基于宏基因组的城市污水处理厂生物脱氮污泥菌群结构分析

为了探求活性污泥系统中含有的复杂微生物群落对污水处理厂污水中污染物去除的重要作用,通过对Illumina Hi Seq 4000平台宏基因组测序结果分析,探究了污水处理厂中生物脱氮系统中的微生物群落的多样性、功能菌种以及主要的代谢途径.在KEEG和COG数据库水平上进行生物分类和功能注释.生物检测结果表明:在门水平上的优势菌种是:变形菌门、拟杆菌门、硝化螺旋菌门、放线菌门、绿弯菌门、厚壁菌门.各个菌的丰度分别占到测序细菌的53. 6%、25. 3%、5. 86%、2. 43%、1. 71%、1. 46%. Nitrosomonas、Nitrospira和Thauera菌是检测到的典型的AOB、NOB和反硝化菌,分别占到5. 82%、2. 26%、4. 30%,表明该生物系统具有良好的脱氮性能.同时,对氮循环过程中的各种主要的酶进行了阐述,量化分析了硝化和反硝化过程中涉及的功能基因(amo:1 966 hits,hao:1 000hits,nar G:8 204 hits,nap A:1 828 hits,nirk:1 854 hits,nor B:2 538 hits,nos Z:5 158 hits),同时亚硝酸盐氧化还原酶的功能基因数量为8 204 hits.本研究对生物脱氮系统中的菌群结构和多样性做了综合的阐述,可为优化系统中营养物的去除提供理论基础.     

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.     

高锰酸盐与臭氧预氧化对生物工艺的影响

通过对比高锰酸盐-生物活性炭工艺与臭氧-生物活性炭工艺的出水水质和生物工艺中微生物的特性,考察了高锰酸盐与臭氧预氧化对后续生物工艺的影响.实验结果表明,高锰酸盐预氧化-生物活性炭工艺出水水质优于臭氧预氧化-生物活性炭工艺的出水水质.与臭氧-生物活性炭工艺相比,高锰酸盐预氧化后生物活性炭上异养菌种属类别更加单一化;亚硝酸菌种属类别不一致,前者为亚硝化单细胞属,后者为亚硝化螺属和亚硝化单细胞属;硝化菌属的种类是一致的,均为硝化杆菌属和硝化刺菌属.     

A2/O工艺Microthrix parvicella型微膨胀污泥微生物群落特征

为探究Microthrix parvicella引发的污泥膨胀微生物群落特征，采用A²/O工艺并借助高通量测序技术，考察污泥膨胀中微生物群落整体、硝化菌群和丝状菌群的变化特征。结果表明，当系统运行温度由24℃降低为14℃并运行21 d后诱发了M.parvicella污泥膨胀，污泥体积指数由81 mL/g升高至197 mL/g,系统中COD和NH⁺₄-N的平均去除率分别为84%和98%。污泥膨胀使微生物群落结构发生变化，Actinobacteria门相对丰度由8%增大到20%,优势地位明显提升，Proteobacteria门和Nitrospirae门相对丰度降低。低温下AOB、Nitrospira丰度降低，Nitrobacter丰度升高，但系统内仍存在一定数量的硝化菌群，这维持了良好的硝化效果。丝状菌群中M.parvicella、Thiothrix和Flavobacterium相对丰度升高，其余8种丝状菌属相对丰度降低。升高温度后，污泥膨胀得到控制。     

污泥发酵液对A2O脱氮除磷和微生物的影响

为研究剩余污泥发酵液作碳源对微生物群落结构的影响,将发酵液与市政污水按流量比1∶35回用于厌氧-缺氧-好氧反应器,在室温下运行90 d．聚类分析表明,发酵液明显改变了微生物群落结构,5~30 d和45~90 d的微生物属于不同的聚集区; 微生物多样性分析表明,发酵液使Shannon-Wiener指数从2.6升高到3.1,系统运行稳定性增强; PCR-DGGE分析表明,发酵液对微生物群落具有一定的选择性,氨氧化菌Nitrosomonas sp.、硝化菌Betaproteobacteria和 Nitrospira sp.、反硝化菌Comamonas sp.和聚磷菌Gammaproteobacteria得到富集,TN和TP去除率从64.5％和52.4％提高到84.7％和94.3％．     

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.     

常温CANON反应器内微生物群落结构及生物多样性

为研究基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)工艺中微生物群落结构及种属特征,从常温条件下稳定运行的CANON反应器中采集生物膜样品,并基于聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术,分别对总细菌、氨氧化细菌和厌氧氨氧化菌进行群落结构解析.结果表明:反应器中与亚硝化作用有关的功能菌为亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)和亚硝化螺菌属(Nitrosospira),与厌氧氨氧化作用有关的功能菌是Candidatus Brocadia属和CandidatusKuenenia属,未检测到亚硝酸盐氧化细菌,且系统内氨氧化细菌的生物多样性明显高于厌氧氨氧化菌.此外,反应器中还存在其他微生物,如Shewanella 、Pseudomonas 、lgnatzschineria、Dechloromonas以及属于Clostridia、α-Proteobacteria、Bacillales的uncultured bacteium等.     

含氨恶臭的生物作用效能及机理分析

为研究从不同恶臭环境中分离得到去除含氨恶臭的亚硝化优势菌及硝化优势菌群,将试验得到的亚硝化菌富集液和硝化菌群富集液进行固定化,采用固定化生物反应器除氨,探讨了除氨效能,并与灭菌滤柱进行对比试验.实验结果表明:亚硝化菌的生长速度和氧化能力与其分离前所通的臭气种类有关.填料上积累的产物主要为氨氮和NO3-,pH呈中性.生物反应器对氨的去除主要是生物作用,而不是物理化学作用的结果.     

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.     

高氨浓度下生物流化床内亚硝化过程的选择特性研究

对于高氨低碳废水生物处理,短程硝化－反硝化生物脱氮工艺是一条颇具吸引力的途径,本文采用下向流内循环生物流化床反应器,在高沈度氨条件下,探讨了亚硝化过程的稳定性,试验结果表明：在系统运行初期,由于硝酸菌对环境的适应性和生物的滞后性,暂时出现亚硝酸积累,但硝酸菌适应与繁殖,亚硝酸被完全氧化,高浓度游离氨对硝酸菌氧化速率有４抑制作用,而对亚硝酸菌抑制不明显,也造成亚硝酸积累,但这种对硝化菌选择性抑制所获     

单级自养脱氮反应器效能与微生物群落结构的相关性

于稳定运行但效能有明显差异的2套序批式生物膜反应器单级自养脱氮系统,研究了微生物群落结构的PCR—DGGE、real—timePCR等现代分子生物学特点及其运行效能与之的相关性。结果表明：运行效能好的反应器活性污泥及生物膜浓度较高,微生物群落结构差异较大,二者相似性为58．3％,溶解氧在活性污泥及生物膜内的分布特点为各类微生物及其代谢创造了良好环境,系统中好氧氨氧化菌AOB及厌氧氨氧化菌ANAMMOXz在数量上绝对占优,各类细菌的协同代谢使系统总氮去除率达到80％以上。运行效能相对较差的反应器,由于在反应器启动过程中没有将亚硝酸氧化菌NoB完全“洗脱”,系统中出现NO3-积累,且系统挂膜不理想,生物膜浓度低,生物膜与活性污泥微生物群落结构相似性为100％,优势功能菌单一,从而造成运行效能较低,总氮去除率仅为20％～30％。维持SBBR自养脱氮系统微生物群落结构的稳定及平衡性,生物膜是关键性因素。     

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。     

腐殖酸预处理对活性污泥中硝化菌活性的影响

为考察腐殖酸(HA)预处理对硝化菌——氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)活性的影响,将不同质量浓度梯度的腐殖酸(HA)分别投加到全程硝化污泥Sc1(硝化活性较低)和Sc2(硝化活性较高)以及短程硝化污泥Sp(硝化活性较高),预处理24 h,每种污泥均采用相同的HA质量浓度梯度(0、80、160、240 mg/L)处理.结果表明,当采用80 mg/L(50 mg/gMLVSS)的HA预处理后,污泥Sc1的NOB活性就有了显著提高,硝化反应过程中的硝态氮积累率(R_(NA))由不投加HA预处理时的26.32%增加至78.82%,而氨氧化速率(R_(AO))没有显著变化,表明HA预处理对AOB的活性没有影响而提高了NOB的活性.对于污泥Sc2,投加不同质量浓度的HA预处理既没有改变R_(AO)也没有影响R_(NA),这说明对于活性较好的AOB和NOB,HA预处理并没有进一步提高其活性,同时也不会抑制其活性.对于污泥Sp,HA的预处理没有破坏其短程效果,基本没有NO_3~--N的积累.因此,HA预处理对于AOB活性基本没有影响,但是影响了NOB的活性,在其活性不高时,能提高其活性,在其活性高时,既不会被进一步提高也不会被抑制.     

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。     

污泥微膨胀的特性及N_s和DO对其影响

为了解决污水厂频繁发生的污泥膨胀问题,提出一种能在低氧条件下利用丝状菌的形态和生理特性进行污水处理的节能高效的"低氧丝状菌微膨胀"新方法.采用SBR反应器,通过好氧-缺氧的运行方式,研究了在微膨胀状态下,DO含量和有机负荷率对污泥沉降性的影响及氮、磷和COD的去除特性.试验结果表明:有机负荷率和DO含量各自在特定的范围内影响污泥沉降性,当有机负荷率大于0.25d-1时,单靠降低DO含量已经不能维持污泥微膨胀状态.低氧微膨胀不会恶化系统的硝化效果,由氮的物料平衡发现,每周期通过同步硝化反硝化可以去除掉20%的氮.低氧曝气前期能够出现释磷现象,系统内可以富集聚磷菌.     

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.     

以高盐渗滤液富集筛选氨氧化菌试验

目的研究利用渗滤液作为氨氧化菌富集培养基的可行性,筛选出的优势菌在不同条件下的脱氮效果,为渗滤液生物处理提供参考.方法通过对渗滤液富集后污泥进行氨氧化菌初筛和复筛结果选出的优势菌在静态试验下研究pH、进水底物浓度、溶解氧和盐度的影响和投加优势菌后氨氮氧化速率.结果 pH、溶解氧、底物质量浓度和盐度对优势菌的脱氮性能有一定的影响,优势菌的最佳pH为7.5~8,溶解氧质量浓度3 mg/L,进水底物质量浓度与所需溶解氧成正相关关系;优势菌表现出不同盐度耐受性,X1表现出耐盐特性,而X4表现出嗜盐特性.结论渗滤液高氨氮的特性使其有作为氨氧化菌富集培养基的条件,渗滤液富集筛选出的优势菌投加反应器后可有效提高反应器的氨氮去除率.     

基质负荷对秸秆与污泥厌氧消化微生物群落结构的影响

为明确秸秆污泥厌氧消化体系中微生物群落的结构特征,采用Ⅰllumina HiSeq高通量测序技术,研究在高低两种基质负荷条件下微生物群落结构的变化和多样性,并监测其产气性能.结果表明:高负荷基质条件下（TS 20 g/(L·d)）,平均日产气量为4.1 L;低负荷基质条件下（TS 12 g/(L·d)）,平均日产气量为2.1 L.高负荷基质条件下细菌的相对丰度为91.57%,产甲烷古菌的相对丰度为8.43%;低负荷基质条件下细菌的相对丰度为94.35%,产甲烷古菌的相对丰度为5.65%,高负荷基质条件下产甲烷古菌的丰度比在低负荷基质条件下相对增加了49.2%,表明产甲烷古菌的相对丰度和产气量有一定的正相关性.高负荷基质条件下的前3种优势菌群分别为:相对丰度为51.06%的拟杆菌门（Bacteroidetes）、11.65%的厚壁菌门（Firmicutes）、8.25%的广古菌门（Euryarchaeota）.低负荷条件下的前3种优势菌群分别为:相对丰度为50.78%的拟杆菌门（Bacteroidetes）,7.67%的Cloacimonetes、6.46%的互养菌门（Synergistetes）.两种基质条件下都检测到12种产甲烷菌属,分属氢营养型、甲基营养型、乙酸营养型,说明整个秸秆污泥厌氧消化体系的代谢途径较为丰富,各种微生物群落生长代谢相互依存、相互平衡,具有一定的抗冲击负荷,建立了较为平衡的稳态缓冲体系.