反硝化除磷的影响因素及聚磷菌与聚糖菌耦合新工艺的研究进展

反硝化除磷（denitrifying phosphorus removal,DPR）工艺较传统脱氮除磷工艺具有节省曝气能耗、高效利用碳源、低污泥产量等优点而得到广泛的研究。本文综述了近年来在这一领域的研究进展,包括反硝化除磷菌（DPAOs）微生物学、碳源种类、pH、亚硝酸盐浓度及游离亚硝酸（free nitrous acid,FNA）、污泥龄（sludge retention time,SRT）、C/P比及mgNO{}_x^{-}-N/mgPO{}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{3}-}-P、聚糖菌（GAOs）等。大多数研究只关注了聚磷菌（PAOs）和GAOs之间的竞争关系,而通过GAOs作用的内碳源部分反硝化（endogenous partial-denitrification,EPD）,能够将NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N转化为NO{}_{\mathrm{2}}^{-}-N,将进一步降低同步脱氮除磷对碳源的需求。反硝化除磷的新工艺符合我国低C/N值的污水现状,SNADPR工艺是将部分硝化、厌氧氨氧化、反硝化与反硝化除磷相结合的先进脱氮除磷工艺,Anammox-EPDPR工艺协同厌氧氨氧化、EPD和反硝化除磷,充分利用GAOs内碳源的代谢作用,以产生NO{}_{\mathrm{2}}^{-}-N,减轻DPAOs和anammox菌对电子受体的竞争。以NO{}_{\mathrm{2}}^{-}-N为电子受体的短程反硝化除磷与新型脱氮工艺的耦合将成为实现污水高效节能的同步脱氮除磷的新方向。     

反硝化聚磷菌的培养富集及处理生活污水的稳定运行

在厌氧-好氧交替运行的序批式反应器（sequencing batch reactor, SBR）中,以C/P比大于50的实际生活污水为进水,成功驯化富集聚磷菌,平均厌氧释磷量为15 mg·L^-1,出水\mathrm{P}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{3}\text{-}}-P浓度稳定小于0.5 mg·L^-1。在系统运行的第74 d调整运行模式为厌氧-缺氧-好氧,在缺氧开始时短期投加\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{\text{-}}-N配水以驯化培养反硝化聚磷菌。保持系统内\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{\text{-}}-N浓度不变,在进水COD浓度为250 mg·L^-1时,反硝化除磷效果最佳,平均反硝化除磷量占除磷量的比为87.1%。不同pH下反硝化除磷速率的小试证明,在pH=7.0时得到最大的比吸磷速率2.1 mg P·(g VSS·h)^-1。此时调整\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{\text{-}}-N进水为另一个全程硝化反应器的出水,并加大排水比增加缺氧初的进水量使得反应器内缺氧时的pH接近7.0,与未改变pH时对比表明前者在缺氧段反硝化除磷速率加快。反应器共运行160 d,稳定完成COD的去除与反硝化除磷过程。     

聚糖菌反硝化影响因素及内碳源转化特性

在SBR反应器中以乙酸钠为碳源、\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}-N为电子受体成功富集了反硝化聚糖菌，并采用批次实验进一步考察了进水C/N比（3.3,6.7,10）、电子受体（\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}-N、\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2^{-}-N）、碳源类型（乙酸钠、葡萄糖）对反硝化聚糖菌活性的影响及内碳源转化特性。实验结果表明，进水C/N比越高，系统\mathrm{N}{\mathrm{O}}_x^{-}-N去除率越高，厌氧段合成PHB越多，但进水C/N比过高会导致普通反硝化菌占优势，影响内碳源反硝化效率，进水C/N比为6.7较为合适；以\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}-N为电子受体长期培养的DGAOs系统未经\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2^{-}-N驯化，对\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2^{-}-N同样具有良好的反硝化性能，在投加与\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}-N相同浓度的\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2^{-}-N后，系统\mathrm{N}{\mathrm{O}}_x^{-}-N去除率达89.6%；当以葡萄糖为碳源时，DPAOs在厌氧段合成的PHB的量仅为以乙酸钠为碳源时合成PHB量的79.5%，且厌氧段葡萄糖利用率仅为72.8%，远远小于乙酸钠的利用率。     

反硝化除磷+短程反硝化厌氧氨氧化工艺的深度脱氮除磷效能

为经济高效地去除城市生活污水和硝酸盐废水中的氮磷元素,本研究在厌氧折流板反应器（ABR）和连续搅拌反应器（CSTR）一体式反应器中分别建立了反硝化除磷（DPR）和短程反硝化厌氧氨氧化（PDA）工艺。结果表明,反应器运行185天,在缺氧/厌氧和外加COD/NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N比仅为0.7条件下,PO{}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{3}-}-P和TN的去除率高达96.91%和97.75%,最终出水PO{}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{3}-}-P和TN的浓度低至0.22mg/L和3.30mg/L,意味着该系统极佳的脱氮除磷效果不依赖氧气和有机碳源量。DPR对系统PO{}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{3}-}-P和TN的去除均占主体部分（99.07%和60.23%）,而PDA对总氮（TN）的去除占比呈现逐渐上升的趋势（4.53%→37.52%）。批次实验表明：①COD（300mg/L）显著抑制DPR菌活性,PO{}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{3}-}-P主要是在缺氧状态下以NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N为电子受体,有机物为电子供体通过DPR途径去除;②高效短程反硝化过程（亚硝酸转化率92.25%）稳定为厌氧氨氧化供给电子受体（NO{}_{\mathrm{2}}^{-}-N）,DPR系统剩余NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N主要被NO{}_{\mathrm{2}}^{-}-N氧化去除,因此DPR+PDA系统实现了高效同步脱氮除磷效果。高通量测序表明,Accumulibacter（7.41%）是DPR系统功能性除磷菌,Thauera（7.24%）和Candidatus Brocadia（3.12%）为PDA系统关键脱氮菌。     

曝气强度对SBBR同步生物脱氮及N2O释放影响

以生活污水为处理对象，采用碳纤维填料制成序批式生物膜反应器（sequencing batch biofilm reactor，SBBR），采用N₂+O₂联合曝气的方式，通过改变N₂和O₂的比例，稳定系统内DO浓度为1.5 mg/L，考察不同曝气强度（30、20和10 L/h）下系统脱氮性能及N₂O释放特性。异养菌和硝化菌共生于生物膜内，异养菌位于外层，硝化菌位于内层，曝气强度降低有利于外部异养菌大量增殖，生物膜厚度增加。曝气强度为30 L/h和10 L/h条件下，SBBR系统\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-\mathrm{N}去除率分别为95%以上和79.2%±1.6%，同步脱氮效率分别为46.2%±2.6%和62.1%±2.3%，N₂O产率分别为6.25%±0.6%和2.93%±0.43%。缺氧阶段，反硝化过程和PHA（聚β–羟基烷酸酯）积累同时发生；好氧阶段，PHA呈先增加后减少的趋势。初始阶段增加的PHA为后续同步发生的反硝化过程提供了电子供体。AOB的好氧反硝化过程和异养菌反硝化过程均可导致N₂O的产生。曝气强度降低导致水力剪切力下降，生物膜内缺氧范围扩大，缺氧区N₂O停留时间延长，利于其反硝化减量。曝气强度由30 L/h降至10 L/h，微生物胞外聚合物（EPS）分泌减少，PS/PN（多糖/蛋白质）由8.59 mg/mg降至6.58 mg/mg,生物膜致密性降低，碳源和N₂O以扩散形式进入缺氧区域能力增强，N₂O释放量降低。     

硫自养/异养协同反硝化深度脱氮处理三氯蔗糖生产废水

为解决工业废水普遍存在的氮污染问题及单一电子供体的反硝化技术存在的缺陷,在上流式高效流化床反硝化反应器中,本文以Na₂S₂O₃和葡萄糖为底物构建硫自养/异养协同反硝化脱氮系统,研究其对三氯蔗糖生产废水二级处理出水的深度脱氮效果。在(35±1)℃下,调整进水C/N/S为1.3/1/1.9,反应器在40~109天运行期间,达到较高的脱氮水平,NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N去除率均在93%以上,最大NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N去除负荷达到3.52kg/(m³·d),且在不投加pH缓冲剂的条件下,出水pH始终保持在7.0以上。硫自养/异养协同反硝化污泥的群落组成以自养反硝化菌和兼养反硝化菌为主,其占比分别为45.69%和25.38%,异养反硝化菌相对较少。其中Thiobacillus是相对丰度最高的自养反硝化细菌,占比39.02%。     

高氯酸盐还原菌的代谢过程及应用研究进展

生物法降解高氯酸盐（\mathrm{C}\mathrm{l}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{-}）作为一种经济、高效、二次污染小的技术,在处理\mathrm{C}\mathrm{l}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{-}方面取得了显著的效果。本文综述了高氯酸盐还原菌还原\mathrm{C}\mathrm{l}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{-}的主要机理、不同菌株的来源及特性、降解过程中其他因素（如电子受体、电子供体、pH、温度、盐度和重金属等）对高氯酸盐还原菌性能的影响并对高氯酸盐还原菌的应用现状进行了概述。指出高氯酸盐还原菌广泛存在于环境中,可通过一系列还原酶将\mathrm{C}\mathrm{l}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{-}还原为Cl^-,但是不同菌株的还原机理可能存在一定差异需进一步研究。同时操作参数和环境因子均会对高氯酸盐还原菌降解\mathrm{C}\mathrm{l}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{-}性能产生或正或负的显著影响。电子供体的额外投加作为生物法的缺点,使得其在实际工程中的应用非常有限。因此,寻找经济性较好的电子供体并将其应用在实际工程中是未来生物法降解\mathrm{C}\mathrm{l}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{-}研究的热点。本文就电子供体的投加策略及未来高氯酸盐降解研究方向提供了一些见解,以期实现生物法更经济、高效地应用在实际\mathrm{C}\mathrm{l}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{-}污染水体处理中。     

Feammox系统内氮素转化途径的研究

铁氨氧化（anaerobic ammonium oxidation coupled to Fe(Ⅲ) reduction,Feammox）是指在厌氧条件下,氨氮氧化耦合三价铁还原的一种新型污水生物脱氮工艺。为确定Feammox反应系统中存在的氮转化的途径,在厌氧条件下接种普通活性污泥驯化培养Feammox,探究了不同途径对氨氮转化的贡献率并进行了相关性分析。研究结果表明：在厌氧间歇反应器ASBR中,经过120 d的富集培养,\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-\mathrm{N}最大去除率达53.8%,最大去除量约26.9 mg/L,其中Feammox反应途径对\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-\mathrm{N}去除的贡献率为57.7%,厌氧氨氧化(Anammox)约占42.3%。在典型周期分析发现,在0~7 h内对\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-\mathrm{N}去除量为14.74 mg/L,Anammox反应速率较快,起主导作用;7~24 h 对\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-\mathrm{N}去除量为12.16 mg/L,以Feammox反应为主;在整个运行周期内铁盐反硝化（nitrate-dependent Fe(Ⅱ) oxidizing,NDFO）去除\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}-\mathrm{N}约5 mg/L。由相关性分析可得,\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-\mathrm{N}浓度与Fe(Ⅲ)、\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}^{-}-\mathrm{N}浓度呈显著性正相关（P_Fe<0.05、P_{\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}}<0.01）,而\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}-\mathrm{N}与Fe(Ⅲ)呈负相关（P<0.5）。实验结果表明在Feammox、Anammox以及NDFO共同作用下,该系统实现了污水自养型脱氮。     

基于可变价NiFe-LDH/rGO对磷酸根离子的特异性电控分离

磷是一种不可再生资源。为解决现有磷污染以及磷资源流失等问题,通过油浴与热化学还原相结合的方法,成功制备出一种NiFe-LDH/rGO电活性杂化膜材料。使用电化学方法,在氧化还原电位的控制下,Ni、Fe(Ⅱ/Ⅲ)双金属发生核外电子的跃迁,高价态的Ni、Fe(Ⅲ)与\mathrm{P}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{3}-}发生内球络合作用,实现\mathrm{P}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{3}-}的选择性置入-置出。实验获得270 mg·g^-1的高\mathrm{P}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{3}-}吸附容量及85%以上的再生效率。此外,该杂化膜材料在共存离子存在的复杂水体中,对\mathrm{P}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{3}-}具有优异的选择性,为磷石膏渗滤液以及各种含磷废水污染等问题的解决提供有效的理论技术支撑,具有广阔的应用前景。     

混合润湿性图案化铜基表面冷凝换热性能研究

采用聚四氟乙烯纳米颗粒涂料在50 mm×100 mm铜基表面构造超疏水表面以及条纹图案混合润湿性表面。为探究条纹倾角对冷凝换热的影响,条纹与铜板宽度方向分别成90°与60°的混合润湿性表面被应用于实验中。实验结果表明,超疏水表面传热系数h_{\mathrm{d}\mathrm{w}\mathrm{c}}与混合润湿性表面冷凝传热系数h_{\mathrm{h}\mathrm{y}\mathrm{b}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{d}}随换热温差\mathrm{\Delta }{T}_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{b}}增大而增大。同时,h_{\mathrm{d}\mathrm{w}\mathrm{c}}和h_{\mathrm{h}\mathrm{y}\mathrm{b}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{d}}与冷凝液的脱落频率存在强相关关系,脱落频率越高,h_{\mathrm{d}\mathrm{w}\mathrm{c}}、h_{\mathrm{h}\mathrm{y}\mathrm{b}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{d}}越大。超疏水表面冷凝液脱落频率低,h_{\mathrm{d}\mathrm{w}\mathrm{c}}在0~20 K的换热温差范围内始终低于膜状凝结。混合润湿性表面能有效强化超疏水表面的冷凝换热,条纹倾角为60°的表面在\mathrm{\Delta }{T}_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{b}}为11.3 K时测得最高传热系数16.64 \text{?}\mathrm{k}\mathrm{W}/({\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}?\mathrm{K}),是超疏水表面传热系数的2.14倍;而条纹倾角为90°的表面在\mathrm{\Delta }{T}_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{b}}为13.8 K时测得最高冷凝传热系数13.63 \mathrm{k}\mathrm{W}/({\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}?\mathrm{K}),是超疏水表面传热系数的1.68倍。     

A2N2双污泥系统反硝化除磷工艺的启动与稳定

采用低C/N比实际生活污水,以A₂N₂-SBR（厌氧/硝化/缺氧/硝化）双污泥系统为研究对象,重点考察了A₂N₂系统启动过程中的脱氮除磷特性。试验结果表明：采用在A²/O-SBR和N-SBR单元分别接种种泥,分开培养驯化聚磷菌污泥和硝化菌生物膜,并利用A²/O-SBR单元的出水作为N-SBR单元的进水,25 d好氧硝化菌生物膜挂膜成功,氨氮去除率稳定在93%以上;A²/O-SBR单元采用先厌氧/好氧（A/O）后厌氧/缺氧（A/A）的运行方式,43 d成功培养富集了反硝化聚磷菌（DPAOs）,DPAOs占PAOs的67.81%,反硝化除磷率在77.9%以上;启动成功后原水中约73%和13%的COD分别在A²/O-SBR单元的厌氧段和N-SBR单元曝气过程中被去除,系统出水COD、NH⁺₄-N、PO₄^3--P、TN浓度分别为40.6、0、0.4、13.5 mg·L^-1,达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A排放标准。     

集成式铁基质生物膜反应器自养反硝化深度脱氮

以污水厂处理水为研究对象,采用铁基质生物载体与生物膜耦合实现高效自养反硝化脱氮。考察停留时间（HRT）对系统脱氮效能的影响,通过动力学及微生物群落结构分析,揭示耦合技术的脱氮机理。结果表明：HRT为8 h,对一级A和一级B污水厂处理水,总氮(TN)平均去除率分别为95.41%和92.55%,TN处理负荷分别为0.48 kg TN/(m³·d）和0.58 kg TN/(m³·d）,硝化过程氨氮(NH₄⁺-N)饱和常数分别为1.17 mg/L和0.72 mg/L,反硝化过程硝氮(NO₃^--N)饱和常数分别为0.87 mg/L和0.67 mg/L。出水水质分别达到《地表水环境质量标准》Ⅲ类、Ⅴ类水质标准。铁基质生物载体与生物膜耦合系统中微生物优势菌属为Maritimimonas、Rhodobacter和Sphaerotilus, 均为自养反硝化菌,证实了铁基质生物载体可为自养反硝化菌提供电子,实现生物自养反硝化脱氮。     

运行方式对SBBR亚硝酸型同步脱氮及N2O释放的影响

以实际生活污水为处理对象,利用序批式生物膜反应器（sequencing batch biofilm reactor,SBBR）,碳纤维为填料（填充率35%）,在(20±2.0)℃条件下,分别通过低氧和间歇曝气两种运行方式,成功实现了亚硝酸型同步生物脱氮（simultaneous nitrification and denitrification, SND）过程。120 d后,氨氧化菌（ammonia oxidizing bacteria, AOB）成为硝化系统中优势菌种。AOB具有的“饱食饥饿”特性保证间歇曝气下能快速实现亚硝积累。生物膜能够吸附大量有机物并以聚β–羟基烷酸酯(poly-β-hydroxyalkanoate, PHA)的形式储存在微生物体内,用作后续同步反硝化过程所需碳源。低氧（DO=0.5 mg/L）和间歇曝气条件下,SBBR反应器氨氮去除率均达95%以上,同步脱氮效率分别为77.9%和87.1%,出水以 \mathrm{N} {\mathrm{O}}_2^{-} -N为主,N₂O产率分别为4.38%和3.65%。低DO和间歇曝气均能降低COD降解速率,为同步反硝化过程节省外碳源作为电子供体,降低N₂O释放量。低氧条件下,AOB的好氧反硝化过程和以PHA作为内碳源的异养菌反硝化过程,都会导致N₂O释放增加。间歇曝气条件下交替存在的缺氧环境降低了好氧反硝化底物,有利于减少N₂O释放量。     

多点进水改良型复合A2/O处理低C/N污水

以低C/N比城市生活污水为研究对象,重点考查了改良A²/O工艺的脱氮除磷性能。原水按一定比例分配给厌氧池和缺氧池,以合理分配厌氧释磷和缺氧反硝化所需的碳源;在好氧池和缺氧池中分别投加填料,以稳定系统的硝化和反硝化效果,提高系统的脱氮性能;厌氧池和缺氧池出水都直接进入好氧池。在进水COD/TN平均为5.54,HRT为11 h,SRT为15 d,MLSS为3000～4000 mg·L^-1,污泥回流比为50%条件下,通过三种不同进水分配比以及三种混合液回流比的对比试验研究,得到系统最佳进水分配比5:5,对分配脱氮和除磷所需碳源更加合理;而混合液回流比为200%,过高会破坏缺氧池的溶解氧环境,过低又会导致缺氧池反硝化作用不能充分发挥。在最优工况下COD、NH₃-N、TN和TP出水水质分别为29.7、0.1、11.8和0.42 mg·L^-1,平均去除率分别达到87.8%、99.7%、72.4%和91.3%,出水优于国家GB 18918-2002一级A排放标准,并且在缺氧池中发生了明显的反硝化除磷现象。     

FA与FNA对两级UASB-A/O处理垃圾渗滤液短程硝化的影响

采用两级UASB-A/O组合工艺处理实际高氨氮城市生活垃圾渗滤液,在获得稳定的有机物与氮同步去除的前提下,重点考察游离氨(FA)与游离亚硝酸(FNA)对短程硝化稳定性的影响。在UASB1中进行反硝化同时产甲烷以去除部分TN和部分COD,在UASB2通过产甲烷进一步去除COD,在A/O反应器中主要实现高氨氮的短程去除和剩余COD的降解。试验共进行104 d,历经短程硝化稳定、破坏和恢复3个阶段。结果表明,当最小FA浓度控制在3.1 mg.L-1以上时,系统可维持稳定的短程硝化,NH+4-N去除率、NO-2-N积累率、TN去除率分别可达到99%、95%和86%。当FA浓度小于0.6 mg.L-1时,在原水碱度充足且过曝气的条件下,仅依靠FA对NOB的抑制作用,难于维持短程硝化,NO-2-N积累率下降到29%。前两阶段的FNA浓度均低于0.011 mg.L-1,没有对NOB起到抑制作用,而在第3阶段,FA浓度仍维持在较低浓度,但系统FNA浓度通过降低pH值而大幅度提高(最大值为0.414 mg.L-1),从而利用FA和FNA的协同抑制作用迅速恢复并维持短程硝化,NO-2-N积累率升高到92%。可见FA与FNA是实现并维持城市生活垃圾渗滤液短程硝化的重要影响因素。