Sustainable nitrogen elimination biotechnologies: a review

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\t\t\t\t\tNitrosomonas菌属、Nitrospirae菌门的\t\t\t\t\tNitrospira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\t\t\t\t\tNitrospira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、\t\t\t\t\tAnerolineaceae菌属、\t\t\t\t\tDokdonella菌属、\t\t\t\t\tFerruinibacter菌属等)的菌群结构差异.\t\t\t\t

     

A2O-BAF联合工艺处理低碳氮比生活污水

为了实现低ρ（C）/ρ（N）比实际生活污水有效的脱氮除磷,以A-SBR和N-SBR构成的双污泥反硝化除磷系统（A₂N₂）为研究对象,重点研究反应器在不同进水量（用进水比表征）和硝化液回流量（用内交换比表征）条件下对各污染物的去除情况.A-SBR单元厌氧1.5 h,缺氧2 h,好氧10 min,而N-SBR硝化单元一次硝化和二次硝化时间分别为4、1 h,A-SBR和N-SBR单元的曝气量恒定,N-SBR填料填充率为66%.在此条件下,通过改变进水比R₁（70%、75%、80%）和内交换比R₂（70%、75%、80%）,做了9个平行试验.试验结果表明：在不同的进水比和内交换比条件下,A₂N₂系统都能稳定而高效地将有机物去除,各阶段平均COD去除率均在80%以上.而在TN的去除性能上有较大的差异,去除率为61.67%~78.3%.在进水比和内交换比分别为70%和80%时,A₂N₂系统脱氮效果达到最佳,平均TN去除率高达78.3%,平均出水TN质量浓度为9.2 mg/L,在除磷方面,内交换比由70%增加到80%,反硝化除磷率保持在99%以上,出水磷质量浓度在0.1 mg/L以下.

     

西安市典型景观水体水质及反硝化细菌种群结构

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 HiSeq 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:1 000 hits,narG:8 204 hits,napA:1 828 hits,nirk:1 854 hits,norB:2 538 hits,nosZ: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.

     

A2/O工艺的固有缺欠和对策研究

为了研究进水碳氮比对AAO-曝气生物滤池（BAF）双污泥脱氮除磷系统的影响,以实际生活污水为处理对象,研究了一个处理量约为50 m³/d的中试规模AAO-BAF系统在碳氮比分别为3.3±0.3、4.5±0.3、6.0±0.3时长期运行的脱氮除磷特性.试验结果表明：在碳氮比约为3.3时,AAO-BAF工艺对COD、TN、PO₄^3--P的去除率分别可达到71.4%、67.6%和85.6%.适当提高有机物浓度,当碳氮比约为4.5时,AAO-BAF工艺对COD、TN、PO₄^3--P的去除率分别可达到79.7%、70.0%和93.5%,系统的脱氮除磷性能最佳,平均出水TN和PO₄^3--P为12.40、0.20 mg/L.但当碳氮比继续提高至约为6.0时,过量的有机物会使缺氧区内存在大量可利用有机物,反硝化菌优先利用电子受体NO₃^--N,削弱了反硝化除磷菌的活性.同时会有剩余的有机物进入BAF,导致异养菌的增殖,氨氮不能完全氧化,使得缺氧区的电子受体进一步减少,影响系统的脱氮除磷功能.此时,AAO-BAF工艺对COD的去除率为81.6%,TN、PO₄^3--P的去除率分别迅速下降至55.1%和63.2%以下,系统接近崩溃.

     

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(R_SOUR)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,R_SOUR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,R_SOUR大幅下降,每克MLSS每分钟从0.01 mg降到0.004 mg.R_SOUR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R_SOUR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R_SOUR为参数进行实时控制奠定理论基础.     

污水复合式厌氧水解酸化预处理试验研究

针对现有污水水解酸化预处理工艺运行效率低等问题,提出了一种复合式污水水解酸化处理工艺.自下至上依次经过悬浮污泥区、泥水分离区、生物膜强化出水区.通过处理配制啤酒废水试验表明,进水ρ(COD)在0.6~1.0 g/L时,ρ(COD)去除率大于50%,ρ(SS)去除率大于70%,ρ(BOD₅)/ρ(COD)升高0.25.试验还研究了悬浮污泥段污泥浓度、水力停留时间、进水有机物负荷对水解酸化效果的影响以及污泥减量化特性.该工艺耐有机负荷冲击能力强、对有机物去除率高、剩余污泥产量小、水解酸化效率高、占地面积小、便于一体化施工管理.     

强化生物除磷工艺富集聚磷菌及其微生物菌群分析

为了研究聚磷菌的生长机理和菌种特性,在序批式SBR反应器中,以普通活性污泥富集聚磷菌,在厌氧/好氧条件下,以乙酸钠/丙酸交替作为碳源富集高浓度聚磷菌,采用FISH结合DGGE的分子生物学手段研究了富集周期内系统微生物种群结构的变化.DGGE结果表明:试验前后微生物种群结构发生了明显改变,其菌群的多样性指数、丰富度指数和条带数具有一致的变化趋势,在运行第2阶段末期达到最高值,进入稳定运行阶段,这3项指数下降,优势度上升.聚类分析表明,稳定运行期间种群群落相似度较高.FISH结果表明:在启动和负荷提高阶段聚磷菌与聚糖菌呈现共同增长的趋势,在第71天分别达到41%和39%;在稳定运行阶段聚磷菌成为明显的优势菌属,占总菌群的89%,反应器内仅存在少量聚糖菌.     

体积比对分段进水工艺处理低浓度废水性能的影响

采用改良A²/O四点分段进水工艺处理低浓度、低碳氮比城市生活污水.在HRT为8.7 h、SRT为15 d、污泥回流比为75%、进水流量分配比为20:35:35:10、好氧段ρ(DO)为1~1.5 mg/L条件下,通过调整不同的厌氧/缺氧/好氧体积比,分析体积比对污染物去除性能的影响.结果表明:不同的体积比对COD、氨氮的去除基本无影响,但对TN、TP去除影响较大.当厌氧/缺氧/好氧体积比为4:8:10时,对污染物去除效果最佳,出水COD、氨氮、总氮、总磷质量浓度分别为28.12、0.58、9.26、0.43 mg/L,进水碳源有效利用率达72.4%.通过逐步减少好氧段体积以提高缺氧段体积的策略,可使进水碳源在各缺氧段或厌氧段被充分利用,同时有利于反硝化除磷菌的富集,DPAOs最高比例为20.9%.     

pH对生物脱硫系统的性能及菌群结构的影响

为探究pH对生物脱硫反应器性能、生物量及微生物种群结构的影响, 一座生物滴滤池(bio-trickling filter, BTF)分别运行在中性偏碱(6.0 < pH < 9.5)、弱酸(2.6 < pH < 5.5)和极酸(pH < 1.0)环境下。结果表明, BTF获得对H₂S的最大脱硫性能分别为246.5、142.8和164.6 g/(m³·h)。中性偏碱下BTF的脱硫性能最佳, 这是由于较低的H₂S气液传质阻力及较高的硫氧化菌活性。保持此pH范围需消耗大量碱性试剂, 这导致反应器的运行成本升高和操作过程变得复杂。在极酸环境中, 耐酸的硫氧化菌——Mycobacterium逐渐占据主导(79.2%), 且生物膜拥有高硫氧化活性(比耗氧速率1.35 mg/(g·min)), 非耐酸的微生物被淘汰, 这维持了系统内生物量的稳定(生物量质量浓度10~11 g/L), 避免了反应器的堵塞, 降低了生物量控制和pH调整的成本。综上, 通过富集高丰度且高活性嗜酸的Mycobacterium, BTF在极酸环境(pH < 1.0)下仍可获得较高的脱硫性能, 扩大了生物反应器运行的pH范围。

     

多因素对反硝化除磷过程中COD、N和P的去除分析

以A²O-生物接触氧化(BCO)工艺系统反硝化除磷活性污泥为研究对象,应用Central Composite Design(CCD)设计考察了起始COD浓度、硝酸盐氮浓度、反应温度和缺氧反应时间对反硝化除磷反应的3个响应值COD去除率(Y_cod)、N去除率(Y_n)和P去除率(Y_p)的影响。结果表明,起始COD对反硝化除磷反应中COD、N和P的去除都有重要影响,且缺氧反应时间对Y_n有较大影响,反应温度对Y_p有很大影响;3个响应值的模型方程均显著,R²分别为0.9853、0.9118和0.9972;当COD为316.95 mg·L^-1、硝酸盐氮为42.26 mg·L^-1、反应温度为27.19℃、缺氧反应时间为237.37 min时,Y_cod、Y_n和Y_p的模型预测值分别为93.54%、99.96%和99.56%,试验响应值分别为92.03%、91.15%和81.64%