亚硝酸氮的比例有较大区别     

不同接种污泥ABR厌氧氨氧化的启动特征

采用两套相同的厌氧折流板反应器(ABR),分别接种厌氧絮状/颗粒污泥的混合污泥(R1)以及厌氧絮状污泥(R2).采用人工配水配制NH+4-N、NO-2-N负荷54.5~68.0 g·(m3·d)-1,在温度30~35℃,HRT为26 h,p H值7.5±0.5条件下,经过120 d、125 d分别成功启动厌氧氨氧化反应.两个反应器在氮素去除规律上基本相似,均经历了菌体水解期、活性停滞期、活性提高期和稳定运行期等4个阶段.在稳定运行期间,R1、R2反应器中NH+4-N、NO-2-N的平均去除率都高达90%以上,且NH+4-N、NO-2-N的平均去除负荷为57.3~67.9 g·(m3·d)-1,R1在NH+4-N的去除负荷上略高于R2.值得一提的是,90%以上的氮素都在ABR反应器的第一格室被去除.同时,随着水流的方向,污泥的颜色逐渐由少量红棕色、黄褐色向黑色转变,这与氮素去除规律一致.由此表明,接种污泥的不同并未造成ABR厌氧氨氧化反应器的启动规律和污染物去除特征有明显差异.     

混合污泥接种的厌氧氨氧化处理污泥脱水液的启动

采用UASB反应器,接种由好氧颗粒污泥、厌氧颗粒污泥、氧化沟活性污泥及短程硝化活性污泥组成的混合污泥,以污泥脱水液经短程硝化处理后水质为进水,在温度(30±0.2)℃, pH值7.3~7.9,初期进水氨氮、亚硝氮容积负荷分别为0.07, 0.10kg/(m3×d)条件下,经过24d运行,氨氮和亚硝氮得到稳定同步去除,186d时TN去除负荷达0.99 kg/(m3×d).启动初期,氨氮、亚硝氮进水浓度分别为20,30mg/L,二者浓度随去除量增加而逐级增加,最高分别达到157,216mg/L;启动过程中,系统受到O2抑制以及O2和亚硝氮基质的连续抑制,分别经过了约10d和30d才得以恢复. 厌氧氨氧化(ANAMMOX)反应与反硝化反应可以共存于系统中,产气量与总氮去除呈正比关系,可及时地指示系统运行状态,对气体成分检测,氮气含量在99.8%.在稳定期ANAMMOX反应呈pH值升高而碱度略有降低.接种混合污泥、低基质负荷启动ANAMMOX,可30d内实现稳定的氨氮和亚硝氮同步去除,180d左右启动成功.     

BTMT生物膜载体对厌氧氨氧化反应器启动的影响

采用两套厌氧氨氧化反应器R1和R2,研究了BMTM生物膜载体对厌氧氨氧化工艺启动特性的影响.结果表明,R1采用UASB反应器启动厌氧氨氧化反应器,经140d运行,对氨氮和亚硝酸盐氮的去除率仅达到54.6%和58.8%,氨氮与亚硝酸盐氮去除负荷之和仅为0.09kg/(m3×d),随后,向其上部投加0.6L BMTM载体,经过26d运行,氨氮及亚硝酸盐氮去除率分别迅速提升至92.5%和97.4%,R1的启动速度较之前有明显提高;R2采用BMTM载体启动上流式填料床生物膜反应器厌氧氨氧化工艺,经过83d的运行,氨氮及亚硝酸盐氮去除率分别达到83.6%和89.4%,氨氮与亚硝酸盐氮去除负荷之和达0.22kg/(m3×d),启动速度较R1大幅提高.     

常温下厌氧氨氧化生物膜反应器的启动研究

以广东省某垃圾填埋场SBR池活性污泥为接种污泥,以含氮模拟废水为对象,研究了常温条件下UASB-Anammox生物膜反应器的启动情况。结果表明,UASB生物膜反应器运行97d后,NH4+-N和NO2--N的去除效率均可达90%以上,NH4+-N去除量、NO2--N去除量和NO3--N生成量之比为1:1.44:0.26,pH值稳定在8.5左右,污泥由黄褐色转为红褐色,成功启动了厌氧氨氧化反应器。启动成功后,将反应器温度从24℃降至18℃,总氮的去除率依然可以保持90%以上,表明常温下启动运行的厌氧氨氧化生物膜反应器具有良好的温度适应性。     

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.     

厌氧氨氧化反应器的启动实验研究

针对厌氧氨氧化反应(ANAMMOX)难以快速启动的问题,以城市污水处理厂活性污泥为接种污泥,以固定床反应器模拟厌氧氨氧化反应器,进行反应的启动实验研究.实验中利用超级恒温水浴箱使反应器温度控制在30℃,pH在6.7～8.3,并用曝氮气法降低人工废水中的溶氧,为AAOB提供最佳的繁殖生长条件.反应器内填充的无纺滤布和悬浮...     

钙离子对厌氧氨氧化工艺启动过程的影响

为优化厌氧氨氧化工艺的启动方式,在序批式反应器(SBR)中投加钙离子,分析了启动过程中的脱氮效果、污泥活性变化以及微生物菌落变化。结果表明：钙离子的投加缩短了8 d的启动时间并提高了25.8%的启动效率,增强了反应器在高负荷条件下的脱氮稳定性;钙离子能抑制产酸细菌和丝状菌的生长,促进厌氧氨氧化菌的富集;Candidatus Brocadia在稳定期的菌丰度达到14.37%,促进了硝化细菌、反硝化细菌、厌氧氨氧化菌共存状态的形成。     

不同种泥的厌氧氨氧化反应器的启动及动力学特征

采用2套UBF反应器R1和R~2,R1接种好氧硝化污泥与厌氧氨氧化-反硝化污泥的混合污泥,R~2接种厌氧消化絮状污泥与厌氧氨氧化-反硝化污泥的混合污泥,采用逐渐提高进水亚硝氮和氨氮浓度的方式富集培养ANAMMOX菌.结果表明,R1启动时间短,仅耗时36 d就成功启动了厌氧氨氧化反应器,而R~2则需要53 d; R1和R~2脱氮效果均较好,但R1脱氮效果优于R~2且稳定.在稳定运行阶段,R1氨氮、亚硝氮和总氮去除率分别为99. 92%、96. 64%和81. 87%左右,R~2氨氮、亚硝氮和总氮去除率分别为97. 54%、94. 91%和80. 98%左右.反应器启动成功后,Candidatus Kuenenia属在所检测出的属中丰度位列前六,在R1和R~2中的相对丰度分别为3. 22%和2. 35%;改进的Stover-Kincannon基质去除模型和二级动力学模型对拟稳态阶段R1和R~2的脱氮性能均能进行较好地拟合,经计算,R1的最大基质去除速率Umax稍大于R~2,说明R1的脱氮潜力较大.     

基于不同废污泥源的短程反硝化快速启动及稳定性

为探究不同废污泥源快速启动短程反硝化和实现稳定NO_2~--N积累的可行性,在3个完全相同的SBR反应器(S1、S2和S3)分别接种:实验室城市污水反硝化除磷系统排泥、城市污水厂剩余污泥及河涌底泥,比较其短程反硝化启动快慢和NO_2~--N积累特性,考察系统短程反硝化活性和NO_3~--N→NO_2~--N转化性能,并从微生物学角度分析反应器功能菌群特征.结果表明,在乙酸钠为唯一碳源、高碱度和适宜COD/NO_3~--N比进水条件下,3个SBR短程反硝化反应器在短时间内均能够成功启动,系统平均NO_3~--N→NO_2~--N转化率为S1 S2 S3(75. 92% 73. 36% 69. 90%).同时发现持续低温条件下S1和S2呈现不同程度的短程反硝化性能恶化趋势,但S3能够稳定维持良好NO_2~--N积累性能.微生物高通量测序表明,变形菌门和拟杆菌门居PD系统主导地位,3个短程反硝化反应器NO_2~--N积累关键功能菌属Thauera属丰度差异明显:S3 S1 S2(25. 09% 4. 71% 3. 60%),表明S3具备稳定高效的NO_2~--N积累性能,同时高丰度Thauera属可能是维持低温短程反硝化活性的重要原因.     

羟胺对厌氧氨氧化污泥群落的影响

目前,由于厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,ANAMMOX)过程具有高效率、低能耗和污泥量少的优点,在污水除氮方面具有广阔的应用前景.羟胺既是厌氧氨氧化代谢的中间产物,同时也是一种抑制剂,但是目前关于厌氧氨氧化细菌颗粒如何应对羟胺的压力还没有很好的解释.通过羟胺批次添加实验,发现在投加不同浓度的羟胺情况下(40～80mg·L~(-1)),厌氧氨氧化的反应活性受到了抑制作用,但是无法判断厌氧氨氧化细菌对羟胺的耐受阈值.然后基于实时荧光定量聚合酶链反应(RT-qPCR)技术检测了不同反应器内肼氧化酶(HZO)的mRNA的表达量,发现HZO酶的表达量随着羟胺浓度的增加出现先升高后降低的趋势,由此本研究推测相对于3.12g·L~(-1)的厌氧氨氧化颗粒污泥,其承受的羟胺浓度(以N计)阈值介于60～70mg·L~(-1).同时利用16S rRNA高通量测序的方法对反应器内的颗粒污泥微生物结构与功能进行分析,发现投加适量的羟胺(50mg·L~(-1))有助于增强颗粒污泥中细菌的细胞运动性,促进厌氧氨氧化细菌的组成,提供一个更佳的生态平衡.     

调控温度和沉降时间实现ANAMMOX颗粒快速启动及其稳定运行

基于常温条件下厌氧氨氧化启动时间较长、生物质含量低的问题,实验拟通过温度控制,在SBR反应器中快速启动厌氧氨氧化颗粒污泥,实现常温低基质条件下稳定运行.结果表明,采取适当升高温度(27℃)再降温的方式,逐渐缩短沉淀时间,能够在常温条件下30 d启动厌氧氨氧化颗粒污泥,颗粒平均粒径达到430μm以上,氨氮及亚硝氮去除率分别为88%和85%左右,总氮去除率达到75%;在低基质稳定运行阶段,氨氮去除率能够达到86%,亚硝氮去除率能够达到98%,总氮去除率达到85%以上; SVI(以MLSS计)稳定在30 m L·g-1,MLVSS/MLSS大于60%,蛋白质(PN)/多糖(PS)稳定在1. 75左右.采取控制温度的方式无需控制进水中的溶解氧可以实现常温低基质厌氧氨氧化颗粒的启动和稳定运行,通过控制进水总氮负荷能够获得较高总氮去除率.     

ANAMMOX的快速启动及EPS在ANAMMOX颗粒污泥中的空间分布

为探讨厌氧氨氧化反应的快速启动过程及胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)在厌氧氨氧化颗粒污泥中的空间分布,采用厌氧序批式反应器(anaerobic sequencing batch reactor,ASBR)接种活性污泥成功启动厌氧氨氧化反应.结果表明稳定运行时,NH_4~+-N、NO_2~--N去除率均达到99%以上,TN去除率为89.87%±0.43%,总氮(TN)去除负荷达到1.7kg·(m~3·d)~(-1).NH_4~+-N与NO_2~--N的消耗量和NO_3~--N生成量之间的比例关系为1∶(1.32±0.08)∶(0.24±0.03).反应器运行中,出水pH和NO_3~--N浓度可作为反应性能的指标,快速判断反应器运行情况.蛋白质为厌氧氨氧化颗粒污泥EPS的主要组分,蛋白质(PN)和多糖(PS)的含量分别为(59.61±5.64)mg·g~(-1)、(12.21±2.04)mg·g~(-1),PN/PS为4.88±1.39.β-D-呋喃葡萄糖和死细胞集中分布在颗粒污泥最外层;活细胞、蛋白质、脂类、α-呋喃葡萄糖和α-甘露糖遍布整个颗粒污泥,但主要集中在外侧.蛋白质和脂类构成了厌氧氨氧化颗粒污泥的骨架,厌氧氨氧化菌分布在蛋白质和脂类中间.     

厌氧氨氧化颗粒污泥EPS及其对污泥表面特性的影响

取厌氧氨氧化EGSB反应器中颗粒污泥,根据粒径筛分为R1(0. 5～1. 4 mm)、R2(1. 4～2. 8 mm)和R3( 2. 8 mm)这3组.提取不同粒径厌氧氨氧化颗粒污泥EPS,分析EPS特性及其对厌氧氨氧化聚集体表面特性的影响.随着厌氧氨氧化颗粒污泥粒径的增加,PS含量介于(10. 69±0. 11)～(12. 28±0. 15) mg·g~(-1)之间,而PN含量从(56. 88±0. 86) mg·g~(-1)增加到(98. 59±2. 10) mg·g~(-1),且PN/PS从5. 32提高到9. 05.不同粒径厌氧氨氧化颗粒污泥EPS官能团及三维荧光组分含量不同.随着颗粒污泥粒径增大,蛋白质二级结构α-螺旋/(β-折叠+无规卷曲)值从0. 60逐渐降低到0. 43,这种变化有利于污泥表面疏水性的表达.随着颗粒污泥粒径的增大,污泥表面疏水性由54. 2%提高到63. 1%,Zeta电位由-41. 2 m V增加到-31. 5 m V,疏水性的增强和表面电荷的增大有利于颗粒污泥的聚集.厌氧氨氧化颗粒污泥EPS可以增强污泥疏水性和提高Zeta电位,EPS中的PN发挥着重要的作用.     

盐度条件下ANAMMOX-EGSB反应器颗粒污泥微生物群落

采用高通量测序技术探究了0、15和30 g·L^-1盐度条件下稳定运行ANAMMOX-EGSB反应器中颗粒污泥的微生物群落变化.结果发现,进水盐度提升至15 g·L^-1及30 g·L^-1后,反应器脱氮性能呈现小幅下降,随运行时间延长脱氮性能均可恢复.反应器性能稳定后,3种盐度条件下厌氧氨氧化菌的丰度依次为10.33%、20.90%和35.87%,其中Candidatus Kuenenia属为优势属.浮霉状菌门、变形菌门、绿弯菌门丰度占总体比例较高且累计丰度超过了80%,为反应器的优势菌门.盐度条件下,浮霉状菌门丰度增加,变形菌门丰度降低,绿弯菌门丰度相对稳定.电镜扫描显示盐度条件下颗粒污泥表面有大量丝状菌和胞外聚合物.盐度条件下反硝化菌丰度提高,增强了反硝化协同脱氮,绿弯菌门和拟杆菌门微生物丰度的提高有利于维持颗粒污泥结构稳定,好氧微生物及反硝化菌的存在也有利于维持反应器内部厌氧水平.这些结果表明,厌氧氨氧化菌经驯化可适应盐度,盐度条件下伴生菌对厌氧氨氧化菌功能的发挥提供了支撑.     

基质比对ABR厌氧氨氧化工艺脱氮性能的影响

为解决厌氧氨氧化底物去除不彻底导致总氮去除偏低的问题,通过控制不同的进水基质比,对厌氧折流板反应器(ABR)的厌氧氨氧化脱氮性能进行了研究.结果表明,ABR厌氧氨氧化系统最佳进水N_2~O--N/NH+4-N为1.34,此时NH+4-N和N_2~O--N的去除率同时达到99.99%左右,总氮去除率达到峰值为87%,当进水N_2~O--N/NH+4-N从1逐渐降低至0.49和从1.34逐渐提高至1.62时,反应器对NH+4-N和N_2~O--N的绝对去除量较为稳定,NH+4-N或N_2~O--N过量对ABR厌氧氨氧化系统没有产生明显抑制;此外,不同基质比条件下,NH+4-N和N_2~O--N的去除基本在第1隔室完成,基质比变化对ABR各隔室的脱氮效果没有产生显著影响,ABR厌氧氨氧化系统对基质浓度的变化具有较好的稳定性.