饮用水氢自养微生物脱氮技术研究进展

由于高浓度的硝酸盐对人体存在着潜在的致癌风险,饮用水中硝酸盐的污染问题近年来备受关注.文章阐述了氢自养微生物脱氮技术的特点及主要原理,综述了几种主要的氢自养微生物脱氮工艺的研究及应用状况,分析了其研究前景和方向.     

采用高通量测序分析全程自养脱氮（CANON）系统不同脱氮效能下的微生物群落结构

从微生物优势菌群构成角度揭示一体式全程自养脱氮反应器(completely autotrophic nitrogen removal overnitrite,CANON)启动、稳态运行及崩溃的微观机理,有助于优化调控微生物种群、增强CANON的脱氮效能.试验采用序批式反应器(sequencing batch reactor,SBR),以间歇曝气方式启动CANON系统(35益依1益),考察了CANON系统从启动、稳定到恶化过程的氮素转化率和微生物活性;同时对污泥样品采用16S r DNA宏基因组高通量测序技术,考察种泥和不同脱氮效能时期的微生物种群结构.试验结果表明:本CANON系统的厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonium oxidation bacteria,An AOB)为Candidatus Kuenenia,氨氧化菌(ammonium oxidation bacteria,AOB)和硝化菌(nitrite oxidation bacteria,NOB)分别为亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)和Uncultured Nitrospinaceae;系统启动时,An AOB丰度达到0.44%,AOB和NOB分别占总菌的27.61%和1.33%,脱氮效果最佳时的总氮容积去除率达到218.0 mg/(L·d);由于系统溶解氧质量浓度较低(0.15~0.25 mg/L),好氧段发生厌氧氨氧化反应,好氧段结束时亚硝氮积累量持续下降,导致缺氧段亚硝酸盐基质不足,An AOB受到抑制;长期运行条件下,反应器内生物多样性及An AOB丰度均有所下降.反应末期,Nitrosomonas占总菌群数量的62%,成为优势菌种,而An AOB仅占0.13%,与此时较低的总氮容积去除率(19.3 mg/(L·d))相吻合.     

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.     

处理垃圾渗滤液复合式膜生物反应器中微生物群落结构的演变和分析

为了揭示复合式膜生物反应器中微生物群落结构多样性的演变过程,为改进工艺提供依据,分别3次从反应器混合液中和生物膜上采集样品并提取样品的微生物总DNA, 然后使用V6-V8区引物对(GC968F/1492R)进行PCR扩增,最后用PCR扩增产物进行变性梯度凝胶电泳(DGGE).DGGE分析表明,在反应器运行初期微生物群落结构变化较大;在整个反应器运行过程中,微生物群落多样性较高;在该系统中,由于有生物填料的存在,可能存在厌氧微环境,所以在该反应器中可能存在短程脱氮和同步脱氮.在反应器运行约2个月时,出现的一些菌群是膜污染物产生和累积的主要因素.     

硫自养反硝化同步脱氮除硫启动试验

目的 研究单一反应器内硫自养反硝化同步脱氮除硫的启动方法 及过程,同时考察脱氮除硫效果.方法 选择厌氧生物滤池为生物反应器,采用普通厌氧消化污泥为接种污泥,以自配的含S2--S和NO3--N的废水为进水,进水容积负荷分别为0.24 kg/(m3·d)、0.105 kg/(m3·d),经过15 d的间歇运行和15 d的连续运行,对硫自养反硝化的启动过程进行研究.结果 经过30 d的运行启动,S2--S和NO3--N的去除率基本稳定在90%及80%以上,去除负荷分别为0.238 kg/(m3·d),0.093 3 kg/(m3·d),S0及NO2--N的生成率分别为75%与64%左右.结论 反应器在短时间内成功筛选并富集了硫自养反硝化菌,S2--S和NO3--N达到很高的去除负荷,硫自养反硝化反应器成功启动.     

PCR—DGGE用于浓香型大曲微生物群落分析的条件优化

试验对浓香型大曲微生物群落的PCR—DGGE电泳最佳变性剂梯度范围、电泳时间进行了优化。结果表明：细菌DGGE电泳最佳变性剂浓度梯度为35％～55％;而真菌DGGE电泳最佳变性剂浓度梯度为30％～50％。通过时间进程法得出最佳电泳时间为16小时。运用此优化后的PCR—DGGE技术对不同时期曲药微生物群落进行了研究,获得了较丰富的微生物多样性。     

脱氮微生物固定化材料的研究进展

生物脱氮是处理氮污染水体常用的方法之一。日益成熟的微生物固定化技术能够弥补传统生物脱氮技术的缺陷,满足高效脱氮的目的。高效能的微生物菌种、专一的固定化载体、固定化过程的优化是影响固定化脱氮效果的3大因素,其中固定化载体是连结微生物与其微生态环境的纽带,直接关系到水体氮污染的去除率效果。简述了传统的微生物固定化载体材料在脱氮方面的应用成果;系统的介绍国内外微生物固定化载体材料在复合、改性方面的研究进展;并阐明了新型的改性复合材料的开发将成为固定化载体材料用于水体脱氮研究的重点方向之一。     

MBR+蠕虫反应器膜污染特征及微生物群落结构

为研究针对MBR+蠕虫反应器工艺中蠕虫捕食对膜污染的影响,在常温下分别平行运行MBR+蠕虫反应器(R1)和作为对照系统的MBR+空白蠕虫反应器(R2).监测R1工艺中MBR(S-MBR)和R2工艺中MBR(C-MBR)的跨膜压力(pTM),检测污泥混合液及泥饼层微生物代谢产物的变化.利用变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术分析S-MBR和C-MBR中微生物种类和分布.结果表明:S-MBR的膜污染周期为90 d,C-MBR的膜污染周期为28~37 d,蠕虫捕食导致S-MBR中SMP和EPS的多糖和蛋白质减少.S-MBR膜丝表面是微生物菌群Alphaproteobacterium,Betaproteobacterium,Deltaproteobacterium和Geobacter,而C-MBR膜丝表面是微生物菌群Azorhizobium,Rhodobacter,Gammaproteobacterium和Flavobacteria,对MBR膜污染进程起主要作用.Caldilinea可能与S-MBR膜污染减轻有关.蠕虫捕食可改变微生物群落结构,减缓S-MBR膜污染.     

矿源比对自养反硝化深度脱氮除磷性能的影响

针对自养反硝化技术常规滤料出水中SO₄^2-浓度高、不能同步除磷的问题,通过批次实验探究复合矿源滤料自养反硝化(MSAD)的脱氮除磷性能。对矿源滤料硫铁矿(FeS₂)和菱铁矿(FeCO₃)在不同质量配比下脱氮除磷效果进行分析。结果表明,相比于单一FeS₂为电子供体,复合矿源(FeS₂和FeCO₃)表现出更高的NO^-₃-N去除速率、较低的硫酸盐浓度和稳定的pH。在驯化结束后稳定运行的第4天,m(FeS₂)∶m(FeCO₃)=2∶1系统脱氮性能最佳,NO^-₃-N的去除率为93%; TN的去除率为86%;m(FeS₂)∶m(FeCO₃)=1∶1系统总磷去除效果达到最优(65%)。物种分析证明复合矿源中硫自养反硝化的微生物种类占主导地位。     

硫磺-生物绳为填料的自养反硝化污水脱氮处理

针对传统的填充床硫自养反硝化工艺填料用量大、水头损失严重以及反应器易堵塞等问题,采用硫涂层接触反硝化工艺进行模拟污水脱氮研究,主要考察反应器内部的填料填充比、温度以及水力停留时间(HRT)对其脱氮性能的影响。结果表明:在进水NO^-₃-N浓度为50 mg/L、温度为(25±1)℃、HRT=19.5 h时,将填料填充比由1/10增大到1/5,NO^-₃-N的去除效果明显提升,由56.77%提升至78.26%;温度变化对反应器脱氮有很大影响,当填料填充比为1/5、HRT=19.5 h时,在(25±1)℃和(30±1)℃条件下,NO^-₃-N的平均去除率分别为71.05%和98.38%;此外,当HRT降低至9.7 h时,NO^-₃-N的平均去除率为89.29%。整个反应过程中,出水NO^-₂-N浓度均很低,保持在0.4 mg/L以内,并且反应器出水pH值保持在6.8～8.3之间,满足微...     

处理垃圾渗滤液复合式膜生物反应器中微生物群落结构的演变和分析

为了揭示复合式膜生物反应器中微生物群落结构多样性的演变过程,为改进工艺提供依据,分别3次从反应器混合液中和生物膜上采集样品并提取样品的微生物总DNA,然后使用V6-V8区引物对(GC968F/1492R)进行PCR扩增,最后用PCR扩增产物进行变性梯度凝胶电泳(DGGE).DGGE分析表明,在反应器运行初期微生物群落结构变化较大;在整个反应器运行过程中,微生物群落多样性较高;在该系统中,由于有生物填料的存在,可能存在厌氧微环境,所以在该反应器中可能存在短程脱氮和同步脱氮.在反应器运行约2个月时,出现的一些菌群是膜污染物产生和累积的主要因素.     

回流比对短程硝化-厌氧氨氧化组合工艺处理晚期垃圾渗滤液自养脱氮的影响

采用"连续流短程硝化-厌氧氨氧化组合工艺"处理低碳氮比高氨氮浓度的晚期垃圾渗滤液.主要考察了在不同外回流比(100%~600%)的条件下,A/O反应器中氨氮转化率以及亚硝酸盐积累率的变化,游离氨(free ammonia,FA)与游离亚硝酸(free nitrite acid,FNA)的平均质量浓度变化;UASB反应器的厌氧氨氧化活性及其在相同高度(10 cm)处的粒径变化情况.试验结果表明,当回流比维持在300%时,A/O反应器中的亚硝酸盐氧化细菌(nitrite oxidizing bacteria,NOB)被FA和FNA联合抑制,进而达到了较好的短程硝化效果,A/O反应器中氨氮转化率、亚硝酸盐积累率分别达到93.5%、95.6%以上,UASB厌氧氨氧化反应器污泥持留性与活性均达到较高的水平,总氮去除负荷达到1.04 kg/(m~3·d)以上.定量PCR结果表明,厌氧氨氧化菌占全菌的比例达到了试验期间的最大值3.78%.     

运用PCR-DGGE和克隆技术对串联附积床系统生物膜菌群的分析

采用PCR-DGGE﹑克隆等分子生物学手段研究了多级串联附积床同时硝化反硝化脱氮系统生物膜菌群的时间演变,并对生物膜菌群进行同源性分析和系统发育树构建,同时讨论了生物膜菌群对系统中有机物的去除及对同时硝化反硝化脱氮的贡献.结果表明,随着时间的推移,生物膜菌群发生了较大演变而且具有高度多样性.对DGGE图谱优势条带进行分析表明,优势菌群分为5个不同的细菌类群:β-变形菌类群(β-proteobacteria)﹑γ-变形菌类群(γ-proteobacteria)、未分类菌类群(unclassified bacteria)、α-变形菌类群(α-proteobacteria)、放线菌类群(Actinobacteria).β-变形菌类群不仅在数量上占有优势,而且在有机物的降解、营养物质的去除中起着重要作用.生物膜细菌中起硝化作用的主要是亚硝化单胞菌和硝化螺旋菌;起反硝化作用的主要是施氏假单胞菌.     

不同运行模式下CAST工艺脱氮除磷性能研究

采用三个结构相同的循环式活性污泥法（CAST）反应器,对常规模式、缺氧好氧模式、缺氧好氧交替模式运行下系统的脱氮除磷性能进行了研究,分析了CAST工艺脱氮除磷的限制因素,并且比较了不同运行工况下的系统污泥沉降性能.结果表明：温度为24,℃时,反应器在三种运行工况下总氮的平均去除率分别为67.32%,70.64%8,2.43%,脱氮过程中的限制性因素为曝气时间及温度;增设缺氧搅拌可以提高系统脱氮效率,从而降低回流液体的硝态氮浓度,进而有助于正磷酸盐去除率的提高,三种工况下系统正磷酸盐的去除率分别为65.66%,81.40%,98.01%;三种运行工况下系统内污泥均未发生污泥膨胀,工况三模式下的反应器中的污泥的SVI值在80,mL/g左右,沉降性能最好.     

碳氮质量浓度比值对SBBR工艺处理城市污水脱氮的影响

目的研究在碳源不足的条件下,外加碳源碳氮质量浓度比值对序批式生物膜反应器（SBBR）工艺处理低碳氮质量浓度比值城市污水脱氮特性的影响．方法在厌氧末期、好氧初期投加外加碳源乙酸钠,通过改变碳源的投加量相应的改变系统内的碳氮质量浓度比值．测量每次试验进出水COD、氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮以及总氮的质量浓度变化．结果当外加碳源后碳氮质量浓度比值为5．88时,系统对COD质量浓度的去除率最高,达到95．6％;将碳氮质量浓度比值由3．48增大到11．79,但其对NH3-N的去除效果影响不大,去除率均在90％以上,当外加碳源后碳氮质量浓度比值为3．48时,NH3-N去除率最高为99．37％;外加碳源后的碳氮质量浓度比值为7．94时对TN的去除效果最好,去除率为83．95％．结论外加碳源的加入使得SB—BR系统对低碳氮质量浓度比值生活污水中的COD、NH3-N、TN具有良好的去除效果,使系统脱氮性能提升．     

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 m³)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.     

厌氧氨氧化污泥包埋固定化及其脱氮效能

为维持水中厌氧氨氧化菌生物量,采用水性聚氨酯(WPU)对厌氧氨氧化污泥进行包埋固定化,同时对比聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠(SA)以及PVA-SA包埋后颗粒的机械稳定性和厌氧氨氧化性能.结果显示:4种包埋颗粒均表现出良好的厌氧氨氧化性能,WPU颗粒生物活性最好,机械稳定性最高,相比其他几种材料具有明显的优势,适合作为厌氧氨氧化包埋材料.在WPU包埋颗粒的连续流实验中,通过不断降低水力停留时间(HRT)的方式增加容积负荷,当容积负荷为1.697 kg/(m³·d)时,WPU包埋颗粒仍能达到80%总氮(TN)去除率,并且在100 d内没有观察到出水SS增加和颗粒碎裂的现象,表明WPU包埋颗粒具有很强的抗负荷冲击能力和厌氧氨氧化性能,并且在长期运行中能保持良好的污泥截留能力和稳定性.通过16S r DNA-Cloning分析发现:WPU包埋颗粒内厌氧氨氧化菌主要是Candidatus Brocadia fulgida(JX243641.1),包埋材料作为载体,起到保护厌氧氨氧化菌和提高生物量的作用,但对菌体本身和菌群结构没有影响.     

Degradation Pathway of Benzothiazole and Microbial Community Structure in Microbial Electrolysis Cells

MEC反应器中苯并噻唑的降解途径及微生物群落结构特征

刘先树,丁杰*,任南琪**,赵双阳,张麓岩,李燕,佟清越

（哈尔滨工业大学 城市水资源与水环境国家重点实验室,哈尔滨 150090）

创新点说明：

解析了MEC降解BTH的路径,同时提供了微生物学依据,为难降解废水的处理提供一条新的途径,并为MEC反应器的规模化应用提供理论基础。

研究目的：

课题组前期研究发现,MEC反应器用于处理废水中苯并噻唑（BTH）具有良好的脱毒能力,本文着重探讨BTH的降解路径以及MEC反应器中微生物群落结构的演替规律。

研究方法：

采用LC-MS/MS研究BTH降解过程中产生的中间产物,通过高通量测序解析不同反应器内的微生物群落结构。

研究结果：

采用上流式内循环微生物电辅助反应器（UICMER）处理废水中苯并噻唑（BTH）,最终BTH在电场的刺激作用下,微生物将BTH转化为各种小分子羧酸,最终实现完全矿化。研究发现,BTH首先转化为二羟基苯并噻唑（OHBT）,而后通过3个步骤完成矿化反应：首先噻唑环通过一系列水解和氧化作用开环,其次通过脱氨基和羟基化反应生成2-氨基苯磺酸,最终各种小分子羧酸被矿化为CO2和H2O。此外,电场的存在有助于电极表面选择性地富集某些特定微生物种群,电极上的主要细菌类型属于变形菌,拟杆菌和厚壁菌。

结论：

通过研究发现,MEC可有效提高废水中BTH的降解效率,使微生物反应器能够满足高负荷率的要求,可实现反应器经济高效运行。本研究可为MEC反应器的规模化应用提供理论基础。

关键词：苯并噻唑,微生物电辅助反应器,中间产物,降解路径,高通量测序