IEM-UF同步分离反硝化系统脱氮特性及种群结构分析

针对传统脱氮工艺处理低C/N污水存在的问题,本研究提出IEM-UF同步分离反硝化系统。考察了三阶段各反应器对系统COD去除与脱氮性能影响,同时应用宏全基因组技术分析了各反应器功能微生物种群结构特征。结果表明,系统在电流强度0.2A时分离器氨氮富集率平均达到116.1%,最高可达170%;系统进水C/N为2.80稳定运行时,系统COD及TN平均去除率分别可以达到90%和50%以上。TN去除率最高达到65.4%。宏全基因组测序表明在硝化反应器中硝化螺旋菌属(Nitrospira)和亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)所占比例分别为12.23%和2.31%;在反硝化反应器中脱氯单胞菌属(Dechloromonas)、陶厄氏菌属(Thauera)、Azospira所占比例分别为4.57%、1.76%和1.03%,远大于其他菌属所占比例,保证了系统中COD、、较高的去除率;同时铁自养反硝化菌的存在提高了系统的反硝化效率。     

新型IEM-UF耦合短程硝化反硝化系统脱氮特性

针对低碳氮比生活污水的特点,提出新型离子交换膜-超滤组合膜（IEM-UF）氮富集短程硝化反硝化脱氮工艺.研究了新型IEM-UF亚硝化反硝化脱氮系统在三阶段运行工况下各反应器的性能及整个系统的脱氮及COD去除效果,同时应用高通量技术探究菌群结构变化对脱氮效果的影响.试验结果表明：C/N为3,亚硝化反应器中DO=0.5mg/L条件下,亚硝化反应器中NO₂^--N积累率仅用19d就达到了90%;在短程反硝化进水流量比为2：1的条件下,COD及NO_x^--N平均去除率分别达到80%和89%以上.TN去除率最高达到64.8%.高通量16S rDNA测序结果表明,三阶段菌群结构变化与系统脱氮效果的变化一致,亚硝化反应3个阶段亚硝化单胞菌Nitrosomonas所占比例分别为3.69%、5.48%和0.53%,反硝化反应3个阶段反硝化菌Dechloromonas、Thauera之和占活性污泥总菌群比例达到33.35%、25.62%、20.52%.     

CEM-UF组合膜-硝化/反硝化系统处理低C/N废水及种群结构分析

本研究采用具有氨氮富集分离特性的阳离子交换膜-超滤(CEM-UF)组合膜与硝化/反硝化结合处理低C/N废水,考察该系统不同流量比下低C/N废水的硝化、反硝化脱氮特性,并通过对硝化、反硝化活性污泥进行16Sr DNA高通量测序,分析功能微生物群落结构特征.结果表明,系统进水TN为60 mg·L-1,COD/TN为2.65下,各流量比下硝化均有较好效果,平均氨氮去除率为98.7%,流量比值由1∶2上升到1∶6过程中,反硝化m(COD)/m(NO-3-N)随之升高,1∶6时平均硝氮去除率达到最高,为86.28%,系统总氮去除率由22.56%上升到46.8%.Illumina高通量测序结果表明,硝化污泥中可以固氮的Proteobacteria菌门占30.9%,重要的亚硝酸盐氧化菌Nitrospirae菌门占3.06%,属水平上检测到氨氧化菌(AOB)Nitrosomonas和Nitrosospira,亚硝酸盐氧化菌(NOB)Nitrospira和Nitrobacter,AOB与NOB菌比例较高,与硝化反应器中较好的硝化效果相一致.反硝化污泥中Proteobacteria菌门占主导地位(53.13%),其次是Bacteroidetes菌门(10.93%),在属的水平上检测到Dechloromonas、Thauera、Castellaniella、Alicycliphilus、Azospira、Comamonas、Caldilinea和Saccharibacteria多种具有反硝化脱氮作用的相关菌属,反硝化菌所占比例为25.91%,反硝化污泥中具有反硝化功能的微生物丰富,反硝化效果良好.     

溶解氧和曝气时间对好氧反硝化菌脱氮效果的影响

研究室温条件下SBR反应器中好氧反硝化脱氮过程的实现,并在此基础上研究了溶解氧和曝气时间对好氧反硝化菌脱氮效果的影响。结果表明:升高溶解氧能够明显增加COD去除率;延长曝气时间能够提高COD、NO-3-N、TN去除率;并且在溶解氧浓度为3~4 mg/L、曝气时间为6 h的条件下,好氧反硝化菌对污染物去除率较高并且稳定,对COD、硝态氮和TN的去除率分别达到92.74%、89.41%、71%左右。     

3DBER-S反硝化脱氮性能及其菌群特征

针对污水处理厂尾水TN去除问题,采用16S rDNA克隆文库法,探究了3DBER-S(三维电极生物膜耦合硫自养脱氮工艺)的强化脱氮机制及其菌群特征. 结果表明,I(电流)和HRT(水力停留时间)对3DEBR-S中氢自养和硫自养反硝化作用所占比例的影响较大,但对脱氮效率影响不显著. 当进水C/N〔ρ(COD_Cr)/ρ(TN)〕为1、ρ(NO₃--N)为35 mg/L、I为300 mA、HRT为4 h时,NO₃--N和TN去除率可分别稳定在80%和74%以上. 16S rDNA克隆文库结果显示,反应器中β变形菌纲为优势菌群,占47.89%〔以OUT(操作单元)计〕. 在β变形菌纲中,与具有反硝化功能的陶厄氏菌属(Thauera)相似的细菌所占比例最大,为52.94%;与可分别利用硫和氢为电子供体进行反硝化脱氮的硫杆菌属(Thiobacillus)和食酸菌属(Acidovorax)相似的细菌分别占17.65%和14.71%. 3DBER-S中存在异养联合氢自养和硫自养反硝化协同去除硝酸盐氮的作用,可为反硝化脱氮提供充足的电子供体,节约了有机碳源消耗,并保证了稳定高效的脱氮效果.      

SBR工艺处理晚期垃圾渗滤液的脱氮特性研究

采用有效容积为1 200 m3的SBR反应器处理晚期垃圾渗滤液,进行生物脱氮特性研究.结果表明,通过投加粪水调节进水C/N,能显著提高SBR反应器对晚期垃圾渗滤液中氮素污染物的去除效果,其中第112~136 d的TN平均去除率高达82.62%,出水TN≤190 mg.L-1,COD≤400 mg.L-1;能在反应器内达到各种生物脱氮反应的平衡状态,BOD5与TN去除量的比值稳定在1.43左右.在稳定平衡阶段,通过对反应器内氮素污染物和SO24-的含量变化进行周期跟踪监测,发现在搅拌回流阶段存在NH4+-N和SO24-的同时等比例去除现象,去除率分别为27.06%和76.17%,反应器内存在同步硝化反硝化和同步脱氮除硫(SO24-)过程;量化分析了反应器内各种生物脱氮反应,得到异养反硝化、同步硝化反硝化、同化作用、同步脱氮除硫(SO24-)和内源呼吸反硝化对TN去除量的贡献率分别为62.6%、33.8%、7.0%、26.1%和2.7%.     

硫磺/硫铁矿自养反硝化系统脱氮性能

基于硫自养反硝化作用,寻求一种经济、快速、高效地污水脱氮工艺,采用硫磺/硫铁矿组合进行自养反硝化脱氮试验,以低C/N市政污水为处理对象,分别考察温度,硫磺与硫铁矿体积比和HRT等理化因素对反应器脱氮性能的影响.结果表明,在进水TN质量浓度约40 mg·L^-1条件下,1号反应器最佳HRT为2.5 h,TN去除率平均稳定在72.2%,出水TN约10.55 mg·L^-1;2号反应器最佳HRT为3.5 h,TN平均去除率约67.8%,出水TN平均稳定至12.90 mg·L^-1;3号反应器最佳HRT为3.5 h,TN平均去除率60.6%,出水TN稳定在15.00 mg·L^-1左右.硫磺/硫铁矿自养反硝化系统比硫铁矿自养反硝化系统启动快;该系统脱氮效率随着硫磺与硫铁矿体积比减小而降低;该系统脱氮性能对温度的变化并不敏感,脱氮性能优于单独以硫铁矿为硫源的自养反硝化系统;系统中硫自养反硝化过程的主要功能菌属是Sulfurimonas和Thiobacillus,在3个反应器所占比例为1号 > 2号 > 3号.     

CRI系统厌氧氨氧化协同反硝化脱氮的启动及性能

为进一步提高脱氮效率,该文采用人工快渗(CRJ)系统作为厌氧氨氧化反应器,考察了有机物添加对氮素污染物转化及菌群结构的影响,探讨了厌氧氨氧化协同反硝化脱氮的可行性.结果 表明,通过逐步提高进水COD浓度至20 mg/L,可在49d内实现CRI系统厌氧氨氧化协同反硝化的快速启动,稳定运行期间TN平均去除率达到98.1％,相比未添加有机物时启动周期缩短了11d,TN平均去除率提高了7.3％.当进水COD浓度提高至25 mg/L时,厌氧氨氧化对脱氮的贡献率降低了27.2％,主要厌氧氨氧化功能菌属Candidatus Kuenenia的相对丰度降至12.42％,而反硝化功能菌属Flavobacterium的相对丰度升至11.16％,反硝化菌与厌氧氨氧化菌竞争反应基质而导致厌氧氨氧化活性被削弱,TN平均去除率下降了13.5％.因此,将进水有机物浓度控制在适宜范围时可有效改善厌氧氨氧化的脱氮性能.     

进水C/N对富集聚磷菌的SNDPR系统脱氮除磷的影响

为了解富集聚磷菌(PAOs)的同步硝化反硝化除磷(SNDPR)系统的脱氮除磷特性,采用延时厌氧(180min)/低氧(溶解氧0.5~1.0mg/L)运行的SBR反应器,以实际生活污水为处理对象, 通过投加固态乙酸钠调节进水C/N值(约为11,8,4,3),考察其对系统脱氮除磷特性及同步硝化反硝化(SND)脱氮率的影响.结果表明:C/N对系统的除磷性能没有影响,出水PO43--P浓度均稳定在0.3mg/L左右,这是由于系统内聚磷菌(PAOs)含量高,且在低氧段可同时发生好氧吸磷与反硝化吸磷.随着C/N的增大,出水NH4+-N浓度升高,C/N下降时,出水NO3--N浓度升高.此外,随着C/N的减小,厌氧段反硝化所消耗的COD占进水COD的比例增大,SND可利用的内碳源-PHAs储存量减少,但PHV的利用率增加;当C/N为4~8时,SND现象最明显,SND脱氮率达50.8%,而其它C/N条件下,SND脱氮率都有相应程度的减弱.C/N为8时,系统出水综合指标最好,TN去除率高达80.8%.     

厌氧氨氧化耦合反硝化工艺的启动及微生物群落变化特征

为了解厌氧氨氧化耦合反硝化启动过程中脱氮除碳性能与微生物群落的关系,通过逐步提高进水COD浓度研究了SAD启动过程中脱氮除碳性能和微生物群落变化.结果表明,随着进水COD浓度增加,出水NH_4~+-N和NO_2--N的浓度保持稳定,平均去除率均在98%以上; TN去除率逐渐升高,第3阶段TN平均去除率为95. 6%,比厌氧氨氧化理论TN去除率高6. 8%;ΔNO_3~--N/ΔNH_4~+-N明显下降,从0. 15～0. 17逐步降至0. 03～0. 07;厌氧氨氧化脱氮贡献率逐渐下降,反硝化脱氮贡献率逐渐上升,COD去除率逐步增加.污泥活性分析表明SAD启动后污泥反硝化活性明显增加,厌氧氨氧化活性略微降低.高通量测序结果表明,反应器内微生物的优势菌门为绿弯菌门、浮霉菌门、厚壁菌门、装甲菌门和变形菌门,微生物群落特征与SAD脱氮除碳性能密切相关,与脱氮除碳有关的功能微生物主要有厌氧氨氧化菌、厌氧消化菌和反硝化菌,SAD启动后反应器内厌氧氨氧化菌丰度减少,厌氧消化菌和反硝化菌丰度明显增加.     

外加固体缓释碳源的两段反硝化工艺脱氮性能

传统生物脱氮工艺处理废水过程中,出水硝态氮（NO₃^--N）浓度过高是导致总氮（TN）超标的主要原因.通过采用外加碳源提高碳氮比（C/N）,强化反硝化过程可有效解决这一难题.利用基于两段反硝化工艺原理研发设计的一体化脱氮反应器,通过在第二段反硝化池投加聚丁二酸丁二醇酯（PBS）,采用扫描电子显微镜,对反硝化过程前后PBS材料进行表征,采用扩增子测序,深入探究投加PBS前后,第二段反硝化池中微生物群落结构变化.连续120 d的运行数据表明,COD去除率从95.7%降到90.8%,总氮去除率从51.8%提高到80%,Proteobacteria菌门相对丰富度从36.1%上升到46.1%,Thermomonas菌属相对丰富度从6.47%上升到13.48%.结果表明,投加PBS后,PBS不仅可以为反硝化作用提供碳源,其表面还可作为微生物生长附着的载体,起到良好的挂膜作用,同时提高了反硝化菌丰富度,强化了反硝化过程,脱氮性能明显增强,有效提高系统总氮去除率.     

不同曝气强度下SBMBBR和SBR脱氮除磷性能对比研究

对比考察了不同曝气强度下序批式活性污泥反应器(SBR)和序批式移动床生物膜反应器(SBMBBR)的脱氮除磷效果,并分析了反应器单个周期内有机物、氮和磷的转化过程.实验结果表明,SBMBBR和SBR脱氮主要是基于好氧段发生的同步硝化反硝化(SND)及进水、搅拌阶段发生的缺氧反硝化途径实现的,而除磷是基于常规生物除磷和反硝化除磷过程而完成.曝气强度会影响SBR和SBMBBR好氧阶段SND发生的程度,最佳曝气强度下两者通过SND作用去除的TN量分别达到去除总量的47.7%和79.0%.在采用先行厌氧的运行方式,保持系统内高浓度微生物,使反应器在进水C/N比只有2.2～3.5的条件下均取得了良好的脱氮除磷效果.两者相比,SBMBBR和SBR在COD和NH4-N去+除方面没有差异,而SBMBBR的反硝化、除磷效果更优,TN、TP去除率分别达到95.4%和93.5%,较SBR分别高出10.9%和4.1%.     

膜曝气生物膜反应器同步硝化反硝化研究

炭膜作为膜曝气生物膜反应器膜组件处理人工合成废水,在单一反应器内实现了同时去碳脱氮.结果表明,当进水COD和NH^＋₄-N浓度分别为338 mg/L和75 mg/L,HRT为14 h,炭膜腔内压力为13.6 kPa时,COD、NH⁺₄-N和TN的去除效率分别为82.5%、 95.1%和84.2%.但是在反应器运行的后期TN去除效率明显下降,主要是因为高有机负荷导致无纺布上的微生物过度繁殖,严重影响了硝化过程的进行.通过荧光原位杂交和扫描电镜技术观察生物膜微生物结构,得出厌氧或兼氧菌主要分布在生物膜外层的缺氧区,而氨氧化菌主要分布在生物膜内层的好氧区.硝化细菌和反硝化细菌在生物膜内的共存实现了炭膜曝气生物膜反应器的同步硝化反硝化.     

复合碳源填料反硝化脱氮及微生物群落特性

为探讨低碳氮比污水厂尾水的深度脱氮技术,以碱处理玉米芯、零价铁和活性炭组成的复合碳源作为填料,考察反硝化生物脱氮滤柱的运行效果,并借助Miseq高通量测序技术对滤柱生物膜的微生物群落组成和结构进行解析.结果表明,复合碳源填料进行反硝化脱氮时,能有效的被微生物利用并获得较高的TN去除率.在温度为28℃左右,反硝化滤柱进水NO3--N浓度为20~30mg/L、HRT=7.7h时,TN去除率可达到95%以上,出水TOC在15mg/L左右;微生物在属水平进行聚类分析结果表明,生物膜中与反硝化作用有关的菌属和与纤维素降解有关的菌属分别占已知菌属的40.35%和29.04%.因此,污泥中反硝化作用菌属和纤维素降解有关的菌属的大量存在,为复合碳源填料高效反硝化作用提供了可能.     

完全混合式曝气系统运行特性及微生物群落结构解析

利用某污水处理厂完全混合式曝气系统处理生活污水,探讨了系统同步硝化反硝化脱氮过程,解析了系统中污泥微生物群落结构.中试试验结果表明,系统运行稳定,且在无外加碳源的条件下,COD、氨氮和总氮平均去除率分别为93.2%、96.9%和75.2%,出水COD、氨氮和总氮均优于一级A排放标准.系统污泥具有较强的反硝化能力,其脱氮速率是污水处理厂污泥的2.86倍以上.通过对系统污泥周质硝酸盐还原酶聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)扩增和高通量测序结果,发现系统中存在好氧反硝化菌,污泥中优势菌为动胶菌属(Zoogloea)、陶厄氏菌属(Thauera)和Dechloromonas菌属.     

DNBF-O3-GAC组合工艺深度脱除氮磷及代谢产物

为提高污水厂尾水水质,本研究采用新型缓释碳源复配海绵铁、活性炭作为反硝化生物滤池的复合填料,分别以模拟二级处理出水和实际污水厂尾水为进水,考察了复合缓释碳源填料反硝化生物滤池-臭氧-活性炭(DNBF-O_3-GAC)组合工艺同步脱氮除磷及去除微生物代谢产物的性能,并借助Mi Seq高通量测序技术分析了反硝化生物滤池生物膜中的微生物群落结构特征.结果表明,组合工艺取得了较好的脱氮除磷及微生物代谢产物的效果:模拟配水阶段和实际尾水阶段NO_3~--N平均去除率分别达到88.87%、79.99%;TP平均去除率分别达到87.67%、65.51%;UV254平均去除率分别达到45.51%、49.23%.组合工艺各处理单元具有不同的功能:NO_3~--N、TN、TP、TFe的变化主要发生在反硝化生物滤池反应器中;UV254、三维荧光强度的变化主要发生在臭氧-活性炭反应器中.微生物在属水平进行聚类分析结果表明,反硝化脱氮系统存在硫自养反硝化菌和异养反硝化菌,当实际尾水阶段碳源相对不足时,硫自养反硝化作用有了显著加强,Thiobacillus(硫杆菌属)的占比由7.44%上升至29.62%,硫自养反硝化与异养反硝化形成的这种互补作用延长了新型缓释碳源的使用周期.     

AnMBR-Anammox耦合污水甲烷回收及自养脱氮的工艺特性研究

本研究分别启动了厌氧膜生物反应器(anaerobic membrane bioreactor, AnMBR)和部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器(Partial Nitrification/Anammox, PN/A),两者达到稳态后耦合为"AnMBR+PN/Anammox"新系统,实现前段有机质甲烷化、后段自养脱氮的污水处理目的.耦合系统运行结果表明:化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)在AnMBR的去除率为96%,其中80.3%的COD在此段转化为CH_4,Anammox内一定的反硝化作用进一步强化了COD去除,系统COD总去除率达97%以上;氮污染物经AnMBR处理后均以NH~+_4-N形态存在,再经PN/A处理后,总氮(total nitrogen, TN)平均去除率达78%;系统出水COD和TN值分别低于13和11 mg·L~(-1).因此,AnMBR-Anammox耦合系统在同步实现污水甲烷回收、自养脱氮、低碳氮排放方面具有显著优势,本研究结果为开发AnMBR-Anammox耦合新工艺提供了理论依据.