废水生物脱氮技术研究进展

介绍了几种新型脱氮工艺,主要包括短程硝化反硝化、氧限制自养硝化反硝化(OLAND)、全程自养脱氮(CANON)、厌氧氨氧化、同步反硝化脱磷除硫等工艺。它们以亚硝化反应和厌氧氨氧化反应为主,使脱氮具有更加低能耗、高效率的特点。微生物种类的扩展,厌氧氨氧化和反硝化反应的竞争,羟氨转化为联氨是厌氧氨氧化菌活性出现的标志等是最新的研究内容,但新型脱氮工艺的影响因素与控制方略,特别是相关物质转换,微生物学机理有待进一步研究。     

冷藏孵育对厌氧氨氧化低温脱氮性能和菌群结构的影响

为提高厌氧氨氧化菌在低温(10～15℃)下的脱氮能力,将厌氧氨氧化菌群在5℃低温孵育,探究复苏的厌氧氨氧化菌的低温氮代谢能力。结果表明,经过92天的低温孵育,厌氧氨氧化菌在12±1℃的环境温度下脱氮容积负荷达到225±25mgN/(L·d),约为22±1℃工况下脱氮负荷的68%,显著高于以往研究结果。利用16SrRNA基因高通量测序和主成分分析的方法对反应器内功能微生物菌群进行分析,发现低温孵育对厌氧氨氧化生物膜上的微生物群落结构的演替有显著的影响。典型厌氧氨氧化菌Candidatus＿Kuenenia对低温环境的适应性高于Candidatus＿Brocadia和Candidatus＿Jettenia。低温孵育后Candidatus＿Kuenenia占比的提高和低温代谢能力的增强,对于提升厌氧氨氧化反应器在10～15℃时低温的脱氮性能具有重要作用。     

厌氧氨氧化反应器运行过程微生物群落演替分析

为探究厌氧氨氧化(ANAMMOX)过程中微生物群落结构的演化,采用高通量测序技术对ANAMMOX反应器中微生物群落结构进行分析.结果表明:反应器运行61d后氮去除负荷达到1.04kg·N·m^-3·d^-1,总氮去除率达75%以上.反应器中微生物多样性较为丰富,存在变形菌门、绿曲挠菌门、绿菌门、浮霉菌门等微生物.从启动到稳定过程中微生物群落结构趋于稳定.其中和脱氮相关的变形菌门和浮霉菌门合计占比达40%以上.ANAMMOX菌所在的浮霉菌门比例随运行时间延长而逐渐增加,是反应器脱氮效能提高的主要原因.反应器内占据优势地位的ANAMMOX菌主要为Candidatus Kuenenia属,占比14%左右,同时还有少量Candidatus Brocadia属.     

分子生物学测定Anammox菌研究进展

目前,已经发现了4种厌氧氨氧化菌属:Candidatus"Brocadia"(Candidatus" Brocadia fulgida",anaerobic ammonium-oxidizing Planctom ycete和Candidatus"Brocadia anammoxida"),Candidatus"Kuenenia"(Candidatus "Kuenenia stuttgarti"),Candidatus"Scalindua"(Candidatus"Scalindua wagneri",Candidatus"Scalindua brodae"和Candidatus"Scalindua sorokinii")和异养厌氧氨氧化菌属(Candidatus"Anammoxoglobus propionicus"、anaerobic ammonium-oxidizing planctomycete Cquenviron-1和Candidatus"J ettenia asiatica").采用分子生物学方法测定厌氧氨氧化菌包括:PCR扩增(DGGE,末端标记限制性片段长度多态性(TRFLP)和定量PCR)、FISH、FISH-MAR和ISR-FISH等方法.结合传统方法和分子生物学方法对各种系统中的厌氧氨氧化菌进行测定,这对于全面认识厌氧氨氧化菌的性质、开发新的废水脱氮技术都具有重要意义.     

沸石载体恢复受饥饿影响厌氧氨氧化菌的性能研究

利用沸石良好的吸氨能力和微生物载体功能, 将受饥饿影响的厌氧氨氧化菌在含沸石的反应器内进行活性恢复, 研究沸石对长期饥饿影响下厌氧氨氧化菌恢复过程中菌群活性及结构的影响。结果表明, 经过82天的运行, 沸石反应器和对照反应器(无沸石添加)内厌氧氨氧化菌均获得恢复。沸石反应器的脱氮效率从第59天开始与对照反应器拉开差距, 运行第82天时, 沸石反应器中氮去除负荷(NRR)为177.8 mgN/(L·d), 显著大于对照反应器 (154.3 mgN/(L·d))。利用16S rRNA高通量测序方法, 对反应器内菌群的微生物组成与功能进行分析, 发现投加沸石载体使得恢复后的厌氧氨氧化菌Candidatus Brocadia的丰度更高, 可以更好地促进受饥饿抑制的厌氧氨氧化菌的恢复。     

有机碳源对单级自养脱氮系统脱氮性能及微生物群落结构的影响

以不同基质的2个反应器为研究对象,考察了有机碳源对单级自养脱氮系统脱氮性能及微生物群落结构的影响,结果表明:在一定的碳氮比范围内,通过控制DO,可以实现创造适合亚硝化茵和厌氧氨氧化菌代谢的好氧和厌氧并存的微环境,提高系统的脱氮效果;2个反应器均存在多种脱氮途径,以不合有机碳源为基质时,系统主要通过亚硝化-ANAMMOX途径去除氨氮,而有机碳源的加入,使得系统自养脱氮途径去除的氨氮比例下降,传统硝化反硝化途径得到强化;DGGE图谱统计结果表明,有机碳源的加入,使得系统微生物群落结构更加丰富,其中生物膜表现得尤为明显,也表明生物膜结构更有利于形成一个厌氧与好氧共存的微环境,在一个反应器内实现全部脱氮过程.     

丙酸盐对厌氧氨氧化除氮性能及群落结构的影响

为了探究有机碳对厌氧氨氧化的长期影响, 向厌氧氨氧化膜生物反应器中添加不同浓度的丙酸钠, 研究对反应器的除氮效能以及微生物的种群结构和功能变化。结果表明: 反应器主要的脱氮过程由CandidatusBrocadia完成, 当丙酸钠浓度为100 mg/L时, 反应器中由于异养细菌的生长, 可实现碳氮的同步去除, 平均总氮去除率可达91.9%。当丙酸钠浓度为200 mg/L 时, 对Candidatus Brocadia的抑制作用导致反应器除氮性能下降, Candidatus Brocadia的丰度降至41.2%, 总氮去除率降至 78.8%。在有机碳抑制作用解除后, 反应器的除氮性能恢复为86.8%, Candidatus Brocadia丰度增加到54.0%, 但群落多样性下降, 属水平的微生物组成有较大的改变。     

构筑湿地厌氧氨氧化脱氮研究

针对构筑湿地废水脱氮效率较低的问题,论文对构筑湿地传统硝化工艺作了改进以考察厌氧氨氧化自养脱氮的可行性.采用改进的非饱和与饱和层结合的垂直流湿地及水平流湿地组合工艺,与传统的垂直流湿地硝化与水平流湿地反硝化的脱氮工艺对比研究;并采用分子生物学荧光免疫原位杂交(Fluorescent in situ hybridization,FISH)技术对厌氧氨氧化细菌进行鉴定分析.实验结果表明,厌氧氨氧化反应途径在构筑湿地中具有实现的可行性,脱氮效率高于传统工艺.     

城市河道内源硫影响厌氧氨氧化过程的研究进展

评述了当前城市河道内源硫影响厌氧氨氧化过程的研究现状以及二者之间可能的微生物作用关系;指出了对于黑臭河道治理后呈现的高氮营养盐和较低碳氮比(C/N)生境,今后应重视新型化能自养的厌氧氨氧化过程在河道氮转化过程中的作用,包括"硫自养部分反硝化-厌氧氨氧化"、"硫酸盐型厌氧氨氧化"和"铁自养型厌氧氨氧化"等,以及内源硫如何影响厌氧氨氧化过程的发生和二者之间的耦合关系;不仅为强化氮营养盐的去除提供了崭新的视角,而且为阐明水圈微生物驱动氮与其他元素循环机制的基础理论提供了有益补充.     

厌氧氨氧化反应器启动运行研究进展

厌氧氨氧化技术作为一种新型脱氮技术,在废水生物脱氮领域具有良好的应用前景,介绍了厌氧氨氧化技术机理,并阐述了厌氧氨氧化(ANAMMOX)反应的影响因素;分析了近年来采用不同反应器、不同泥源进行ANAMMOX反应启动和运行研究进展,对不同研究的启动时间、完成启动的评判标准、运行控制条件等进行了比较.     

基于SASMBR的城镇污水PN/ANAMMOX研究

基于目前短程硝化–厌氧氨氧化(partial nitritation and anammox, PN/A)工艺处理城镇污水中反应器运行不稳定和氮去除负荷低的问题, 本文设计一种新型复合生物反应器: 序批式–折流板–分置膜生物反应器(sequencing batch-baffled-separate membrane bioreactor, SASMBR)。将该反应器应用于PN/A工艺处理城镇污水, 探究反应器的性能, 并对SASMBR运行PN/A工艺的运行成本进行分析。结果表明, 采用SASMBR 反应器运行PN/A工艺处理城镇污水, 能够实现高效稳定的脱氮效果, TN去除率达到80%~85%, 氮素去除负荷(nitrogen removal rate, NRR)达到0.20~0.22 kgN/(m^-3·d^-1), 出水TN浓度维持在8 mg/L以下。16S rRNA基因测序分析发现, 短程硝化SASMBR反应器内设置的折流板能够富集氨氧化细菌(ammonia oxidation bacteria, AOB), 确保短程硝化SASMBR反应器的良好性能; 厌氧氨氧化SASMBR内固定在折流板两侧的无纺布可以有效地持留厌氧氨氧化菌(ammonium oxidizing bacteria, AnAOB), 同时, 厌氧氨氧化SASMBR内丰度升高的AOB可以为AnAOB 提供生长的厌氧环境和 NO₂^--N 基质, 使厌氧氨氧化SASMBR反应器能够快速启动和高效稳定运行。SASMBR的运行成本为0.037 元/m³, 比传统城镇污水处理厂的运行成本大幅度降低。     

厌氧氨氧化菌混培物的培养及上流式厌氧污泥床反应器运行

采用污泥混合接种的方法,利用UASB(厌氧污泥床)反应器完成了厌氧氨氧化混培菌的培养与驯化并启动了实验室规模的厌氧氨氧化反应器。当含氮模拟废水进水氨氮浓度和亚硝氮浓度分别为3～5mmol/L和4～6mmol/L,进水氨氮、亚硝氮的容积负荷分别为2mmol/(L·d)和2.5mmol/(L·d),氨氮、亚硝氮的最大去除率分别可达63%和78%。对UASB反应器工艺运行条件的研究表明:厌氧氨氧化反应的最适pH为7.5,最适反应温度为35°C。厌氧氨氧化反应速率与亚硝氮浓度有关,当亚硝氮浓度大于10mmol/L时对厌氧氨氧化反应具有明显的抑制作用。     

UASB反应器内同步厌氧氨氧化与甲烷化反硝化的研究

为进一步降低猪场示范工程排放废水中COD和氨氮的浓度,本试验尝试以葡萄糖配水模拟猪场废水,在同一个UASB反应器内实现同步的厌氧氨氧化、甲烷化和反硝化反应,以达到同时除碳脱氮的目的。结果表明,接种不同活性污泥于同一个UASB反应器内,经过约48 d反应器启动成功。在完成启动的反应器中添加亚硝酸盐氮和氨氮,使pH维持在7.3～8.3,温度、进水流量、回流量和水力停留时间等均与启动阶段保持一致,可逐步实现同步厌氧氨氧化和甲烷化反硝化。此阶段进水CODCr为500 mg/L,CODCr去除率在80%～90%之间,NO2-N去除率接近100%,氨氮去除率较低且处在波动状态。但是适当降低进水中有机物浓度,可在同时存在亚硝酸盐氮和氨氮的情况下提高厌氧氨氧化菌的竞争能力。当仅降低进水CODCr浓度(由500mg/L降至100 mg/L)时,氨氮去除率能缓慢升至30%以上。     

重金属对厌氧氨氧化工艺的影响

厌氧氨氧化(anammox)是一种新型废水生物脱氮工艺,因其高效低耗的优势,在废水生物脱氮领域具有广阔的应用前景.然而废水中存在的重金属对anammox菌产生抑制甚至毒害作用,制约了anammox工艺的推广应用.文章结合厌氧氨氧化菌自身优势和受限条件,综述了重金属对厌氧氨氧化菌的短期、长期影响,探讨了其作用机理,并据此提出调控策略.     

CANON系统中4种脱氮相关菌丰度和多样性

全程自养脱氮(Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite,CANON)是适用于低碳源、高氨氮水质的极具应用前景的新工艺,研究其中脱氮微生物种群和数量特征具有重要意义.利用PCR、克隆、实时荧光定量PCR等分子生物学技术,研究了小试(Lab-scale,L)和中试(Pilot-scale,P)2个CANON系统中4种与脱氮相关的细菌(分别是氨氧化细菌(Ammonia-Oxidizing Bacteria,AOB)、亚硝酸盐氧化菌(Nitrite-Oxidizing Bacteria,NOB)、反硝化细菌(De Nitrifying Bacteria,DNB)和厌氧氨氧化细菌(ANaerobic AMMonium Oxidation,Anammox))的数量和种属,并研究了污泥形态对这4种菌的数量影响.结果发现,(1)L和P系统中AOB、NOB、DNB和Anammox菌数量均值分别处于1010、109、108和1010copies/g(以干污泥计)数量级.AOB和Anammox菌是CANON系统的优势菌,而NOB和DNB数量较少.(2)AOB、NOB、DNB和Anammox菌多样性不同:DNB种属最丰富,10多个属划分为5大簇;其次是Anammox菌,主要划分为Candidatus Brocadia和Candidatus Kuenenia 2簇;再次是AOB,集中在Nitrosomonas属中的N.europaea和N.eutropha 2小簇;最后是NOB,它的种属最为单一,仅含Nitrospira marine小簇.(3)污泥形态不同影响这4种菌数量:絮体污泥更适合AOB生长,生物膜更适合DNB和Anammox菌生长,但不能确定哪种形态的污泥更适合NOB生存.研究结果将为CANON系统的脱氮机理揭示和工艺优化提供理论支撑.     

厌氧氨氧化过程中无机碳对脱氮效能的影响

采用上流式厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, ANAMMOX)反应器,通过氮去除效能的变化,研究无机碳(inorganic carbon, IC)在厌氧氨氧化过程中的作用及IC质量浓度对厌氧氨氧化过程的影响.结果表明:当进水不投加IC时,反应器脱氮效能明显下降,当进水IC和总无机氮(total inorganic nitrogen,TIN)的质量浓度之比ρ_IC/ρ_TIN为0.2~0.4时,脱氮效能得到恢复并逐步提高.ρ_○IC/ρ_○TIN从0.4继续提高至1.0时,脱氮效能不再发生明显变化.在ρ_○IC/ρ_○TIN为0.4的条件下启动新反应器,运行61天后氮去除负荷达到1.04kg·m^-3·d^-1,ANAMMOX菌活性明显高于原反应器.表明厌氧氨氧化过程中,IC主要提供碳源并充当反应催化剂,充足的IC供应是提高ANAMMOX活性和维持稳定脱氮的必要条件,厌氧氨氧化启动过程中进水IC和TIN最佳质量浓度之比为0.4.     

不同种泥和运行方式对启动厌氧氨氧化反应器的影响

采用6个相同的序批式反应器(SBR),以好氧硝化-厌氧氨氧化和直接厌氧氨氧化2种运行方式,分别以河岸带污泥、好氧污泥和厌氧污泥为接种污泥启动厌氧氨氧化反应器。研究结果表明,采用好氧硝化-厌氧氨氧化方式时,接种河岸带污泥和好氧污泥的反应器分别在第110天和165天实现了厌氧氨氧化反应;接种河岸带污泥的反应器启动更快,对氨氮和亚硝酸盐氮的去除率分别可达94%和99%,接种好氧污泥的反应器对氨氮和亚硝酸盐氮的去除率最高仅为53%和67%;接种厌氧污泥的反应器并未发生明显的厌氧氨氧化反应。直接以厌氧氨氧化方式运行的反应器,3类种泥都培养了190 d,没有出现厌氧氨氧化现象。     

反硝化型厌氧甲烷氧化耦合厌氧氨氧化脱氮工艺研究进展

反硝化型厌氧甲烷氧化(Denitrifying Anaerobic Methane Oxidation, DAMO)耦合厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation, Anammox)脱氮工艺在实现能源废水处理方面具有很大的潜力。DAMO-Anammox脱氮工艺能同时将甲烷、氨氮和硝酸盐转化为无害的N₂和CO₂,在无需额外能量消耗下实现废水中的碳氮循环,有望成为未来环境友好型废水处理的主要技术。本文讨论了DAMO-Anammox微生物的协同和竞争机制,不同电子受体的类型对脱氮过程中微生物胞外电子传递机制及脱氮除甲烷效率的影响,指出了目前DAMO-Anammox脱氮工艺存在的功能微生物富集困难、气液传质效率差和脱氮性能不足等应用瓶颈,总结了如新型反应器构型的设计、人工电子中介体投入和电化学强化等相对应的改进策略,为该工艺的进一步研究和规模化应用提供参考。     

厌氧氨氧化及其工艺的研究现状

厌氧氨氧化工艺是生物脱氮领域里不断发展起来的新工艺,具有自身的优势,有很好的发展前景。通过介绍厌氧氨氧化的发展,进而谈到对厌氧氨氧化菌的研究。重点介绍了目前已开发出的三种厌氧氨氧化工艺:两相SHARON-ANAMMOX工艺、OLAND工艺、CANON工艺。     

分段进水对生物转盘厌氧氨氧化性能影响研究

在厌氧生物转盘反应器中研究了分段进水对厌氧氨氧化系统脱氮性能的影响。当采用单点进水时,进水亚硝酸盐氮浓度升高至300mg/L时,出水氨氮和亚硝酸盐氮的去除率同时降低到70%左右,表明了较高的亚硝酸盐氮对厌氧氨氧化菌的抑制作用。当采用分段进水时,生物转盘的面积去除负荷由11.5提高到17g N/(m2d),系统脱氮能力提高了47.8%;对沿程盘片上生物膜厚度测定结果表明,生物量增加是系统脱氮能力提高的主要原因。