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.     

A2/O流量分配处理低C/N污水性能与微生物结构

针对现有城市污水处理厂进水碳源不足的问题,通过建立多段进水改良A~2/O中试反应器处理低C/N(C/N 5)城市污水,以研究多段进水对其脱氮除磷性能和微生物种群结构变化的影响.结果表明,与传统厌氧段进水的模式相比,多段进水优化了进水碳源在厌氧段和缺氧段中的分布,从而提高了系统的反硝化脱氮和反硝化除磷性能; Q预缺∶Q厌∶Q缺=0. 1∶0. 2∶0. 3(阶段Ⅳ)为系统的最佳工况,此时出水COD、NH4+-N、TN和TP的平均浓度分别为30. 10、1. 85、9. 41和0. 71 mg·L-1,去除率分别为89. 41%、95. 30%、83. 00%和90. 09%;在120d的试验过程中,系统均未出现丝状菌膨胀现象,曝气池活性污泥沉降性能良好,好氧池活性污泥SVI随着缺氧段进水比例的增加而降低,至阶段Ⅴ达到最佳状态,此时的SVI和VSS/TSS分别为112. 09 m L·g-1和0. 84;通过对各阶段好氧区活性污泥16S rRNA基因测序数据的梳理,发现系统较好的脱氮除磷和污泥沉降性能分别与6类异养型菌属、4类反硝化菌属、5类聚磷菌属和2类菌胶团菌属的富集,3类丝状菌的淘汰密切相关.     

基于厌氧氨氧化的城镇生活污水深度脱氮工艺研究

随着城镇生活污水排放标准的日益严格,现有城市污水处理厂普遍面临提标改造的挑战,较多污水处理厂采用三级脱氮工艺降低出水中氮素含量.本研究以磁混凝预处理后的生活污水为研究对象,采用厌氧氨氧化工艺作为三级脱氮工艺,构建含有生物膜和絮体污泥的UASB反应器,处理A/O（二级生化单元）出水,研究串联、分流进水以及回流等条件下系统的脱氮及有机物去除性能,并通过微生物群落分析揭示各阶段的菌群结构变化.结果表明,当UASB串联A/O时,系统出水氨氮、TN和COD分别为1.21、10.02和30.00 mg·L^-1.当进水分流比为15%时,提升了UASB的脱氮速率（从0.04升高至0.06 kg·m^-3·d^-1）,UASB分别贡献了系统TN、NH₄⁺-N和COD去除总量的23.4%、20%和20.7%,当系统出水回流到A区时,能进一步降低出水污染物浓度,NH₄⁺-N仅为1 mg·L^-1,TN为12.03 mg·L^-1.微生物群落结构分析结果表明,在A/O反应器内Proteobacteria为主要菌门,UASB内Planctomycetes门实现富集,生物膜中Planctomycetes丰度为1.93%~8.39%,厌氧氨氧化细菌（以Candidatus Kuenenia为代表）在生物膜和污泥絮体中丰度分别为0.77%~2.19%和0.01%~1.49%.本研究结果表明,基于厌氧氨氧化的三级脱氮工艺能够实现生活污水的深度脱氮,在不增加曝气与碳源投加成本的同时高效去除氨氮、总氮,可为城市生活污水处理厂改造升级提供技术支撑.     

生物膜复合系统脱氮除磷的特征及微生物群落结构分析

试验研究了序批式生物膜复合系统在不同有机负荷下氮磷等营养物质的去除特性.结果表明,复合系统在COD负荷为0.35kg.kg-1.d-1(以MLSS计)时能够很好解决脱氮除磷的泥龄矛盾,TP、TN、NH4+-N去除率分别能达到96%、89%和96%,高于对照组的SBR工艺.复合系统中,悬浮污泥对硝化起主要作用,悬浮态污泥和生物膜的硝化平均贡献比为1.66;附着态生物膜对反硝化和除磷起主要作用,生物膜和悬浮态污泥的反硝化贡献比为2.19,释磷贡献比为3.5,摄磷贡献比为3.76.利用PCR-DGGE技术发现,复合系统中存在丰富的脱氮功能菌和除磷功能菌,且悬浮态与附着态微生物的相似性仅为73%,区别较大,说明两者存在一定的分工协作,与反应器的处理特性相一致.     

热水解时间对污泥厌氧消化系统微生物群落结构影响分析

为评估热水解时间对北京市大兴区某污水处理厂污泥厌氧消化系统微生物群落结构的影响,利用Illumina MiSeq高通量测序方法,分析了不同热水解时间（15、30和45 min）对初沉污泥和剩余活性污泥厌氧消化系统中微生物群落结构及其多样性的影响因素.结果表明,消化污泥优势类群主要分布在厚壁菌门（Firmicutes）、阴沟单胞菌门（Cloacimonadota）、绿弯菌门（Chloroflexi）和同力菌门（Synergistota）,相对丰度之和超过60%,相对丰度最高菌属为W5,占比为20.8%~54.5%,表现为少数优势物种的高丰度特征.热水解污泥厌氧消化过程中,高挥发性脂肪酸和氨氮浓度导致嗜乙酸产甲烷菌相对丰度减少,嗜氢产甲烷途径多于嗜乙酸产甲烷途径.环境因子关联分析结果显示,消化进泥可溶蛋白质、消化进泥pH值、消化出泥氨氮和热水解时间是影响微生物群落结构的4个主要环境因子,其中消化出泥氨氮对产甲烷菌属的影响最大,呈负相关关系.热水解时间与Chao指数和Shannon指数均呈负相关,较长热水解时间不利于提高厌氧消化过程微生物菌群丰富度和多样性.     

MBR与SMBR脱氮除磷特性及膜污染控制

为提高污水深度处理效能和工艺运行的稳定性,研究以序批式膜生物反应器(SMBR)与传统膜生物反应器(MBR)为对象,对比研究其脱氮除磷特性、缺氧时间对工艺效率的影响及膜污染控制策略,同时应用分子生物学技术对两种工艺中微生物群落结构和组成进行分析.结果表明,间歇曝气能强化系统脱氮,使SMBR工艺去除总氮效果优于MBR,而在氨氮、总磷、COD、浊度去除方面两者无明显差异,去除率分别为94%、78%、80%、97%.延长SMBR工艺缺氧时间对COD、氨氮去除无显著影响,降低了总氮、总磷的去除率,总氮去除率由61%下降到46%,总磷由74%下降到52%.采用间歇曝气和投加一定浓度的粉末活性炭(PAC)均有利于减缓膜污染.微生物群落分析发现,两种工艺中微生物群落结构和组成无显著差异,硝化螺菌属(Nitrospira)和脱氯单胞菌属(Dechloromonas)为系统中的高丰度功能菌群,为工艺高效运行提供了生物学基础.     

Influence of microbial community structure of seed sludge on the properties of aerobic nitrifying granules

In order to evaluate the influence of microbial community structure of seed sludge on the properties of aerobic nitrifying granules, these granules were cultivated with different seed sludge, and the variation of microbial community and dominant bacterial groups that impact the nitrogen removal efficiency of the aerobic nitrifying granules were analyzed and identified using 16s rDNA sequence and denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) profiles. The results presented here demonstrated that the influence of the community structure of seed sludge on the properties of aerobic nitrifying granules was remarkable, and the granules cultivated by activated sludge from a beer wastewater treatment plant showed better performance, with a stable sludge volume index (SVI) value of 20 mL/g, high extracellular polymeric substance (EPS) content of 183.3 mg/L, high NH₄⁺-N removal rate of 89.42% and abundant microbial population with 10 dominant bacterial groups. This indicated that activated sludge with abundant communities is suitable for use as seed sludge in culturing aerobic nitrifying granules.     

污泥水热液化水相产物中氮元素变化规律的研究

亚临界水直接液化是实现污泥资源化的一种潜在手段.针对污泥亚临界水热液化水相产物中氮元素的变化规律进行了系统地研究.结果表明,在研究的反应温度和反应时间范围内,水相产物中总氮的质量浓度ρ(TN)在2 867.62~4 171.30mg·L-1之间变化,氮的主要存在形态为氨氮(NH+4-N)和有机氮(Org-N),其中NH+4-N占54.6%~90.7%,Org-N占7.4%~44.5%,ρ(NO-3-N)远远低于ρ(NH+4-N)及ρ(Org-N).反应温度是影响氮元素含量的重要因素,相同反应时间下ρ(TN)和ρ(Org-N)随反应温度的升高而降低.随反应时间的延长,ρ(TN)和ρ(Org-N)逐渐增加,而ρ(NH+4-N)则呈现出先增加,后平稳,再些许减少的趋势.     

Effect of organic matter on phosphorus recovery from sewage sludge subjected to microwave hybrid pretreatment

Microwave (MW) hybrid processes are able to disrupt the flocculent structure of complex waste activated sludge, and help promote the recovery of phosphorus as struvite. In this study, to optimize struvite yield, (1) the characteristics of matter released in MW-hybrid treatments were compared, including MW, MW-acid, MW-alkali, MW-H₂O₂, and MW-H₂O₂-alkali. The results showed that selective release of carbon, nitrogen, phosphorus, Ca^2 +, and Mg^2 + achieved by sludge pretreatment using MW-hybrid processes. MW-H₂O₂ is the recommended sludge pretreatment process for phosphorus recovery in the form of struvite. The ratio of Mg^2 +:NH₄⁺-N:PO₄^3 −-P was 1.2:2.9:1 in the supernatant. (2) To clarify the effects of organic matter on struvite recovery, the composition and molecular weight distribution of organic matters were analyzed. Low molecular weight COD was found to facilitate the removal rate of NH₄⁺-N and PO₄³-P via crystallization, and the amorphous struvite crystals (< 1 kDa) from the filtered solutions had high purity. Therefore, the present study reveals the necessity of taking into consideration the interference effect of high molecular weight organic matters during struvite crystallization from sewage sludge.     

螺旋霉素废水处理过程中菌群结构、水质特征及抗性基因之间关系分析

抗生素制药废水常含有大量抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes,ARG）,传播抗性污染的风险高于城市污水,但目前人们对抗生素制药废水处理过程中ARG转归影响机制研究尚有不足.本研究采用高通量测序考察某螺旋霉素制药废水厂A²O工艺过程中菌群结构变化,并通过多种统计学分析方法考察菌群结构、水质特征及ARG之间的相互关系.结果表明,生物处理单元中污泥的菌群结构受进水水质影响较小,其中厌氧和缺氧池中均以产甲烷菌与硫酸盐还原菌为优势菌,好氧池和二沉池中优势菌群的功能较为复杂;A²O系统对常规污染物去除效果较好,但不能稳定削减潜在致病菌丰度.水质特征、菌群结构和ARG之间存在显著相互影响关系,其中废水处理过程中生物量、NH₄⁺-N和化学需氧量（chemical oxygen demand,COD）与ARG和可移动遗传元件（mobile genetic elements,MGE）的分布密切相关.在水相和泥相中对ARG和MGE产生显著影响的菌属不同,而且泥相中有更多的潜在致病菌与ARG显著相关性,即污泥中微生物同时获得耐药性和致病性的可能性比水相中高.本研究可为今后抗生素制药废水处理过程的抗性污染控制提供科学参考.     

厌氧氨氧化反应器脱氮性能及细菌群落多样性分析

采用提高进水NH_4~+-N和NO_2~--N浓度的方式将上流式厌氧过滤床(UBF)反应器的容积负荷由0.52 kg·(m~3·d)~(-1)增大至2.75 kg·(m~3·d)~(-1),NH_4~+-N、NO_2~--N和TN的去除率也相应地分别从76.18%、53.47%、55.66%增大至94.04%、86.97%、82.96%.同时,采用Illumina高通量测序分析技术,对UBF厌氧氨氧化反应器内微生物的分布规律进行了研究.结果表明,反应器中的脱氮细菌较为丰富,其中变形菌门、浮霉菌门和硝化螺旋菌门分别占27.9%~39.9%、1.1%~26.4%和0.035%~0.188%.反应器运行过程中,反应器中的浮霉菌门Planctomycetes和变形菌门Proteobacteria分别由1.1%、27.9%增加至26.4%、39.9%.其中,浮霉菌门的丰度增大最为显著,其包含的Brocadiacea科达到了24.57%,成为优势菌群,Brocadiacea科主要包含Candidatus brocadia属.Alpha多样性指数和物种相对丰度聚类图分析表明反应器内微生物群落多样性逐渐减小,微生物群落结构产生了显著变化.     

Nitrogen deposition alters soil chemical properties and bacterial communities in the Inner Mongolia grassland

Nitrogen deposition has dramatically altered biodiversity and ecosystem functioning on the earth; however, its effects on soil bacterial community and the underlying mechanisms of these effects have not been thoroughly examined. Changes in ecosystems caused by nitrogen deposition have traditionally been attributed to increased nitrogen content. In fact, nitrogen deposition not only leads to increased soil total N content, but also changes in the NH₄⁺-N content, NO₃^--N content and pH, as well as changes in the heterogeneity of the four indexes. The soil indexes for these four factors, their heterogeneity and even the plant community might be routes through which nitrogen deposition alters the bacterial community. Here, we describe a 6-year nitrogen addition experiment conducted in a typical steppe ecosystem to investigate the ecological mechanism by which nitrogen deposition alters bacterial abundance, diversity and composition. We found that various characteristics of the bacterial community were explained by different environmental factors. Nitrogen deposition decreased bacterial abundance that is positively related to soil pH value. In addition, nitrogen addition decreased bacterial diversity, which is negatively related to soil total N content and positively related to soil NO₃^--N heterogeneity. Finally, nitrogen addition altered bacterial composition that is significantly related to soil NH₄⁺-N content. Although nitrogen deposition significantly altered plant biomass, diversity and composition, these characteristics of plant community did not have a significant impact on processes of nitrogen deposition that led to alterations in bacterial abundance, diversity and composition. Therefore, more sensitive molecular technologies should be adopted to detect the subtle shifts of microbial community structure induced by the changes of plant community upon nitrogen deposition.     

地下渗滤处理村镇生活污水的中试

以红壤土作为填充土壤,在2cm/d的水力负荷下,进行了地下渗滤系统处理村镇生活污水的现场中试.结果表明,地下渗滤系统对COD、氨氮、总磷和总氮有着良好的去除效果,去除率分别达到84.7%、70.0%、98.0%和77.7%,出水COD、氨氮、总磷和总氮的平均浓度分别为11.7mg/L、4.0mg/L、0.04mg/L、4.7mg/L,达到建设部颁发的生活杂用水水质标准对总氮去除机理的分析表明,由硝化/反硝化实现生物脱氮是地下渗滤系统去除总氮的主要途径.在本中试系统中,反硝化效果良好但硝化效果不够理想,改善土壤环境以促进硝化作用是提高总氮去除率的关键.对土壤中氧化还原电位的测定结果表明,土壤内部的还原性质是阻碍硝化反应进行的主要原因.     

Nitrogen removal and simultaneous nitrification and denitrification in a fluidized bed step-feed process

For urban wastewater treatment, we conducted a novel four-stage step-feed wastewater treatment system combined with a fluidized bed laboratory experiment to investigate chemical oxygen demand (COD), NH₄⁺-N, and total nitrogen (TN) removal performance. The removal rates of COD, NH₄⁺-N and TN were 88.2%, 95.7%, and 86.4% with effluent concentrations of COD, NH₄⁺-N and TN less than 50, 8, and 10 mg/L, respectively. Biomass and bacterial activities were also measured, with results showing more nitrobacteria in the activated sludge than in the biofilm; however, bacterial activity of the biofilm biomass and the activated sludge were similar. Nitrogen concentrations during the process were also detected, with simultaneous nitrification and denitrification found to be obvious.     

不同堆肥工艺处理的城市污水污泥对滨海湿地土壤中养分释放特征和潜力的影响

通过土壤培养实验研究了4种不同堆肥［纯城市污水污泥堆肥、玉米秸秆生物炭（CSB）改良堆肥、益生菌菌剂（EM）改良堆肥和CSB+EM改良堆肥］在土壤中的碳、氮、磷和钾等养分释放特性及其对土壤溶解有机质（DOM）光谱特征、微生物群落的影响.结果表明,堆肥添加可显著降低土壤的pH,提高土壤的电导率,同时提高土壤中植物可利用养分［如可溶性有机碳（DOC）、NH₄⁺-N、NO₃^--N、速效磷（AP）和速效钾（AK）］含量;比较不同堆肥发现CSB+EM改良堆肥（CSB+EM-C）具备更高的养分释放潜力,且同时显著提高土壤DOM的腐殖化程度;高通量测序结果发现堆肥添加可以增加优势菌门水平上的相对丰度（如变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门）,但不同堆肥之间有所差异,其中CSB+EM-C的提高潜力最大.综合上述结果证实CSB+EM的堆肥工艺具有最佳的堆肥养分供应和改善土壤质量的潜力.该研究能够为建立有效的城市污水污泥资源化利用和滨海湿地退化土壤改良综合技术策略提供科学的理论依据.     

表流湿地细菌群落结构特征

为探讨表流湿地细菌群落结构的空间分布以及细菌环境影响因子,采用高通量测序方法,对表流湿地沿水流方向10个不同处理单元细菌群落结构进行分析,并利用冗余分析对其与环境因子的关系进行了探究.研究表明:细菌群落多样性指数(香农-威纳指数)平均值为6.57,细菌群落主要属于Proteobacterice(38.97%)、Bacteroidetes(15.63%)等18个门类,丰度大于1%的共有22个属;沿程细菌多样性总体呈现先升高后降低的波动性变化,最终处理单元与最初处理单元的多样性均较其余各处理单元低;细菌丰度与pH、ORP、NH_4~+-N、NO_2~--N、TN均有相关性.     

污泥厌氧产酸发酵液作碳源强化污水脱氮除磷中试研究

为研究城市污泥厌氧产酸发酵液作为补充碳源强化生活污水脱氮除磷系统的效果和可行性,建造了一个总有效体积为4 660 L的A2/O中试反应系统,以实际城市污水为研究对象,考察了添加污泥产酸发酵液后的污水脱氮除磷效果并和单纯添加乙酸作碳源的效果进行了比较.结果表明,在进水COD为243.7 mg·L-1、NH+4-N为30.9 mg·L-1、TN为42.9 mg·L-1、TP为2.8 mg·L-1、硝化液回流比为200%和污泥回流比为100%的条件下,向缺氧池中投加乙酸能增强系统脱氮除磷效果,反应器的最佳进水流量和投加碳源SCOD增量分别为7 500 L·d-1和50 mg·L-1.污泥发酵液代替乙酸作为外加碳源时的平均出水COD、NH+4-N、TN和TP去除率分别为81.60%、88.91%、64.86%和87.61%,相对应的出水浓度分别为42.18、2.77、11.92和0.19 mg·L-1,满足我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918-2002所规定的一级A标准.结果表明,投加污泥产酸发酵液作为脱氮除磷碳源可达到和乙酸同样的效果,具有实际可行性,这为城市污泥处理处置实现资源化提供了一条新的可行途径.     

蚯蚓处理对城镇造粒污泥酸碱缓冲容量的影响

将含水率80%的城镇污泥制成粒径5 mm的颗粒污泥,以添加蚯蚓(Eisenia foetida)为处理组,无蚯蚓为对照组,研究了蚯蚓处理对城镇污泥酸缓冲容量(ABC)、碱缓冲容量(ALBC)、p H及p H缓冲容量(p HBC)的影响.结果表明,处理组p H变化幅度(0.37)低于对照组(0.60);随着处理时间的增加,处理组ABC、ALBC和p HBC显著高于对照组(p0.05);实验结束时,处理组ABC、ALBC和p HBC分别高于对照组5.24%、22.37%和13.01%,电导(EC)高于对照组32.24%,有机质低于对照组1.93%.相关分析表明,蚯蚓处理组和对照组中ALBC与NH+4-N、NO-3-N的相关系数大于0.84(p0.01);蚯蚓处理显著提高了ABC与NO-3、p HBC与NH+4-N、p HBC与NO-3-N之间的正相关水平.蚯蚓强化了系统中有机氮矿化,通过提高氨化及硝化强度影响基质缓冲容量,减小p H变化幅度,提高污泥酸碱环境的稳定性,为微生物作用的高效发挥提供了有利条件.     

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.     

HN-AD菌生物强化接触氧化工艺处理猪场沼液

针对养猪废水采用传统工艺经厌氧发酵处理后,形成高氨氮低碳氮比沼液,导致脱氮效果差、工艺流程复杂、启动周期较长等问题.本研究以异养硝化-好氧反硝化(HN-AD)菌为生物强化剂,以PAN活性炭纤维作为填料的生物接触氧化池(BCO)为生物膜反应器,形成生物强化BCO工艺处理猪场沼液.前期污泥驯化阶段发现,NH_4~+-N浓度高于500 mg·L~(-1)时,污染物去除率明显降低,经HN-AD菌剂生物强化后,耐受NH_4~+-N浓度可高于600 mg·L~(-1)且能保持污染物的高效去除.采用HN-AD生物强化的BCO工艺处理真实猪场沼液,对NH4+-N、TN和COD的平均去除率分别为86. 9%、70. 5%和74. 4%,分别高于传统处理工艺的57. 6%、50. 3%和50. 0%,出水浓度均低于相关污染物排放标准.采用高通量测序技术研究了功能菌富集过程中微生物群落结构的变化规律,结果表明,生物膜内属于HN-AD菌的优势菌由Alcaligenes这一种菌属增加为生物强化后的Diaphorobacter、Acinetobacter和Thauera等多种菌属,且Acinetobacter菌属的相对丰度明显高于接种菌剂.扫描电子显微镜结果也进一步证实了生物强化的存在,紧密附着在填料上的生物膜层表面富集了以杆状和球状为主的HN-AD功能菌.