厌氧氨氧化菌的生物特性及CANON厌氧氨氧化工艺

厌氧氨氧化(ANaerobicAMMonium OXidation,缩写为ANAMMOX)指的是在缺氧条件下以亚硝酸盐为电子受体将氨氧化为氮气的过程.该过程由一类独特的、被称为"厌氧氨氧化菌"的专性厌氧微生物催化完成.作为细菌域浮霉菌门的成员,厌氧氨氧化菌具有与普通原核细菌显著不同的细胞结构;更重要的是,厌氧氨氧化在氮循环中扮演重要角色,并在污水处理领域显示出良好的应用潜力:厌氧氨氧化联合短程硝化非常适合处理高氨氮低碳废水.在一段式的CANON(Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite)厌氧氨氧化工艺中,好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌在氧限制的单个反应器内协同去除氨氮,这在节省反应器空间的同时对系统内功能菌群的优化调控提出了更高的要求.本文重点介绍了厌氧氨氧化菌的生物特性以及CANON厌氧氨氧化工艺的最新进展.     

硝化耦合CANON的铁锰氨生物净化工艺启动与运行

在某生物除铁除锰水厂,以中试模拟滤柱开展了硝化耦合CANON的铁锰氨生物净化工艺启动与运行试验,并分析了氨氮转化去除路径.结果表明,生物除铁除锰滤池历经164 d驯化培养,可实现硝化耦合CANON去除氨氮并稳定运行,特征值ΔNH+4-N/ΔNO-3-N为1.49,生物滤柱对Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)和NH+4-N的氧化去除量分别为(9.87±1.17)、(2.25±0.06)和(1.51±0.06)mg·L-1.基于氮素守恒和溶解氧(DO)守恒分析,通过CANON过程去除的氨氮质量分数为33.48%~38.87%,氨氮去除量与实际需氧量的平均比例为1∶3.79~1∶3.94.温度越低,氨氮经CANON过程去除的质量分数越低.     

SBAF单级自养脱氮快速启动、稳定运行及微生物群落演化

单级自养脱氮(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite,CANON)存在启动周期长、运行易失稳的问题.本文研究了在淹没式生物滤池(submerged biological aerated filter,SBAF)体系内,采用前期更替曝气的满负荷启动方法,通过严格控制体系中的溶解氧(dissolved oxygen,DO)和温度(DO和温度分别控制在0.10~0.30 mg·L~(-1)和31℃±1℃的范围内),水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)控制为24 h,于51 d成功实现CANON的快速启动,并稳定运行278 d.该体系氨氮去除率(ammonium removal rate,ARR)最大值为98.9%,其平均值为95.1%;总氮去除率(total nitrogen removal rate,TNR)最大值为85.9%,其平均值为75.1%;体系存在少量NO_3~--N累积.采用16S rDNA宏基因组高通量测序技术分析该体系中污泥微生物的演化特征,发现起亚硝化作用的富集微生物主要为门Proteobacteria,起厌氧氨氧化作用的富集微生物主要为门Planctomycete属Candidatus Brocadia,其相对丰度随着驯化时间延长而逐渐增大,两者协同作用共同实现CANON中的总氮去除.     

CANON在SBAF中的快速启动及其微生物特征

启动周期长是单级全程自养脱氮工艺(CANON)的主要制约因素之一.本文研究了基于淹没式生物滤池(SBAF)的CANON工艺的快速启动方法.首先,以城镇污水处理厂二沉池中普通活性污泥为种泥,在(30±2)℃、不添加有机碳源,控制DO(阶段Ⅰ:0.3~0.5 mg·L~(-1),阶段Ⅱ~Ⅳ:0.1~0.2 mg·L~(-1))的实验条件下,经过48 d对污泥微生物的驯化,成功启动了CANON工艺,氨氮(NH+4-N)和总氮(TN)最大去除率分别达到99.9%和86.5%.其次,采用16S r DNA宏基因组高通量测序技术研究了体系内微生物种群结构特性.测序结果显示体系内两个优势微生物菌门是Proteobacteria(变形菌门)和Planctomycetes(浮霉菌门),平均分别占比26.6%和17.8%,主要脱氮微生物是β-Proteobacteria中的Nitrosomonas和Brocadiae中的Candidatus brocadia.通过以上实验分析得出:采用SBAF启动CANON技术,具有可实现体系快速启动、生物高效脱氮、过程稳定运行等特性.     

污水处理厂CANON工艺小试

在污水处理厂进行CANON工艺小试.试验以污水处理厂A/O除磷工艺出水为基质,启动并运行CANON生物滤柱.第48 d时,反应器氨氮去除率连续10 d大于90%,总氮去除率在70%以上,CANON生物滤柱启动成功.第49~129 d,反应器内部DO控制在较低水平(0.2~0.5 mg·L~(-1)),出水几乎不含氨氮.最大出水总氮浓度为15.6 mg·L~(-1),超过一级A排放标准,硝化细菌(NOB)出现了过量增殖的现象.第129、169和213 d对滤柱进行反冲洗,使得反应器长期总氮去除率大于70%,出水总氮浓度小于12 mg·L~(-1).出水氨氮和总氮浓度达到了一级A标准,硝化细菌得到了有效抑制.结果表明,反冲洗几乎不会影响滤层结构,对滤料生物膜厚度和功能微生物活性影响较小,对硝化细菌抑制作用较大.在实际工程应用中可以通过定期反冲洗维持CANON工艺稳定运行.     

降温过程中生物膜CANON反应器的运行特征

本文以低温高氨氮废水为着眼点,通过不断地调节运行工况,探讨降温过程中全程自养脱氮(CANON)工艺的运行特征,以探索出低温环境下进水NH_4~+-N浓度较高时,CANON工艺获得稳定短程硝化和良好脱氮效果的方法.结果表明:①相较于直接将生物膜CANON反应器的温度条件由中温转变为低温(30℃±1℃→19℃),逐步降温驯化更有利于脱氮功能菌适应低温环境,且每次降温的幅度应尽量减小,同时还应配合运行工况的调节;②温度经25 d逐步降低至19℃左右,18 d后又继续降至15℃左右,NH_4~+-N和TN去除率均能分别长期稳定在90%、70%以上,甚至当温度下降至12℃时,TN去除率与去除负荷仍能分别达到72. 52%、0. 78 kg·(m~3·d)~(-1);③降温过程中驯化生物膜CANON污泥时,应优先考虑短程硝化控制.可通过维持一定的剩余NH_4~+-N浓度并严格控制DO浓度,以抑制NOB的活性,从而获得稳定的短程硝化效果.     

污泥比例强化CANON系统抵御快速降温效能及机理

探究了3种不同颗粒及絮状污泥比例（高颗粒系统10：1~30：1;等量系统1：1~1：1.5;高絮状系统1：10~1：30）的单级自养脱氮系统（CANON）抵御快速降温的效能和机制.结果表明,CANON系统在30℃稳定运行后快速降温至10℃时,各系统的总氮去除负荷（NRR）均大幅下降,但等量系统的NRR始终高于其他系统.各系统的功能菌活性均与温度呈现出正相关关系,AAOB活性的下降幅度大于AOB和NOB的幅度,但等量系统中AAOB活性的下降幅度小于其他系统;快速降温不影响颗粒与絮状污泥功能菌的空间异质性和活性分布情况,但等量系统的空间异质性最为显著,能够较好的发挥颗粒和絮状污泥各自的作用,抵御快速降温的能力优于其他系统.     

低温对CANON型序批式生物膜反应器脱氮的影响

探究了4种低温水平下基于亚硝化的全程自养脱氮（CANON）型序批式生物膜反应器（SBBR）的运行效果及其氮素转化机制.结果表明,当CANON型SBBR在不同的低温水平下稳定运行后,其脱氮微生物优势菌群发生了不同程度的变化,随之改变了系统的氮素转化途径及其脱氮性能.当温度>15℃时,SBBR中AOB和anammox菌的丰度与活性未受到明显抑制,CANON作用始终是系统脱氮的主要途径,SBBR对TN的平均去除率亦较为理想;而当温度<15℃时,anammox菌的丰度与活性在10,5℃下分别出现不同程度的降低,进而改变了SBBR的氮素转化途径,使其脱氮性能出现不同程度的恶化.在10℃时,NOB的增殖及其活性的提高使硝化/反硝化作用取代CANON作用成为SBBR脱氮的主要途径,此时系统对TN的去除率骤降至（16.87±4.79）%;在5℃时,反硝化过程中第1步还原反应的停滞与反硝化菌对NO₂^--N利用率的提高使SBBR中氮素的去除依赖于CANON作用和短程硝化/反硝化作用的协同,系统对TN的去除率为（54.83±3.68）%.     

CANON工艺短程硝化恢复调控及微生物种群结构变化

以短程硝化恶化的全程自养脱氮工艺（CANON）污泥为研究对象,在间歇曝气序批式反应器（SBR）中开展自养脱氮运行效果的恢复调控研究,并基于微生物群落结构变化探究微生物调控机理.结果表明,高氨氮（NH₄⁺-N ≥300mg/L）和调节曝停比至1：3,可有效抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）.稳定后期,亚硝酸盐氧化率（NOR）逐渐降至2.30g N/（m³·h）,ΔNO₃^--N/ΔNH₄⁺-N逐渐降至0.13,总氮去除率（TNRR）提高到0.35kg N/（m³·d）,后延长厌氧段时间至90min,可使NOR进一步下降接近0.16S rDNA高通量测序结果表明,从恢复阶段初到稳定阶段,检测到NOB主要菌属为Nitrospira,其相对丰度从3.96%降至0.64%,Candidatus_Jettenia菌属（属于厌氧氨氧化菌（AnAOB））相对丰度从46.68%上升至49.98%.可见,通过短期提高进水氨氮浓度可使NOB得到有效抑制,并逐渐被淘汰,使AnAOB得到富集,AOB相对丰度稳态,CANON系统得到恢复.     

MBR系统CANON工艺的快速启动及微生物种群特征

为了考察CANON工艺的快速启动策略及功能微生物的种群特征,在常温MBR反应器内接种普通活性污泥后间歇运行.启动策略为以调控曝气时间和曝气量作为主要方法,首先在限氧条件下启动亚硝化,之后进一步降低DO启动CANON工艺.在CANON工艺启动成功后,通过调整曝气时间和无机碳源浓度提高了总氮去除负荷,并采用PCR-DGGE技术分析了稳定运行的CANON工艺内功能微生物的种群特征.结果表明,CANON工艺经36d成功启动,NH4+-N去除率和总氮去除率最终稳定在99%和84%左右,氮去除负荷达到0.41kg/(m3·d).DGGE测序结果表明,Nitrosomonas和Candidatus Kuenenia stuttgartiensis是反应器内的优势菌种,两种微生物协同作用,共同在MBR内完成了高效的自养脱氮.