城市污水SBR法短程生物脱氮系统硝化菌群的定量分析

为了研究实时控制对短程生物脱氮中试系统内硝化菌群结构组成的影响,在考察系统常温条件下处理城市污水时短程硝化效果的同时,采用FISH、PCR-DGGE和PCR-克隆序列(Cloning Sequencing)分子生物学方法对SBR中试系统(有效容积为54 m~3)硝化菌群中的氨氧化菌(AOB)和亚硝酸氧化菌(NOB)进行定性与定量化分析.FISH结果表明,在短程脱氮系统中,AOB相比于NOB已成为明显的优势菌群,占总菌群的3%～12%;且没有检测出NOB.PCR-DGGE结果表明,SBR短程脱氮中试系统中的AOB均以Nitrosomonas-like为主.污泥样品的PCR-Cloning-Sequencing结果表明,所有的克隆相似于Nitrosomonas,其中60%以上的克隆相似于Nitro- somonas europaea.     

实时控制实现短程硝化过程中种群结构的演变

为了考察实时控制下实现短程硝化过程中硝化污泥种群结构的演变,采用荧光原位杂交技术(FISH)和扫描电镜(SEM)对处理生活污水的序批式反应器内污泥进行了跟踪观测.结果表明:通过检测pH曲线上的"氨谷"特征点快速启动了短程硝化,短程硝化维持期间亚硝化积累率平均在93%左右.接种污泥形态多样,含长杆、短杆及球状菌,而随着运行的延续,污泥形态呈现了向短杆状、球状转变的态势.实时控制下反应器内亚硝酸氧化菌(NOB)逐渐被淘洗,而氨氧化菌(AOB)得到了富集.从短程硝化启动初期到短程硝化稳定运行102d,AOB的相对数量从3.5%逐渐上升到8.5%,而对应的NOB相对数量从3.1%下降至0.5%以下.利用好氧曝气时间实时控制实现短程硝化是一种面向种群优化的控制方法,有利于短程硝化系统长期稳定的运行.     

DO对SBR短程硝化系统的短期和长期影响

采用实际的生活污水,在SBR反应器内分别考察了溶解氧(DO)对短程硝化效果及污泥种群结构的短期和长期影响.结果表明,通过采用实时控制曝气时间,高ρDO(ρ(DO)=(3±0.5)mg/L)与低ρDO(ρ(DO)=(0.5±0.1)mg/L)条件下SBR系统的亚硝酸盐积累率均能达到90%以上,而低ρDO相对于高ρDO更利于提高系统的同步硝化反硝化(SND)效果,两者的平均同步硝化反硝化率(SND率)分别为45.5%和9.5%,低ρDO下最高SND率达86%.FISH的检测结果表明,实时控制模式下反应器内亚硝酸氧化菌(NOB)逐渐被淘洗,而氨氧化细菌(AOB)变为优势硝化菌群.在高ρDO运行末期,稳定的短程污泥中AOB和NOB的相对数量分别为8%～10%和不足0.5%;在低ρDO运行末期,AOB数量出现了微弱上升,增至10%～12%,而NOB进一步被淘汰,基本检测不出.可见,采用好氧曝气时间实时控制,能对短程硝化系统内污泥种群起到优化作用,且在高、低ρDO下均能实现稳定的短程硝化效果,而低ρDO更有利于系统内亚硝酸氧化菌(NOB)的淘洗、短程硝化率的提高以及系统SND效果的加强.     

SBR短程硝化工艺的启动及稳定运行适宜DO探究

在温度21 ～23℃时,通过考察溶解氧(DO)对短程硝化快速启动的影响发现,ρ(DO)为0.25 ～ 1.25 mg/L时均能启动短程硝化,其中0.25 ～0.75 mg/L属于实现短程硝化快速启动的ρ(DO)范围;ρ(DO)为0.25 ～0.50 mg/L与0.50 ～0.75 mg/L对快速启动的效果相当,主要是因为当ρ(DO)为0.25～0.50 mg/L时,虽然氨氧化菌(AOB)的竞争优势更加显著,但是AOB自身利用基质倍增所需的时间却会增大.在短程硝化的运行阶段,当ρ(DO)较高(1.50 ～ 1.75 mg/L)时,可以通过间歇性大幅降低ρ(DO)至0.50～0.75 mg/L的方法实现短程硝化的长期稳定运行.对稳定运行后期的污泥样品进行微生物分析,总细菌通用引物分析结果表明:AOB、亚硝酸盐氧化菌(NOB)占总细菌的比例分别为22.50％、3.75％,其中,亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas sp.)是AOB的优势菌属,比例高达总细菌的17.50％.     

短程硝化最优曝气时间控制与硝化种群调控

为确定实现短程硝化的最优曝气时间,采用3个平行的序批式间歇反应器(SBR)处理生活污水,在pH为7.9～8.0时,"氨谷"出现前t/2、t/4、t/8(t为曝气时间)停止曝气,实现短程硝化.运行145 d后,系统亚硝态氮积累率分别提高到50%、65%、90%.荧光原位杂交技术(FISH)定量分析表明,反应器中氨氧化菌(AOB)的比例都有不同程度提高,3#SBR最为显著,AOB、亚硝酸盐氧化菌(NOB)占全菌的比例分别为3.89%、0.27%,AOB为硝化菌群中的优势菌.最优曝气时间控制协同游离氨(FA)抑制作用可能是快速实现和维持短程硝化的主要因素.     

容积交换率对SNAD污泥颗粒化与稳定运行的影响

为研究不同容积交换率对同步亚硝化-厌氧氨氧化与反硝化工艺(SNAD)污泥颗粒化及稳定运行的影响,采用容积交换率分别为37.5%(R1)和75%(R2)的SBR进行对比实验.结果表明,R1仅用36 d就实现了颗粒化,比R2快1/3,且颗粒化过程中R1的污泥流失较小;R1总氮去除速率(RNR)、单位MLVSS好氧氨氧化活性(RAO)和厌氧氨氧化活性(R_(AN))分别为0.356 g·L~(-1)·d~(-1),0.113 0和0.080 9 g·g~(-1)·d~(-1);R2的R_(NR)、R_(AO)和R_(AN)分别为0.248 g·L~(-1)·d~(-1),0.093 6和0.070 5 g·g~(-1)·d~(-1).由此表明:较小的容积交换率有利于减少絮体流失,从而加快SNAD污泥的颗粒化进程;有利于提高AOB与AnAOB的活性以及抑制NOB活性,从而实现SNAD工艺稳定高效的去除效果.     

常温低基质亚硝化反应器功能菌群解析

为维持亚硝化反应器稳定运行提供微生物理论基础,以常温(18~21.5℃)低基质推流式亚硝化反应器为对象,解析其稳定运行期间功能菌群特征.通过检测反应器三氮变化检验其亚硝化效果.利用扫描电镜(SEM)观察污泥微观结构,通过荧光原位杂交(FISH)、变性梯度凝胶电泳技术(DGGE)及克隆测序等方法,解析微生物菌群特性.保持反应器低溶解氧环境(0.1~0.6 mg/L),使氨氧化菌(AOB)竞争力强于亚硝酸盐氧化菌(NOB),在连续流运行80 d内,平均亚硝化率几乎为100%,出水NO2--N与NH4+-N质量比稳定在1.11.SEM结果显示,亚硝化污泥中球形细菌为优势菌群.FISH结果显示,AOB与NOB的相对比例分别为37.3%与4.4%.PCR-DGGE结果表明,反应器内存在6类优势微生物菌群,其中Nitrosomonas sp.为功能微生物AOB.由多种微生物组成的功能菌群维持反应器亚硝化稳定运行.     

3种硝化污泥性能的比较研究

采用分批培养试验,对3种污泥的短程硝化性能进行了比较研究.结果表明,与接种硝化污泥相比,长期以含氨无机废水运行后,硝化污泥的氨氧化潜能增强,基质亲和力降低,对亚硝酸的耐受力加大,亚硝酸氧化活性提高,亚硝氮积累率可达(63.58±4.19)%,积累的亚硝酸会因继续氧化成硝酸而减少;长期以含氮有机废水运行后,硝化污泥的氨氧化潜能衰退,基质亲和力增强,对亚硝酸的耐受力减小,亚硝酸氧化活性降低,亚硝氮积累率可达(92.17±2.67)%,积累的亚硝酸不会继续氧化成硝酸而趋稳定;从最大比氨氧化速率与半饱和常数(R_(ma)/K_(sa))之比判断,以两种不同基质运行后,硝化污泥中的亚硝酸细菌活性都得到增强.     

AUSB中置曝气启动连续流全程自养脱氮工艺

为优化连续流全程自养脱氮工艺的启动,在常温((25±1)℃)下,于中置、底部曝气的两组AUSB(1#、2#)中比较连续流CANON工艺的启动过程,及不同氮负荷(NLR,R_(NL))下脱氮性能的差异.结果表明:1#、2#分别于第55天、70天成功启动低氨氮(90 mg/L)CANON工艺;在逐步提高NLR进程中,二者均在HRT=6 h工况下脱氮负荷(NRR,R_(NR))达到该阶段最高水平,分别为0.280、0.256 kg/(m~3·d);实验后期,1#保持高效的脱氮状态,特征值(Δρ(TN)/Δρ(NO_3~--N))稳定在7.83,而2#运行125 d后特征值降至7.49,NOB活性增强.中置曝气AUSB结合同步亚硝化/厌氧氨氧化(SNA)和交替亚硝化/厌氧氨氧化(ANA)双重路径完成自养脱氮,得益于较高的好氧氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(An AOB)活性,及对亚硝酸盐氧化菌(NOB)的有效抑制,实现了较高的总氮去除率,达74.98%(第140天).AUSB中置曝气可缩短连续流CANON工艺的启动时间,并实现长期稳定的自养脱氮.     

有机碳源缺乏对成熟好氧颗粒污泥性能的影响

通过探究有机碳源缺乏废水对成熟好氧颗粒污泥物化特性、细菌活性、胞外聚合物(extracelluler polymer substances, EPS)及结构稳定性的影响,研究实际污水处理过程中缺乏有机碳源对好氧颗粒污泥稳定性及硝化活性的影响,进而检测实际污水处理中好氧颗粒污泥的耐冲击能力。结果表明:在有机碳源缺乏的条件下,成熟颗粒污泥中氨氧化细菌(ammonia oxidizing bacteria, AOB)和硝化细菌(nitrite oxidation bacteria, NOB)活性升高,60 d左右可实现较高的硝化活性;成熟好氧颗粒污泥粒径减小,丝状菌消失,球菌增多,颗粒污泥更加密实;EPS质量浓度及多糖(polysaccharide, PS)与蛋白质(proteins, PN)质量比升高;在有机碳源缺乏的条件下,成熟好氧颗粒污泥并未完全解体,具有较强的耐冲击能力。本研究证实了好氧颗粒污泥处理缺乏有机碳源废水的潜力,为好氧颗粒污泥的实际应用提供了理论基础。     

热冲击法实现包埋活性污泥稳定亚硝化

亚硝化是一种节能的工艺,在处理高氨氮质量浓度和低Ｃ/Ｎ比污水时具有较高的可行性。本研究通过热冲击的方式处理包埋活性污泥,成功实现了NO2--N的积累。研究中发现,在60℃温度下热冲击10min,亚硝酸盐氧化菌(Nitrite oxidizing bacteria,NOB)活性就将完全消失,而氨氧化菌(Ammonia oxidizing bacteria,AOB)仍有一定活性。PCR-DGGE发现,热冲击后包埋颗粒内残留的NOB主要是Candidatus Nitrospira defluvii,只有当生物量达到一定值后时才能显现出硝化性能。研究还对60℃和70℃热冲击后的包埋颗粒进行了连续流实验,发现热冲击后的包埋颗粒均能维持稳定的亚硝化,但温度越高,达到亚硝化所需的时间越长。在维持65d的稳定亚硝化后,反应器内开始出现NO3--N积累,重新对包埋颗粒进行热冲击,反应器可以再次实现稳定的亚硝化。     

活性污泥长期好氧饥饿下的微生物种群结构演化

为考察好氧饥饿环境对活性污泥硝化及除磷性能的影响,研究活性污泥在长期好氧饥饿条件下的微生物种群结构变化,以具有良好硝化和除磷性能的活性污泥为实验对象,利用Illumina高通量测序平台分别考察活性污泥好氧饥饿处理3,7,14和30 d后的微生物种群结构特性及差异.结果表明:好氧饥饿时间越长,活性污泥硝化及除磷性能所受的影响越大,污泥的种群结构变化越明显.硝化菌和除磷菌等相关功能细菌在短期(7 d)好氧饥饿过程中,可分别利用细菌衰亡裂解释放的氨氮和胞内储能物质进行细胞维持,确保系统硝化及除磷性能的恢复,同时恢复期氨氧化菌快于亚硝酸氧化菌的活性恢复速率促进了系统由全程硝化向短程硝化的转变;而随着好氧饥饿时间的延长,功能细菌的种群丰度均逐渐减少.此外,活性污泥微生物种群结构在30 d好氧饥饿过程中经历了一个动态变化过程,既有优势种群(如Proteobacteria和Bacteroidetes等)的逐步消亡,又有适应好氧饥饿环境的菌种(如Firmicutes)增强成为新的优势菌群.     

游离氨对活性污泥系统中硝化性能和硝化群落结构的影响

建立了4个平行的SBR处理合成废水,游离氨（FA）浓度分别为0.5、5、10、15 mg/L,命名为S_0.5、S₅、S₁₀和S₁₅,4个系统的脱氮性能在整个实验过程中均很好（平均值为98.7%）,利用FA对亚硝酸氧化细菌（NOB）的抑制作用,结合过程控制,成功在S₁₀和S₁₅系统中实现短程硝化。在建立短程硝化途径的过程中,S₁₀的NAR在第79天迅速达到90.3%,S₁₅的NAR在139天迅速达到90.5%。在S₁₀的80~250 d和S₁₅的140~250 d中,平均NAR分别稳定在98.8%和98.2%左右。用16S rRNA基因的高通量测序技术分析样本中硝化细菌的相对丰度和结构,结果表明,AOB和NOB丰度的变化与试验结果一致。FA不仅可以显著影响AOB和NOB的相对丰度,而且还可以抑制NOB活性。此外,还发现较低的AOB含量在FA浓度为15 mg/L时具有较高的氨底物微生物利用能力。     

利用高通量测序技术分析不同溶解氧条件下硝化 活性污泥的菌群结构特性

为了精确并深入了解溶解氧对活性污泥中硝化微生物菌群结构的影响,以在不同溶解氧条件下富集的硝化活性污泥为研究对象,利用高通量测序分析方法考察不同溶解氧富集硝化活性污泥微生物菌群结构的特性及差异.研究结果表明:对于包含氨氧化菌和亚硝酸氧化菌的硝化活性污泥,低溶解氧可以引起较高的生物多样性,而高溶解氧则更利于硝化功能菌(Proteobacteria菌门的Nitrosomonas菌属、Nitrospirae菌门的Nitrospira菌属)的富集;对于仅包含亚硝酸氧化菌的硝化活性污泥,溶解氧对活性污泥生物多样性影响不大,其中Nitrospirae菌门的Nitrospira菌属更适合低溶解氧条件.另外,不同溶解氧条件同样引起了硝化活性污泥中非硝化功能微生物(Bacteriodetes菌门、Chloroflexi菌门、Acidobacteria菌门、Anerolineaceae菌属、Dokdonella菌属、Ferruinibacter菌属等)的菌群结构差异.     

活性污泥系统动态比耗氧速率的检测与可行性验证

为了考察活性污泥系统动态比耗氧速率(RSOUR)的变化规律以及作为硝化反应过程控制参数的可行性,提出了一种在线检测、同时反馈SBR工艺活性污泥SOUR的方法.采用SBR1和SBR2两个反应器,分别接种亚硝酸盐氧化菌(NOB)和氨氧化菌(AOB)占优势的活性污泥,试验结果表明,SBR1系统反应到第290 min时,氨氧化结束,RSOUR大幅下降,每克MLSS每分钟耗氧从0.074 mg降到0.013 mg;SBR2系统反应到第206 min时,氨氧化结束,RSOUR大幅下降,每克MLSS每分钟从0.01 mg降到0.004 mg.RSOUR的骤降为硝化反应结束的特征点,此时应停止曝气.通过考察RSOUR曲线的变化规律,捕捉曲线上的特征点,可实现控制硝化反应进程,为以RSOUR为参数进行实时控制奠定理论基础.     

短程硝化颗粒污泥的培养与特性分析

在SBR反应器中,接种普通活性污泥,以沉降时间为选择要素,逐渐提高氨氮负荷成功培养了以氨氧化细菌（AOB）为优势菌的好氧硝化颗粒污泥,其形态近似为球形或椭圆形,平均粒径1．1mm,平均沉降速率为1．9cm·S-1,SVI在18．2～31．4mL·g-1之间,对氨氮的去除率达95％,亚硝酸盐积累率维持在809／6～90％。颗粒污泥形成后,氨氧负荷达到了0．0455kgNH4＋-N（kgMLSS·d）-1,与启动期相比,提高了4．55倍。分子生物学FISH技术对颗粒污泥茵群结构的定量分析表明,AOB占全部茵群的14．9oA左右,NoB占0．89oA左右。反应初期高FA和反应后期高FNA的共同作用可能是该研究中实现和维持稳定短程硝化的关键。     

低溶解氧污泥微膨胀前后污泥硝化活性的对比研究

为了研究低溶解氧微膨胀前后污泥硝化活性的变化,采用SBR反应器,平均DO浓度为0．6mg／L-0．9mg／L,测定污泥微膨胀前后污泥氧消耗速率曲线。结果表明：发生污泥微膨胀后,活性污泥对COD的去除能力有较大的提高,而对氨氮去除能力却有一定的下降。污泥微膨胀前后的氧消耗速率曲线显示,微膨胀前活性污泥总活性为67．72mgO2／gVSS·h,其中硝化活性为43．12mgO2／gVSS·h,占其总活性的63．67％;而微膨胀后活性污泥总活性为90．49mgO2／gVSS·h,其中硝化活性为23．98mgO2／gVSS·h,占其总活性的26．51％。低DO成为微生物生长的限制性基质,污泥微膨胀的状态下,活性污泥中丝状菌成为优势菌种,而硝化细菌成为非优势菌种,污泥的总硝化活性降低。