常温下CANON反应器中功能微生物的沿程分布

为研究常温环境中上向流曝气生物滤池型CANON反应器中功能微生物的沿程分布特点,采用扫描电镜对微生物形态进行观测,并基于amoA以及16S rDNA片段的多样性,采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳分析技术（PCR-DGGE）对滤层不同高度的功能微生物进行群落结构分析,通过分子克隆法进行种属鉴定及系统发育分析．结果表明:反应器内微生物形态多样,其中优势菌为0.2～1.0 μm的球形及椭球形菌;滤层500 mm以下的氨氧化细菌种类和数量远远高于滤层上半部分,而厌氧氨氧化菌种类单一,其数量沿滤层自上而下有增强的趋势;反应器中检测到的氨氧化细菌为亚硝化球菌属(Nitrosococcus)和亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas),而厌氧氨氧化菌与Candidatus Kuenenia stuttgariensis的相似度高达98％．基于功能微生物的种属特征及沿程分布特点,可以有针对性地改善功能分区,改变滤料材质,从而增强反应器的脱氮效果及抗冲击能力．     

MBR-CANON工艺处理生活污水的快速启动及群落变化

为研究全程自养脱氮工艺(CANON)处理生活污水的可行性,在常温膜生物反应器（MBR）中,保持进水氨氮不变,采用逐渐缩短水力停留时间(HRT)的策略在限氧条件下快速富集氨氧化菌(AOB),之后减小曝气量并进一步缩短HRT富集厌氧氨氧化菌(anammox),并通过DGGE技术分析不同阶段的种群变化．结果表明：CANON工艺在78 d内成功启动,总氮去除率达80％,总氮去除负荷RNR达0.95 kg·m-3·d-1;将该工艺应用于生活污水的处理,实现了COD和氨氮的同时高效去除;微生物群落发生了较大变化,稳定运行的反应器中氨氧化细菌为亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas),厌氧氨氧化菌为Candidatus Kuenenia stuttgariensis．MBR-CANON工艺可以有效应用于常温生活污水的脱氮．     

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.     

生物转盘中厌氧氨氧化污泥特性及菌种的初步鉴定试验研究

对厌氧生物转盘系统中具有厌氧氨氧化功能的污泥进行生物特性及分子生物学的初步鉴定试验研究.结果表明:污泥呈砖红色,系统中除附着在盘片上的生物膜外,槽间还存在颗粒污泥及少量絮体;镜检发现细菌主要为短杆状和球状两种形态,革兰氏阴性;SEM发现颗粒污泥多孔隙,颗粒和生物膜表面荚膜包围有球菌;间歇试验表明最大氨氧化速率为0.210 kg NH+4-N·kg-1VSS·d-1,总氮污泥去除负荷达0.311 kg TN·kg-1VSS·d-1;用厌氧氨氧化菌特异性引物进行PCR扩增,琼脂糖凝胶电泳显示清晰的特异性条带;核酸序列经测序及BLAST功能比对、进一步构建进化树表明该细菌与已报道的厌氧氨氧化菌Candidatus Kuenenia stuttgartiensis同属,与其基因序列相似性为100%,初步鉴定了其种属.     

低氨氮条件下厌氧氨氧化生物滤池快速启动

在14.2~23.9℃下,将厌氧氨氧化(ANAMMOX)菌颗粒污泥接种于火山岩填料生物滤池,以期缩短其启动时间.启动初期,当进水ρ(NH4+-N)=70 mg/L、ρ(NO2--N)=90 mg/L时,TN去除负荷为0.12 kg/(m3.d);自启动第105天,TN去除负荷达到2.22 kg/(m3.d),实现了厌氧氨氧化生物滤池的快速启动.结果表明,根据氮气产量、生物膜表观颜色、脱氮速率和pH值的变化,可将启动过程分为ANAMMOX菌的驯化与快速扩增2个阶段.     

电气石对厌氧氨氧化菌驯化与反应器启动的影响

为了研究电气石对厌氧氨氧化菌驯化过程的影响,采用2个平行的连续搅拌式生物反应器,其中一个添加电气石(记为R1),另一个未添加电气石作为空白对照(记为R2).2个反应器均在第23天观察到显著的NH_4~+-N和NO_2~--N同时去除,即表现出厌氧氨氧化活性.添加电气石反应器R2的污泥适应期比对照反应器R1缩短42 d(R2为12 d,R1为54 d),且最高氮负荷达到205.0mg/(L·d),比对照表现出更好的耐负荷冲击能力.此外,电气石可以调控pH和氧化还原电位使其保持在厌氧氨氧化菌适合范围内,为驯化提供稳定环境.厌氧氨氧化活性批式实验显示,添加电气石驯化得到的菌体的SAA最高比对照增加48.8%,微生物胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)检测结果显示,添加电气石反应器R2的多糖、蛋白质和总EPS分别比对照反应器R1增加7.6%、86.7%和43.8%,说明电气石可以促进微生物生长代谢,提高厌氧氨氧化反应活性.粒径与扫描电子显微镜检测说明:电气石并不利于污泥颗粒化,而是大部分污泥与电气石分散生长.谱系分析说明:驯化过程中,微生物组成由接种活性污泥中大量杆菌与丝状菌逐渐演变,筛选出如反硝化菌、亚硝化菌等功能菌种.     

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 over nitrite,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℃±1℃),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 rDNA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,AnAOB)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,AnAOB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,AnAOB受到抑制;长期运行条件下,反应器内生物多样性及AnAOB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AnAOB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.     

有机碳源对SNAD工艺脱氮性能及微生物种群结构的影响

为考察不同有机碳源质量浓度对亚硝化的全程自养脱氮工艺(SNAD)脱氮性能的影响,将该工艺应用到生活污水的处理中,采用MBR反应器,以葡萄糖作为有机物来源,通过逐步增大COD来实现,并运用PCR-DGGE技术研究了微生物种群结构的变化.反应器运行结果和DGGE图谱分析表明:碳氮比为0~2时,COD的增加不会抑制AOB和Anammox菌,AOB和Anammox菌的菌属种类不受影响,反而通过反硝化作用提高氮去除负荷.总氮去除率和氮去除负荷分别为67%和0.34 kg/(m3·d)左右.碳氮比为3~4及生活污水运行条件下,Anammox菌不受影响,AOB的活性受到抑制,菌属种类减少,脱氮效率下降.生活污水运行阶段,总氮去除率和氮去除负荷平均分别为73%和0.17 kg/(m3·d).Nitrosomonas和Candidatus Kuenenia stuttgartiensis一直是反应器内的优势菌属,共同完成脱氮过程.     

曝气生物滤池的微生物种群优化与分布

为研究反应器内的微生物种群关系,以强化污水脱N处理,本试验采用上流式曝气生物滤池,以生活污水为原水,在水力负荷、pH值以及溶解氧(DO)方面对微生物进行生化反应和结构优化的影响情况进行了研究．试验结果表明,污染物负荷对2级滤池的种群竞争具有重要作用,适当地控制负荷可使反应器在各自的优化状态下运行．pH<8．5对维持长时间短程硝化可行性不大,但是控制ρ(DO)<1．8 mg／L,在一定负荷时,利用在较低的ρ(DO)条件下氨氧化菌的比增殖速率比亚硝酸盐氧化菌的比增殖速率高的特点,亚硝酸盐积累率可以达到 84％,有利于短程硝化反硝化反应器的工艺设计．     

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％．     

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.     

BEAC工艺中微生物群落变化和种群稳定性

为了解生物增强活性炭(BEAC)上微生物群落变化和种群的稳定性,从运行13 d、26 d和39 d的BEAC炭柱的上层、中层、下层进行取样,通过细胞裂解来获取基因组DNA,纯化后,用对细菌16S rDNA基因V3区具有特异性的通用引物F357-GC和R518对其进行聚合酶链式反应(PCR)扩增,得到长约250 bp的PCR产物.用变性梯度凝胶电泳(DGGE)对PCR产物进行分离,获得炭柱内微生物群落的16S rDNA基因V3区的指纹图谱.研究表明:随着反应器的运行,活性炭柱内微生物的群落结构、种类以及数量都具有时序动态性;原水带入的其他菌的种类和数量不断减少;人工强化固定的5株菌一直存在,它们在空间上呈现不同的分布,这些菌经历了动态的演替后,逐渐成为优势菌群,群落结构趋于稳定.固定化菌群的稳定性从根本上保证了整个系统的运行和处理效果的稳定性.     

常温条件下厌氧氨氧化生物滤池影响因素

为了推动厌氧氨氧化(ANAMMOX)在城市污水处理中的工程化应用,在常温条件下,采用生物滤池反应器,分别考察了硝酸盐、磷酸盐、氨盐和亚硝酸盐对ANAMMOX运行效能的影响.试验结果表明:当进水NO3--N质量浓度提高至约500mg/L时,不会对总氮去除负荷产生明显的影响;而当进水总磷质量浓度大于10mg/L时,总氮去除负荷下降明显,停止投加磷酸盐后,总氮去除负荷可以得到恢复;适当提高NH4+-N和NO2--N的浓度,有利于总氮去除负荷的提高.可见常温条件下,硝酸盐对于低氨氮城市污水ANAMMOX生物滤池的脱氮活性基本不存在影响.而正磷酸盐浓度负荷对于ANAMMOX反应具有一定的影响,且进水磷酸盐浓度的提高对常温低氨氮城市污水ANAMMOX反应存在可逆性抑制作用.     

生物除磷系统不同阶段性能及微生物群落分析

为探讨工艺运行与微生物群落的关系,在厌氧/好氧SBR反应器中考察生物除磷系统的启动期、稳定期和恶化期的性能,并利用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术研究该系统各阶段功能微生物群落结构特征.启动期历时26d,包括适应期和上升期两个阶段,磷的去除率从40%以下提高到80%,之后进入稳定期,磷去除率维持在80%以上.稳定期的功能微生物为Tetrasphaera elongate,Gemmatimonas aurantiaca和Uncultured γ-proteobacterium.稳定运行80d后进入恶化期,磷去除率降到70%以下.恶化期和稳定期的微生物群落结构差别很大,功能微生物Uncultured γ-proteobacterium被淘汰,竞争菌Candidatus Competibacter phosphatis clone SBRQ22显著增加.     

低基质质量浓度条件下ANAMMOX生物滤池脱氮效果研究

研究了在低基质质量浓度条件下ANAMMOX生物滤池的脱氮效果.试验结果显示,NH_4~+-N的质量浓度在10～25 mg/L时,厌氧氨氧化滤池具有很高的基质去除率,NH_4~+-N的平均去除率为93.07%,NO_2~--N的平均去除率为82.23%,NO_2~--N与NH_4~+-N适宜的配比值为1.34,生物滤池脱氮高效段的滤池深度为0～60 cm.     

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.     

厌氧氨氧化菌代谢有机物研究

以厌氧氨氧化菌(ANAMMOX菌)为基础开发的工艺被认为是最为简捷的生物脱氮过程.由于绝大多数废水中含有有机物,有必要研究有机物对ANAMMOX菌产生的影响.在ANAMMOX反应器内,大量有机物的引入会抑制ANAMMOX菌的活性,但是这种抑制作用往往是可逆的.此外在所有已被发现的5个ANA-MMOX菌属中,有4个属能不同程度地代谢小分子有机物(如甲酸、乙酸、丙酸等).综述了国内外在有机物对ANAMMOX菌及其工艺的影响研究领域所取得的成果,分析近5年对ANAMMOX菌代谢有机物的研究,从而为高氮低碳废水处理新途径提供新思路.