长期饥饿下厌氧氨氧化反应器的启动与恢复性能

厌氧氨氧化菌生长缓慢,其富集过程困难,是限制厌氧氨氧化技术应用的瓶颈. 因基质供应不足导致的功能菌长期饥饿使厌氧氨氧化（ANAMMOX）反应器稳定运行面临更大挑战. 从长期饥饿的视角出发,重新审视厌氧氨氧化反应器的启动和恢复性能、揭示其抗性机制具有现实意义. 分别采用硝化和反硝化污泥在不同运行条件下成功启动了厌氧氨氧化反应器,分析了长期饥饿后不同启动策略下反应器的恢复性能,及污泥对长期饥饿的耐受机制. 结果表明,接种反硝化污泥的反应器采用高基质浓度低流速运行更稳定,运行85 d后NH₄⁺-N、NO₂^--N和总氮去除率分别高达98.7%、99.3%和89.3%;但长期饥饿（144 d）后采用低基质浓度高流速运行的氮去除性能更优,NH₄⁺-N、NO₂^--N和总氮去除率可在30 d后分别恢复至99.8%、99.8%和93.6%. 研究发现,饥饿期胞外多聚物将厌氧氨氧化菌包裹,有助于保持细胞完整以抵抗长期饥饿胁迫;nirS、hzsA和hdh基因的表达,保证了亚硝酸盐/一氧化氮氧化还原酶、联氨合成酶和联氨脱氢酶的合成,有助于维持厌氧氨氧化活性. 饥饿恢复前后厌氧氨氧化菌属的相对丰度无显著差异,其中Candidatus Kuenenia经30 d恢复后相对丰度提升86%以上,表明其对长期饥饿更具耐受性.     

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.     

高浓度基质冲击后厌氧氨氧化菌活性恢复研究

试验研究了阶段式负荷提高法对高浓度基质抑制后反应器中厌氧氨氧化(Anammox)菌的活性恢复特性的影响,考察了活性恢复过程反应器各阶段的脱氮性能、胞外聚合物(EPS)组分及Anammox菌丰度的变化.结果表明,通过逐步提高氮负荷率,反应器中Anammox菌活性于57d内即可恢复至受损前状态,最终氮去除负荷达2.21 kg·m-3·d-1;Anammox泥中的EPS含量、紧密型EPS和松散型EPS中蛋白质与多糖的比例均呈现先降低后上升的趋势,当进水总氮(TN)为500 mg·L-1时,EPS含量及二者的比例均最低;Anammox菌丰度对废水中氮浓度的敏感度较高,在活性恢复过程中,TN浓度为700 mg·L-1时丰度最高,达2.4×1010copies·g-1VSS.     

污水处理厂厌氧氨氧化工艺小试

在市政污水处理厂进行厌氧氨氧化工艺小试实验.试验以A/O除磷和亚硝化工艺处理后的生活污水为基质,室外启动并运行上向流厌氧氨氧化生物滤柱.第109 d时,连续15 d氨氮和亚硝氮去除率大于90%,总氮去除率大于70%,厌氧氨氧化生物滤柱启动成功.第245~333 d,运行进入冬季,滤料生物量(以VSS计,下同)为12.24 mg·g~(-1),平均总氮去除率为54.3%.第461 d对滤柱进行反冲洗,滤料生物量降低至8.01 mg·g~(-1).第605~693 d,运行再次进入冬季,滤料生物量为10.41 mg·g~(-1),平均总氮去除率为69.7%.生物量小于去年同期水平,但总氮去除负荷提高了23%.在整个运行过程中,高温(30℃)污泥厌氧氨氧化速率基本保持不变,低温(15℃)厌氧氨氧化速率(以MLSS计)从1.5 kg·(kg·d)~(-1)增长到3.6kg·(kg·d)~(-1).结果表明,长期低温驯化有利于提高厌氧氨氧化工艺低温处理效果,实现冬季厌氧氨氧化工艺高效运行.     

低温条件下厌氧氨氧化技术的研究进展

厌氧氨氧化（anaerobic ammonia oxidation, Anammox）技术作为可以实现高效脱氮的一种工艺,近些年广受大家关注。作为废水处理的升级技术,厌氧氨氧化细菌（anaerobic ammonia-oxidizing bacteria, AnAOB）是厌氧氨氧化技术的核心菌种,其生长的最适温度（30～35℃）远高于我国大部分污水处理厂的运行水温,无法满足大规模的投入使用。为了使厌氧氨氧化技术得到广泛应用,文章对低温条件下厌氧氨氧化工艺的进展,无机物及有机物等对厌氧氨氧化细菌的影响以及厌氧氨氧化反应器的应用进展进行系统的论述;重点提出了通过优化厌氧氨氧化反应器、改变启动条件、投加有机物或无机物,从而缩短在低温条件下反应器的启动时间以及强化AnAOB的富集。以期为低温下高氨氮废水的工程处理提供技术参考。     

匹配厌氧氨氧化的SHARON工艺启动研究

氧化部分氨氮到亚硝酸氮,然后进行完全自养厌氧氨氧化反应,即称SHARON-ANAMMOX工艺,该工艺是近年开发的针对高浓度氨氮废水生物处理较为经济合理的技术之一。其过程控制的关键是第一步亚硝化(SHARON)工艺积累亚硝酸菌,并使氨氮氧化到亚硝酸氮的转化率控制在50%左右,以最合理满足厌氧氨氧化对底物的需求。在进水pH=7.6,ρ(氨氮)=750 mg/L时顺利启动了SHARON反应器,氨氮的转化率达50%左右。研究结果表明,进一步提高氨氮浓度和进水pH,反应器可以维持稳定运行。     

厌氧氨氧化反应器微生态的研究

运用显微技术、常规的分离纯化和分子生物技术的方法研究了厌氧氨氧化系统中微生物群落结构和多样性.在实验室条件下,上流式厌氧污泥床(UASB)反应器和UASB生物膜反应器在无机和黑暗的条件下成功富集了厌氧氨氧化菌,在适宜的温度30-34℃和pH7～8条件下,氨氮和亚硝酸盐氮在UASB反应器的去除率分别为99.99%和99.9%,在UASB生物膜反应器的去除率分别为99.3%和97.4%.通过传统的鉴定方法分析了该系统中的细菌、真菌和放线菌,表明2套反应器中微生物类群基本一致,都以厌氧或缺氧的细菌为主,大部分微生物在污泥中浓度很低.电镜观察发现优势菌是大小为(0.6～0.8)μm × (0.9～1.2)μm的椭圆形菌,占菌群的90%以上.变性梯度凝胶电泳技术(DGGE)和16SrDNA片段的酶切表明该系统只有1种优势的微生物,微生物多样性不高.     

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.     

厌氧膜生物反应器耦联部分亚硝化/厌氧氨氧化用于污水处理研究

本研究构建了厌氧膜生物反应器(AnMBR)-部分亚硝化/厌氧氨氧化(PN/Anammox)污水处理工艺,以探究AnMBR-PN/A工艺处理效果最佳的水力停留时间(HRT).AnMBR将厌氧生物处理与膜分离技术相结合实现有机物去除,AnMBR出水NH4+-N通过PN部分转化为NO2--N,最终通过NO2--N氧化剩余NH...     

生物膜反应器厌氧氨氧化脱氮效能研究

利用厌氧氨氧化生物膜反应器,分别研究提高基质浓度和缩短水力停留时间(HRT)对提高反应器总氮容积去除负荷的影响。实验之前总氮容积去除负荷达到2.11kgN(/m·3d),总氮去除率为87.9%。以提高基质浓度的方式经过50d的培养,总氮容积去除负荷稳定在4.0kgN(/m·3d),进水总氮浓度从300mg/L逐渐提高到700mg/L,NH4+-N、NO2--N出水浓度分别达到70mg/L和100mg/L;以缩短HRT的方式经过55d的培养,总氮容积去除负荷达到7.0kgN(/m·3d),HRT由3h缩短至0.67h,NH4+-N、NO2--N出水浓度分别达到40mg/L和60mg/L。实验结果表明随着进水基质浓度的增加水中游离氨和亚硝酸的浓度随之增加,从而抑制厌氧氨氧化菌活性,不利于反应器脱氮效能的提高。在相同总氮容积负荷下缩短HRT有利于厌氧氨氧化细菌的富集,但过短的HRT容易导致微生物流失。     

铁强化厌氧氨氧化脱氮机理研究进展

如何强化厌氧氨氧化细菌生长代谢,提高厌氧氨氧化工艺脱氮效能以及保障工艺长期稳定运行是有关厌氧氨氧化研究的热点之一.铁强化厌氧氨氧化是当前研究最为广泛且最具经济性和实用性的一种措施.本文简述了铁强化厌氧氨氧化技术及其强化脱氮效能;重点从优化厌氧氨氧菌的生长环境、促进胞外聚合物分泌、加速脱氮功能菌群富集、诱导细胞结构演变、调控关键酶和功能基因表达、促进信号分子合成以及强化非生物脱氮反应等方面总结了铁强化厌氧氨氧化菌生长代谢和厌氧氨氧化系统脱氮效能的机理.最后对铁强化厌氧氨氧化技术进行总结展望,并提出废铁屑强化厌氧氨氧化技术的构想.     

有机物对厌氧氨氧化系统的冲击影响

接种稳定运行300余天的厌氧氨氧化污泥,通过批次试验,研究了不同浓度乙酸钠和不同种类有机物对厌氧氨氧化系统的冲击影响.结果表明:在初始NO2--N浓度为35mg/L左右,乙酸钠浓度为0~200mg/L时,乙酸钠的冲击不会抑制厌氧氨氧化菌的活性,且一定程度上促进厌氧氨氧化反应的进行,最大比氨氧化速率与乙酸钠浓度呈正相关性;不同有机物对厌氧氨氧化系统的促进作用不同,氨氧化速率从高到低依次为乙酸钠、蛋白胨、葡萄糖和淀粉;反硝化作用伴随整个反应过程,但硝态氮还原速率[0.0155~0.0442mgN/(L?min)]小于氨氧化速率[0.1090~0.1498mgN/(L?min)],因此厌氧氨氧化菌在系统中一直占主导地位.在有机物的冲击下,厌氧氨氧化反应可协同反硝化反应去除系统中的总氮,提高系统总氮的去除率,从而改善出水水质.     

UASB反应器中厌氧氨氧化污泥的种群分析

利用变性梯度凝胶电泳、克隆和实时PCR等分子生物学技术对2个厌氧氨氧化反应器中的微生物进行了初步研究.变性梯度凝胶电泳结果表明,尽管2个反应器的接种污泥不同,但经过1年多的连续运行,二者的微生物种群结构基本相同;Planctomycete克隆结果表明,相似的15个序列(>99%)与已报道的3个属的厌氧氨氧化菌的序列均有较大距离(<92%),而与具有厌氧氨氧化功能的KSU-1序列有97%的相似,amoA基因克隆结果表明,反应器中的部分好氧氨氧化菌属于β-Proteobacteria中具有厌氧氨氧化活性的Nitrosomonas;实时PCR结果表明,厌氧氨氧化细菌占细菌总量的27%~29%,好氧氨氧化菌约为5%.     

厌氧铁氨氧化处理模拟垃圾渗滤液的影响因素研究

厌氧条件下,微生物将NH~+_4-N氧化和Fe~(3+)还原的反应称为厌氧铁氨氧化(Feammox).试验以处理垃圾渗滤液的厌氧氨氧化污泥(ANAMMOX)为接种污泥驯化Feammox污泥,研究了不同NH~+_4-N及Fe~(3+)浓度对Feammox系统的影响,并采用扫描电镜(SEM)分析了Feammox系统不同运行阶段的污泥形态特征.结果表明:在厌氧序批式反应器中,在常温条件下控制进水NH~+_4-N浓度为50 mg·L~(-1)、pH在7.4～7.6之间,经过88 d厌氧富集培养后NH~+_4-N最大转化率达到52.73%,最大转化量为28.37 mg·L~(-1),出水Fe~(2+)浓度随着运行时间的增加逐渐增加,最高浓度为2.87 mg·L~(-1).高浓度NH~+_4-N(400 mg·L~(-1))和Fe~(3+)(500 mg·L~(-1))条件下,氨氮转化量分别达到了40.69 mg·L~(-1)和29.23 mg·L~(-1),说明高进水基质条件下仍然有Feammox反应发生.低浓度NH~+_4-N(100 mg·L~(-1))和Fe~(3+)(50 mg·L~(-1))条件下,NH~+_4-N转化量与Fe~(2+)生成量的线性关系较强,R~2分别为0.86544和0.86034.通过SEM分析可得,Feammox污泥表面附着有不规则矿物,这些矿物沉积在微生物细胞表面阻碍传质,从而降低微生物代谢效率.     

生物强化MBR-AF工艺短程硝化反硝化研究

本试验将短程硝化功能菌和反硝化功能菌分别接种至膜生物反应器(MBR)和上流式厌氧生物滤池(AF)中,构建了生物强化的MBR-AF短程硝化反硝化工艺,并以活性污泥作空白对照,考察该工艺对高氨氮废水的短程脱氮性能.结果表明,强化体系MBR的启动期短,仅需30d,而活性污泥体系MBR的启动期长达100d;强化体系MBR亚硝酸氮积累率始终维持在95%以上;在30℃下,随着运行时间的延长,强化体系MBR-AF工艺总氮去除率不断升高,最高达90%以上,比活性污泥体系高20%;强化体系MBR膜污染程度轻,膜的使用寿命长.说明功能菌强化在高效亚硝酸氮积累和氨氮转化方面起关键作用,可作为实现短程硝化反硝化的有效手段.     

异养硝化、厌氧氨氧化及古菌氨氧化与新的氮循环

自然界中氮循环与微生物的作用密不可分.在过去的几年里,随着异养硝化、厌氧氨氧化和古菌氨氧化过程的发现,人们对氮循环的认识发生了明显的变化.就异养硝化菌、厌氧氨氧化菌和氨氧化古菌的发现、生化机理及分子生物学等方面进行综述,旨在为今后人们重新认识和构建新的氮循环提供有用信息,并对这些新型微生物今后在污水生物脱氨处理中的应用提出了一些展望和设想.指出今后在污水生物处理系统中,可通过富集异养硝化菌强化同步硝化反硝化、富集厌氧氨氧化菌实现单级自养脱氟、富集氨氧化古菌提高低溶解氧下的脱氮效率.     

氨氮对反硝化型甲烷厌氧氧化细菌的影响机理研究

反硝化型甲烷厌氧氧化(Denitrifying Anaerobic Methane Oxidation,DAMO)是以甲烷为电子供体和唯一碳源,以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体的一种氧化还原反应,可用于废水脱氮,而氨氮是含氮废水中存在的主要形式.目前的研究认为主导DAMO过程的微生物主要有DAMO细菌和DAMO古菌.本文以DAMO细菌为优势菌种的系统为研究对象,通过短期和长期试验,从宏观和微观上研究了氨氮对该系统短期和长期的影响,并比较了不同pH体系下影响效果差异,揭示了相关影响机理.短期试验研究表明,氨氮对该系统的安全浓度为250 mg·L~(-1).当氨氮浓度为500 mg·L~(-1)时,对该系统的脱氮效率造成明显的抑制作用,并且随着浓度、时间的增加,氨氮对其的抑制效果增强;不同pH条件下抑制效果的差异对比发现,在碱性条件下,真正起抑制作用的是氨氮的质子化形式FA(Free Ammonia),在中性及酸性条件下,真正起抑制作用的抑制因子是离子化的NH_4~+.通过扫描电镜对系统中絮状污泥分析发现,在氨氮的短期抑制后,系统内的微生物出现了明显皱缩,丝状菌的数量增加;采用高通量测序技术分析了长期氨氮抑制后的系统,结果显示,系统内菌群结构发生较大改变,物种的多样性和丰度都大大降低.通过菌属分析认为,系统脱氮效率的降低是由于Methylomonas(甲基单胞菌属)数量的减少引起的.     

温度降低对厌氧氨氧化脱氮效能及污泥胞外聚合物的影响

本研究系统考察了阶梯降温并恢复至室温（33→25→20→15→10→22℃）长期变化过程（361d）厌氧氨氧化反应器的动态脱氮效能和厌氧氨氧化活性变化,分析了厌氧氨氧化污泥胞外聚合物（EPS）的变化特性,计算获得了厌氧氨氧化反应的活化能.结果表明,在温度20~33℃下,序批式厌氧氨氧化反应器可稳定高效运行,总氮去除负荷维持在0.4gN/（L·d）左右,最大比厌氧氨氧化活性（SAA）大于0.32gN/（gVSS·d）.10℃是厌氧氨氧化菌代谢活性的转折点：当温度降至10℃时,SAA为0.044gN/（gVSS·d）,较33℃时下降91%.当温度恢复至22℃,厌氧氨氧化活性恢复至0.24gN/（gVSS·d）.厌氧氨氧化反应的活化能Ea在10~33℃和10~20℃范围内分别为68.4,152.9kJ/mol.在本实验温度（33→15℃）范围内,EPS含量随着温度降低而升高;在10℃时,EPS含量显著下降,出水中悬浮物升高,造成部分厌氧氨氧化污泥流失.     

硫酸盐对Nitrate-DAMO反应过程影响及动力学特性

反硝化型甲烷厌氧氧化（Nitrate-/nitrite-denitrifying methane anaerobic oxidation,N-DAMO）技术是一种新型的同步脱氮除甲烷技术.我国环境水体和污水中普遍存在硫酸盐,为探明不同浓度硫酸盐对N-DAMO过程的影响,本研究通过短期和长期试验考察了硫酸盐对Nitrate-DAMO系统生物反应过程的影响,并分析了该过程的动力学及化学计量学特性的影响规律.结果表明,不同浓度梯度的硫酸盐（0~3.96 mmol·L^-1）对Nitrate-DAMO系统的短期影响呈先促进后抑制趋势,在浓度为0.42 mmol·L^-1时促进作用最明显;当浓度达到0.83 mmol·L^-1时,开始有明显的抑制作用,且长期和短期试验过程中均未出现硫酸盐消耗现象.0~0.42 mmol·L^-1和0.42~0.83 mmol·L^-1硫酸盐对Nitrate-DAMO系统脱氮性能影响的动力学过程分别符合非底物抑制方程和Haldane方程,通过拟合得出硫酸盐对Nitrate-DAMO系统的初始抑制浓度和令Nitrate-DAMO系统完全失去脱氮性能的硫酸盐浓度分别为0.81和4.06 mmol·L^-1.硫酸盐对Nitrate-DAMO系统甲烷氧化速率影响的动力学过程符合非底物抑制方程,实际的甲烷氧化速率与脱氮速率之比（5.03：8）符合理论值（5：8）.同时,硫酸盐还会影响N-DAMO微生物的生长周期.     

总氨氮在餐厨垃圾厌氧消化系统中的积累及其抑制作用

为研究总氨氮(TAN)在餐厨垃圾中温干式厌氧消化系统内的积累及抑制作用,在单相完全搅拌式(CSTR)反应器内进行餐厨垃圾中温厌氧消化,反应器在3 g·L-1·d-1(以VS计)的负荷下连续运行230余天,期间不断监测TAN及其余物化指标的变化.试验结果表明,TAN在系统内的积累呈现先快后慢的趋势,且不会持续积累,而是积累到一定程度后会保持稳定.游离氨(FAN)是氨抑制中起主导作用的因素,FAN大于150 mg·L-1时就会影响到系统效率;大于200 mg·L-1时会影响系统稳定性;大于300 mg·L-1后会产生强烈抑制,引发稳态型抑制,甚至导致系统出现泡沫.此外,氨抑制会影响系统产气动力学,导致产气速率降低,产气量减少.寻找合理的措施消除氨抑制对保障系统稳定运行具有重要意义.