高原生境下A2O工艺对污水处理的微生物机制

基于Illumina MiSeq高通量测序技术,以高原生境下A²O工艺的活性污泥为研究对象,探讨不同温度下微生物群落结构、丰度及相关性.结合污染物分解、吸附及转化等代谢过程中的主要功能蛋白、功能基因、酶的种类及丰度在碳、氮、磷等污染物代谢途径中的作用,从生物化学和分子水平的角度分析了高原地区A²O工艺对污水处理的微生物学机制.结果表明：优势细菌门为变形菌门、拟杆菌门、放线菌门、厚壁菌门及绿弯菌门,优势细菌属为norank_f__AKYH767、腐败螺旋菌、Ottowia、伯克氏菌、IMCC26207、Novosphingobium.污染物去除和微生物群落发挥作用的效果在15℃为最优,微生物群落的COG、代谢途径、基因和酶活性最适宜的温度为20℃.主要功能蛋白为一般功能预测、氨基酸运输与代谢和基因转录;主要代谢途径为：ABC转运蛋白,细菌双组分调节系统,嘌呤、核糖体及嘧啶等代谢,主要功能基因的产物（酶）为：烯酰辅酶A水合酶、乙酰辅酶A C-乙酰转移酶、醛脱氢酶（NAD⁺）、硫代硫酸盐及外多磷酸酶.     

温度对并联式AA-MBBR工艺中微生物群落结构及代谢途径的影响

高原生活污水中碳氮比(C/N)较低,为了更加充分利用碳源,本试验采用并联式AA-MBBR作为处理工艺,探究温度变化对并联式AAMBBR工艺中污染物去除效率、微生物群落结构、代谢途径及功能基因的影响.结果表明,COD、TN、TP的去除效率得到了有效提升,不同温度工况下污染物去除效果优劣不同.相关功能微生物丰度在各温度工况间表现出显著差异性,反硝化菌在高于13℃的环境中,随温度的上升而受到抑制作用,反硝化基因变化趋势相同,PAOs的相对丰度在9℃时最高;PHV通过Ethylmalonyl pathway途径和甲基丙二酰辅酶A诱导产生,参与碳代谢的TCA循环和EMP途径的相关功能基因的相对丰度受温度的影响最大.     

A2O工艺和A2O+BCO工艺的脱氮除磷性能比较

以实际低C/N生活污水为研究对象,依次分别采用A²O工艺和A²O+BCO（生物接触氧化）工艺考察系统的脱氮除磷性能.试验在进水负荷和运行参数基本维持不变的情况下运行134d.结果表明,相对于A²O系统,A²O+BCO系统由于采用双污泥工艺,硝化菌和聚磷菌（PAOs）污泥龄分离,同时反硝化除磷"一碳两用",碳源利用率更高,TN和TP去除率分别提高了18%和28%.其次FISH试验表明,在稳定运行的A²O+BCO工艺中,PAOs比例为22%,远远超过A²O中7%的比例,从微生物角度证明了脱氮除磷效果好的原因.     

高海拔温度变化对活性污泥中磷去除及相关代谢途径的影响

基于高原生境下A²O工艺,探讨不同温度条件下厌氧、缺氧和好氧3个反应器的除磷性能,讨论了优势聚磷酸盐累积生物(PAOs)和糖原累积生物(GAOs)以及相关代谢途径中基因对温度变化的响应情况.结果表明,在20℃时磷去除效果最佳(82.99%～88.39%),但低于平原地区同工艺研究下的除磷性能.通过分析优势微生物PAOs和GAOs群落结构发现,GAOs不具竞争优势,不随温度的升高而增强.在10℃时存在污泥膨胀和在25℃时不利于PAOs生长的环境条件下,不动杆菌属(Acinetobacter)(PAO)、脱氯单胞菌属(Dechloromonas)和氢嗜胞菌属(Hydrogenophaga)(反硝化PAOs)在缺氧反应器中相对丰度较高,对缺氧反应器中的磷去除率的提高具有一定的贡献.此外,研究确定了糖酵解(EMP)是葡萄糖代谢的主要途径.多羟基戊酸盐(PHV)的主要合成途径是Propionyl-Co A.厌氧和好氧反应器所需ATP均主要来源于三羧酸循环(TCA cycle)途径.     

A2O小试系统与实际工艺单元中OPEs去除的比较

污水处理厂出水是环境中OPEs的重要来源,且污水处理厂的生物处理单元可去除部分OPEs.为了更好的研究污水处理厂工况条件,以达到优化去除宏量有机物和微量有机物的目的,良好的小试装置必不可少.本研究在实验室设计并安装了一套A²O小试装置,根据有机磷酸酯的结构特点,在进水中投加了3种代表性的有机磷酸酯.比较了小试装置中与实际工艺单元中这3种有机磷酸酯的去除规律,发现OPEs在A²O小试中的去除规律与实际工艺单元中相似,磷酸三丁氧酯（TBEP）在两种工况下去除效果均较好,总去除率分别为84.6%与83.6%,磷酸三（1-氯-2-丙基）酯（TCPP）去除效果均较差.在不同处理单元中,由于厌氧池中主要发生水解作用,TCPP在两种工况下的厌氧池中都可去除,且在A²O小试厌氧池中的去除率（57.7%）优于实际工艺（25.5%）.TBEP的去除主要发生在好氧池中,且A²O小试二沉池可以有效去除TBEP（67.9%）,优于实际工艺的二沉池.两种工况下,好氧池曝气强度较大,引入磷酸三（1-氯-2-丙基）酯（TCPP）不易降解,TCPP在好氧池去除效果较差.除此之外,优化了小试装置的OPEs的检测取样量保证检测的准确性.     

不同水动力条件下间歇微孔曝气对河道底质微生物群落的影响

微孔曝气技术被广泛运用于城市河道治理中,在间歇曝气过程中和曝气停止后微生物群落结构和功能的变化仍不明晰。采用室内模拟试验探究了曝气5 d再静置10 d后,不同水动力条件下水体污染物浓度变化过程以及底质微生物群落结构和功能的响应规律。结果表明:不同水动力条件下间歇曝气过程中和曝气停止后DO均能维持较高水平,但水体污染物浓度在曝气停止后短期内均出现显著性增加,但低流速(v=0.24 m/s)条件下污染物浓度上升最为缓慢。从微生物群落组成方面来看,该现象是由于曝气停止静置10 d后,与有机物代谢相关的氢噬菌属等菌属仅在低流速条件下可成为优势菌属,使得该流速水体中有机物更易降解,污染物浓度上升更为缓慢。从微生物群落功能方面来看,在曝气停止静置10 d后,富营养化水体中的能量代谢、辅酶和维生素代谢等代谢通路更多存在于静止和高流速(v=0.93 m/s)条件下的水体中,解释了这2种流速条件下污染物浓度更高的现象。该研究结果可为通过曝气手段持久性改善河道水质提供理论依据。     

厌氧膜生物反应器处理市政污水的产甲烷性能及微生物代谢特征

厌氧膜生物反应器(anaerobic membrane bioreactor, AnMBR)作为一种新型厌氧处理技术,可高效去除污水中的有机物并以CH₄的形式回收再利用,降低污水处理能耗与碳排量,助力实现“双碳”目标. 为评估AnMBR处理市政污水时的能源回收潜力,进一步揭示处理系统工艺特性,考察了不同水力停留时间(hydraulic retention time, HRT)下AnMBR处理市政污水的污染物去除及产甲烷性能、微生物代谢产物及微生物群落组成特征. 结果表明:①在室温条件下,HRT从24 h缩短至3.2 h过程中反应器均可实现高效的化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)去除与产甲烷性能,COD去除效率稳定在95%以上,进水77%以上的COD转化为CH₄,出水COD浓度低至(21.2±7.8) mg/L. ②反应器中溶解性微生物代谢产物(soluble microbial products, SMP)浓度为70~200 mg/L(以COD计),蛋白质/多糖(含量比,下同)为4.3~5.5,远高于胞外聚合物中的蛋白质/多糖(2.0~4.0),膜污染潜力高. ③微生物群落分析发现,产甲烷古菌与细菌的丰度比与固体停留时间(solid retention time, SRT)呈显著负相关(P<0.05),且不同粒径颗粒中微生物群落组成差异显著,产甲烷古菌在粒径≥10 μm的颗粒中丰度较高,维持混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)在8.0~11.5 g/L之间、SRT在60~80 d之间可避免功能菌群失衡. 研究显示,AnMBR处理市政污水可实现良好的污染物去除效果与产甲烷性能,但过长的SRT会导致污泥浓度过高、SMP浓度增大以及产甲烷古菌丰度降低,影响反应器高效稳定运行.      

A2O-IFAS工艺生物膜微生物群落的演替及分布特性

在A²O-IFAS工艺中探究了不同功能分区生物膜微生物群落的演替及分布特性.利用该工艺处理实际生活污水,总无机氮去除负荷可达（0.10±0.03）kg·m^-3·d^-1,总无机氮和COD的平均去除率分别为70%和79%.高通量测序结果显示,厌氧氨氧化菌Candidatus＿Brocadia在好氧区生物膜中的相对丰度最高（0.43%）,其次是缺氧区生物膜、活性污泥和厌氧区生物膜.此外,絮体污泥与好氧区生物膜有着相似的微生物群落,该结果表明,功能区非生物因素可驱使生物膜微生物群落在缺氧区和厌氧区发生演替现象,DO、C/N比等环境因素和微生物的互作机制是驱动微生物群落分布和厌氧氨氧化菌富集的关键.本研究可为主流厌氧氨氧化菌的富集和技术应用提供重要参考.     

高原环境下不同填充比对A/O-MBBR工艺脱氮除磷的影响

基于高原环境下,针对A/O-MBBR工艺探究了不同填充比下BOD₅、NH₃-N、TN、TP的去除效果。实验结果表明：填充比为50%时去除效果最佳,BOD₅、NH₃-N、TN、TP的平均去除率分别为88.08%、87.48%、86.03%、80.08%,其中TN出水质量浓度达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B排放标准。同时分析结果表明,高原背景下的温度、溶解氧(DO)也影响A/O-MBBR工艺脱氮除磷的效果。     

电磁波加载回流污泥对A2O厌氧池功能的影响

基于电磁波加载污泥的生物效应和溶出效应,将A²O系统的回流污泥进行电磁波加载,以期从微生物群落结构变化角度考察其对系统中厌氧池功能的影响.结果表明,电磁波加载回流污泥后,污泥絮体分解,细胞破壁;回流污泥中C、N、P的溶出效应显著.与加载前对比,厌氧池中TP富集效果更明显,富集率由122.9%增至152.2%;TN、COD去除率分别由7.3%、58.8%上升为32.1%和65.4%.MiSeq焦磷酸测序分析表明,回流污泥经电磁波加载后,厌氧池微生物群落的丰度增加,但其微生物多样性降低.碳源得到补充,厌氧池中微生物的代谢活性明显提高,活菌数量增加.厌氧池中富集了Zoogloea、Tolumonas、Dechloromonas等菌属.     

基于德尔菲法和情景分析的北京市农村生活污水处理工艺优选

针对农村生活污水处理工艺多样、适应性差、决策难等问题,在系统分析北京市农村生活污水处理工艺的基础上,结合情景分析法和德尔菲法等方法,优选农村生活污水处理工艺.研究结果表明,北京市农村生活污水采用单村或联村的治理模式,处理规模集中在50（含）～500m³·d^-1,处理工艺以MBR、AO+MBR、A²O+MBR以及人工湿地等为主,逐渐由单元生物工艺向组合工艺转变、且生态工艺得到更多应用.依据处理规模和排放标准,推荐预处理+生物/生态处理、预处理+生物/生态处理+物化处理、预处理+生物处理+生态处理+物化处理等组合工艺分别适用北京市农村生活污水处理三级排放标准、二级排放标准和一级排放标准,为农村生活污水治理工作的稳步推进提供技术支撑.     

低温菌去除污染物的研究现状

低温菌在自然界的分布非常广泛，低温菌由于具有特殊的遗传背景和代谢途径，能够产生适合低温环境且具有特殊功能的各种酶类及其它活性物，从而使低温菌在寒冷环境条件下表现出其他微生物无法替代的生物活性。文章在分析、总结国内外有关低温菌低温环境条件下去除污水中不同污染物的研究基础上，认为低温菌在寒冷地区污水治理领域具有广阔的应用前景。     

A2O工艺处理低温污水污泥膨胀及恢复机理研究

该文以模拟生活污水作为处理对象,采用A²O工艺进行低温污泥膨胀及恢复机理研究,为解决冬季污水处理厂污泥膨胀问题提供参考。试验结果表明：低温下污泥SVI值升高,丝状菌占优势,容易出现污泥膨胀现象,低温和低有机物负荷是影响污泥膨胀的重要因素。在间歇运行条件下增大曝气量、降低污泥龄或投加活性炭,均未消除低温下的污泥膨胀,而进水有机负荷的增加有助于提高污泥沉降性能,污泥膨胀得到有效控制。通过对4种工况下污泥粒径分布进行对比分析,发现污泥粒径与SVI值变化在一定的情况下存在相关性。     

基于基因组和代谢组学的厌氧消化氨抑制失稳机理研究

氨抑制是影响厌氧消化过程高效稳定运行的常见问题.为系统揭示氨抑制失稳机理，本研究在半连续反应器中加入高蛋白底物诱导氨抑制，结合理化分析、高通量测序及代谢组学分析，研究了失稳进程中理化指标变化、微生物群落演替、潜在功能变化和差异代谢物及代谢途径的响应.结果表明，在厌氧消化氨抑制阶段，乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等挥发性脂肪酸(VFAs)积累，甲烷产率由稳定阶段的0.43 L·g^-1下降至0.14 L·g^-1，指示系统失稳.失稳期间，产氢产乙酸菌相对丰度显著下降.丙酸氧化和乙酸型产甲烷途径中功能基因丰度下调，指示其代谢功能被抑制；丁酸和戊酸氧化方面，其β-氧化功能基因未出现丰度下调但其活化过程的功能基因下调.进一步分析差异代谢物发现，氨抑制阶段辅酶Q、L-精氨酸等343种代谢物的表达量显著变化，涉及新陈代谢、环境信息处理、基因信息处理和细胞生理过程等代谢途径.其中，辅酶Q表达量的显著下调可能会导致能量代谢链的活性下降.能量供应不足会进一步加剧乙酸和丙酸代谢功能的恶化，且由于丁酸和戊酸活化需要三磷酸腺苷(ATP)驱动，造成了丁酸和戊酸的代谢耗能及微生物活...     

复合垂直流人工湿地污染物去除特点及微生物群落多样性PCR-TGGE分析

采用复合垂直流人工湿地系统对生活污水进行处理,研究该系统对污水中主要污染物的去除效果,并采用PCR-TGGE技术分析了湿地系统中微生物群落结构组成的多样性。结果表明,污染物浓度沿水流方向呈下降趋势,氨氮(NH_4~+-N)、总氮(TN)、总磷(TP)和生化需氧量(COD)平均去除率分别为59.5%、67.5%、75.6%、62.3%。溶解氧(DO)沿程逐渐降低,但在末端略有上升,pH基本维持在7.72~8.04,污染物去除效果良好;由于湿地系统中环境条件和营养水平的变化,系统中不同位置微生物种群存在共同种属和各自的特异种属,且微生物多样性指数从A1池至A3池沿程逐渐降低,群落结构间的相似性逐渐增大;系统中污染物去除与微生物多样性呈正相关关系。     

填埋场微生物功能特征与填埋时间关系研究

微生物在生活垃圾填埋场稳定化过程中起到核心作用,但不同稳定阶段微生物群落演替规律及其代谢功能特征研究较少,直接影响了调控方法的科学选择。该研究以不同填埋时间垃圾为对象,采用16S rRNA高通量测序技术,对其微生物群落多样性和功能基因属代谢特征进行了探究。结果表明,填埋场中微生物群落组成与填埋时间有关,主坐标分析分别解释了微生物群落丰度变化的26.26%和12.04%,埋时间<10 a的垃圾细菌群落组成和其他样品呈现显著差异;微生物α-多样性随填埋龄的增加而降低;厚壁菌门Firmicutes (相对丰度32.1%～64.1%)、变形菌门Proteobacteria (相对丰度28.6%～53.3%)是填埋场的优势菌门,Firmicutes具有促进大分子有机物降解的作用,随填埋时间增加而比例上升;Proteobacteria作为分解可溶性底物菌门,由于易降解有机物随填埋时间增加逐渐减少,其相对丰度呈下降趋势;填埋场功能基因属呈现多样性,共发现4种硫酸盐还原属、2种氮循环属、6种产甲烷功能属、1种有机污染物降解属、6种纤维素分解属及13种塑料降解属;KEGG 1级中的新陈代谢途径是最...     

Fenton预氧化促进土壤微生物均衡降解烷烃

针对石油污染土壤中各类烷烃的生物选择性降解问题,通过多种土壤固相铁Fenton预氧化方式调控土壤微生物群落,探究土壤微生物数量、活性和群落变化对石油烃降解的影响,确定各类烷烃均衡降解的微生物群落特征。结果表明：A45(45 mmol/L柠檬酸)和F8.7(8.7 mmol/L Fe²⁺)土壤固相铁Fenton预氧化后,土壤微生物代谢活性分别高达0.59 mol/kg(A45)和0.60 mol/kg(F8.7),土壤石油烃残余率分别低至30%(A45)和29%(F8.7)。土壤中形成以不动杆菌属(Acinetobacter)、假单胞菌属(Pseudomonas)为主要优势菌属的土壤微生物群落。土壤微生物多样性高,群落组成丰富,烷烃代谢的功能基因相对丰度高,促进了各类烷烃的均衡降解,各类烷烃的生物降解率均高达60%。     

缺氧SBR耦合蔬菜型人工湿地处理农村生活污水

为资源化处理农村分散生活污水，文章以空心菜为湿地植物，利用缺氧SBR耦合蔬菜型人工湿地工艺对农村分散生活污水进行处理，为组合工艺选择了SBR最佳水力停留时间(HRT)，并在温度(30±2)℃、HRT 5 h、水力负荷0.92 m³/(m²·d)条件下，评价了组合工艺的污水处理性能及资源回收潜力。结果表明，HRT越长，SBR对各污染物的去除效果越好，考虑到人工湿地的碳源需求以及湿地植物生长所需的营养元素，最佳HRT为5 h。组合工艺对污染物去除效果明显，COD、NH₄⁺-N、TN、TP去除率分别达到85.4%、80.8%、68.6%、94.3%。COD、TN、TP平均出水浓度可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中的一级A标准，NH₄⁺-N达到一级B标准。实验期间空心菜快速增长，具有较强的资源化回收潜力。     

污泥基生物炭提升活性污泥系统处理性能

对污泥基生物炭提升活性污泥系统处理性能进行探讨,将活性炭和污泥基生物炭分别投入A²O工艺厌氧池活性污泥,发现其对COD削减率最高分别为72.9%和41.1%,均能有效削减,生物炭对TN削减率最高为74.1%,优于活性炭.表征显示污泥基生物炭上更易附着活性污泥且比表面积更大.在A²O小试厌氧池中以"1次/污泥龄"为频率投加活性炭、污泥基生物炭和脱脂污泥基生物炭,结果发现:投加污泥基生物炭对COD、TN、TP的削减均优于活性炭,投加脱脂污泥基生物炭对COD、TN的削减与投加活性炭相当,对TP平均削减率高达85.6%,优于活性炭,表明生物炭处理(BT)工艺比粉末活性炭处理(PACT)工艺处理生活污水能力更强,脱脂污泥基生物炭作为污泥脂质提取后的副产品更经济.     

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.