包埋反硝化填料强化二级出水深度脱氮性能研究及中试应用

利用包埋广谱性高效反硝化填料处理城市污水厂二级出水,可有效降低出水总氮(TN)浓度,本研究共分为两部分,D1阶段研究了包埋反硝化填料对污水厂二级出水的适应性、TN去除效果、稳定运行及填料反冲洗的工况条件; D2阶段研究了填料在中试条件下稳定运行1 a脱氮性能的变化,并通过高通量测序和荧光定量分析(q PCR)手段,研究对比了包埋填料运行前后微生物种群的变化规律.通过研究发现,包埋反硝化填料在水温为(24±1)℃、pH为7. 1、HRT为1 h和填充率为10%,投加乙酸钠保证碳源充足的条件下稳定运行7 d,即可适应二级出水水质,实现出水总氮5 mg·L~(-1).通过对比研究不同水力停留时间(HRT)对填料TN去除效果的影响,得出适宜的HRT为30 min,填充率为10%的运行条件,在7. 2 m~3·d~(-1)的进水条件下经过1 a的稳定运行,TN去除率最高可达到90. 42%,出水总氮可稳定在5 mg·L~(-1)以下.通过对比反冲洗效果,确定了反冲洗强度为5. 2 L·(m~2·s)~(-1),周期为每3 d进行一次.高通量测序和荧光实时定量PCR分析结果表明,运行前后填料上反硝化功能菌属的丰度及拷贝数都有了明显增长,这说明细菌在包埋条件下可实现良好的自我生长.     

包埋厌氧氨氧化菌的环境因子影响特性及群落结构分析

针对厌氧氨氧化菌悬浮培养启动慢、易流失、活性易受环境因子抑制等问题,利用聚乙烯醇-聚丙烯(PVA-PP)制备厌氧氨氧化菌包埋填料,在实现厌氧氨氧化菌活性提高及反应体系稳定运行的基础上,采用批次实验明确了COD干扰、pH值变化及摇床转速对包埋填料脱氮特性的影响.并通过高通量测序技术分析了填料内菌群结构和多样性的变化.结果表明,厌氧氨氧化菌活性可在第30 d恢复至100%,阶段培养99 d,总氮容积负荷(NLR)为0. 69 kg·(m~3·d)~(-1)时,总氮去除率为87. 7%,140 d长期运行,总氮去除速率(NRR)可达1. 83 kg·(m~3·d)~(-1),是包埋前悬浮污泥的9. 4倍.种群多样性在包埋载体内得到保持,厌氧氨氧化功能菌Candidatus Kuenenia(AF375995. 1)有效富集,占比由11. 06%上升至32. 55%. PVA-PP包埋载体可实现厌氧氨氧化-反硝化耦合脱氮,有机碳源干扰及pH值的变化对厌氧氨氧化菌影响抑制明显减弱,并且摇床转速的适当提高会促进包埋体系厌氧氨氧化反应的进行.     

磁性纳米Fe3O4@C对SBR脱氮除磷性能及其微生物种群组成的影响

为探究磁性纳米Fe₃O₄@C对序批式活性污泥反应器（SBR）污水处理系统脱氮除磷性能的影响,建立了2个相同的SBR（编号分别为0号和1号）,其中,0号反应器未投加任何磁性材料（对照组）,1号反应器中投加0.5 g·L^-1的Fe₃O₄@C（实验组）,并采用高通量测序和实时定量PCR（qPCR）技术对2个反应器内生物种群结构及关键脱氮除磷功能菌群进行分析.结果表明：①Fe₃O₄@C对SBR除污性能有显著影响,其中,1号反应器化学需氧量（COD）的去除性能得到增强,24 d后去除率稳定在90%左右;0号和1号反应器总氮（TN）平均去除率分别为35.83%和52.18%;从第43 d起,1号反应器除磷性能明显高于0号反应器,运行70 d后,0号和1号反应器对总磷（TP）的平均去除率分别为47.52%和56.33%.②添加Fe₃O₄@C材料后,反应器内变形菌门（Proteobacteria）的相对丰度从23.91%增加至32.14%,优势脱氮菌门Planctomycetes、Nitrospirae的相对丰度分别从2.66%、0.46%增加至5.16%、2.23%.③添加Fe₃O₄@C后,SBR内细菌总数明显增多,16S基因拷贝数从1.77×10⁷ copies·g^-1增长到4.21×10⁷ copies·g^-1;各功能菌数量也有大幅度增长,除磷功能基因PAO增加了3.4倍,脱氮功能基因nirS、Nitrospira、Nitrobacter、AOB分别增长了2.3、2.4、4.7和572倍.研究表明,磁性纳米Fe₃O₄@C能有效促进SBR脱氮除磷性能,可为SBR工艺的优化改进提供理论支撑.     

中国居民膳食结构升级、国际贸易与粮食安全

目前,中国居民膳食消费水平与结构正在由温饱型向全面小康型转变,形式上表现为由“粮菜型”向“粮肉菜果”多元型和由传统家庭烹饪型向现代便捷型转变。膳食消费结构和水平的改变将影响未来中国的粮食消费量。以中国台湾居民的膳食消费发展规律判断,目前中国大陆居民的膳食消费水平距离富裕水平下的稳定状态整体差距超过50%,肉禽类差距超过一倍。而2018年中国粮食表观自给率已经下降到了85%,大豆自给率仅为15%,虚拟耕地自给率仅为72.6%。在食物消费达到富裕稳定态时,中国不仅需要进口大量的蛋白饲料,还可能需要进口相当数量的能量饲料。基本结论为：仅仅依靠中国本土的农业生产资源已难以维持全面小康水平下的本土农产品需求,发展到富裕水平短缺将会更甚,依赖国际市场是必然需求。从维护生态环境的角度讲,在农产品进口贸易上可多考虑进口动物性产品,适当放开粮食类产品进口数量,自己生产水果、蔬菜等类的农产品。     

一体式厌氧氨氧化反应器常温运行与微生物群落研究

为明确温度对一体式厌氧氨氧化工艺的影响,本研究通过降温实现了一体式厌氧氨氧化工艺22℃下的常温运行,探究了微生物活性和群落结构随温度的变化.反应器采用自配进水、间歇曝气方式运行,进水NH₄⁺-N浓度约254mgN/L,试验过程出水NO₂^--N浓度稳定在在10mg/L以下,但NO₃^--N随着降温有升高的趋势;总氮容积负荷在1.0~1.2g/（L·d）之间,总氮去除负荷在0.7~0.9g/（L·d）;总氮去除率在62%~88%.反应器颗粒污泥中AOB活性始终最高,NOB活性远低于AOB和AnAOB;温度降低NOB活性增加;AnAOB到22℃时活性明显下降,因此需特别关注该温度下反应器的运行工况.Ca.Brocadia是反应器内丰度最高的AnAOB,相对丰度为2.7%~15.1%;Nitrosomonas是反应器内丰度最高的AOB,相对丰度为2.8%~11.5%.研究发现降温使AnAOB的优势属从Ca.Jettenia变为Ca.Brocadia;即后者较前者在低温条件下更具优势.     

氯和紫外消毒过程中胞外抗性基因的产生特征

考察了城市污水氯和紫外消毒过程中不同物理形态的胞外抗性基因的产生行为与及微生物群落的关联特征.结果表明,氯消毒尽管使胞内抗性基因丰度下降,但使结合型胞外抗性基因丰度明显上升（0.7±0.1）log,而游离型胞外抗性基因丰度下降（0.2±0.1）log.紫外消毒也使胞内抗性基因下降,但使游离型胞外抗性基因显著上升（0.4±0.2）log,而结合型胞外抗性基因丰度下降（0.3±0.1）log.氯消毒后,结合型胞外DNA（a-eDNA）中变形菌门丰度下降而其他菌门的丰度上升,细菌多样性指数由4.2上升到4.7;而游离型胞外DNA（f-eDNA）中变形菌门上升了6.6%,多样性指数则从3.5降低到2.8.紫外消毒后,a-eDNA中变形菌门丰度下降了36.6%,多样性则上升到4.8,而f-eDNA中细菌丰度变化较小.分子生态网络分析揭示了抗性基因与细菌间广泛的寄存关系,tetA、tetX、sulI和sulII分别与17、15、15和5种菌属间存在共现性,表明抗性基因潜在宿主的变化是导致消毒后胞外抗性基因产生的关键原因.本研究表明氯和紫外消毒不能消除抗性基因风险,反而通过导致不同胞外抗性基因的大量产生,使风险的形式发生变化.     

多元复合调理剂对镉砷污染农田土壤微生物群落结构的影响

通过温室盆栽试验,研究多元复合调理剂（石灰石、铁粉、硅肥和钙镁磷肥,简称LISP）对土壤基本理化性质、Cd和As的生物有效性和微生物群落结构的影响.结果表明,LISP可改变土壤基本理化性质,降低土壤有效态Cd和As含量,并改变土壤微生物群落结构.在0.4%的LISP添加下,土壤pH值、有效磷和总磷含量较CK处理分别显著（P< 0.05）提高0.57单位、130.6%和18.38%,同时土壤有效态Cd和As含量较对照分别显著（P< 0.05）降低21.76%和16.39%.高通量测序结果表明,添加LISP可维持污染土壤中正常微生物群落的多样性和丰富度,而显著改变土壤微生物群落的组成和结构,其中厚壁菌门、放线菌门和浮霉菌门等门水平物种的相对丰度增加,而绿弯菌门、酸杆菌门和疣微菌门等门水平物种的相对丰度降低.冗余分析和Mantel检验分析表明,土壤pH值、有效磷以及有效态Cd和As含量是影响土壤微生物群落结构的主要环境因子.上述结果表明,LISP是一种有效的、生态安全的调理剂用于农田土壤Cd和As污染土壤修复.     

生物载体内孔径对生物膜微型动物多样性与稳定性影响

为了给废水处理生产中最佳孔径的生物载体选型提供依据,本研究系统考察聚氨酯海绵生物载体5种孔径（0.6~4mm）大小对生物膜微型动物群落多样性以及稳定性的影响.结果表明：鞭毛虫、肉足虫等是运行前期与中期的优势种属,游泳型与固着型纤毛虫、轮虫是后期的优势种属.不同孔径载体在不同时期,微型动物多样性、稳定性等参数变化具有明显差异.小孔径（0.6mm）载体微型动物仅在运行中期内表现出较高多样性,中小孔径（1mm）载体多样性总体偏低,中大孔径（3mm）和大孔径（4mm）载体微型动物多样性波动剧烈.小孔径、中小孔径载体内微型动物稳定性好,中大孔径载体稳定性波动大,而大孔径载体最不稳定.中等孔径（2mm）载体内微型动物群落物种丰富度、均匀度高,多样性高且稳定（后期H=2.12、R=1.19、λ=0.16）,其微型动物群落最为稳定（后期W_H=0.13）,且表现出较好的废水处理效果,中等孔径是理想的生物载体内部孔径大小.在生物膜系统中,微型动物多样性稳定指数W_H可作为废水中CODc_r去除效果的指标参数.     

长期饥饿后SPNA微颗粒污泥系统性能恢复

为了确定长期饥饿后连续流一段式部分亚硝化-厌氧氨氧化（SPNA）工艺的性能恢复情况,采用连续流反应器,考察了在室温下（11~23℃）经历161d饥饿期的SPNA系统性能恢复策略的可行性及脱氮性能和菌群结构变化.通过控制DO浓度及进水氨氮负荷,逐渐实现亚硝酸盐氧化菌（NOB）的抑制和淘汰、氨氧化菌（AOB）和厌氧氨氧化菌（AnAOB）的活性恢复和富集.在68d内系统总氮去除率恢复至72.13%,氨氮去除率恢复至94.75%.微颗粒污泥（³200μm）的占比从42.04%升至60.98%.微生物群落结构分析发现,停止运行161d后系统Candidatus Kuenenia的相对丰度升至25.53%,表现出较强的抵抗饥饿条件的能力,系统恢复后其相对丰度逐渐降低,接近反应器饥饿前水平.AOB的高底物利用能力是系统恢复的前提,AnAOB活性的提高是系统恢复的关键.系统性能的成功恢复表明室温下161d饥饿期对系统造成的影响是可逆的,长期室温下储存SPNA污泥是可行的.     

Co-metabolic and biochar-promoted biodegradation of mixed PAHs by highly efficient microbial consortium QY1

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), typical representatives of the persistent organic pollutants (POPs), have become ubiquitous in the environment. In this study, a novel microbial consortium QY1 that performed outstanding PAHs-degrading capacity has been enriched. The degradation characteristics of single and mixed PAHs treated with QY1 were studied, and the effect of biochar on biodegradation of mixed PAHs and the potential of biochar in PAHs-heavy metal combined pollution bioremediation were also investigated. Results showed that, in single substrate system, QY1 degraded 94.5% of 500 mg/L phenanthrene (PHE) and 17.8% of 10 mg/L pyrene (PYR) after 7 days, while in PHE-PYR mixture system, the biodegradation efficiencies of PHE (500 mg/L) and PYR (10 mg/L) reached 94.0% and 96.2%, respectively, since PHE served as co-metabolic substrate to have significantly improved PYR biodegradation. Notably, with the cooperation of biochar, the biodegradations of PHE and PYR were greatly accelerated. Further, biochar could reduce the adverse impact of heavy metals (Cd²⁺, Cu²⁺, Cr₂O₇^2?) on PYR biodegradation remarkably. The sequencing analysis revealed that Methylobacterium, Burkholderia and Stenotrophomonas were the dominant genera of QY1 in almost all treatments, indicating that these genera might play key roles in PAHs biodegradation. Overall, this study provided new insights into the efficient bioremediation of PAHs-contaminated site.