一株同步硝化反硝化菌株的筛选及其生物电化学脱氮性能研究

[目的]本文旨在获得具有高效脱氮性能的异养硝化-好氧反硝化(heterotrophic nitrification-aerobic denitrification,HN-AD)功能菌株,构建生物电化学-同步硝化反硝化(bio-electrochemical systems-simultaneous nitrification and denitrification,BES-SND)耦合系统,实现脱氮效率的提升。[方法]从活性污泥中筛选HN-AD菌株,鉴定后通过摇瓶试验分析其脱氮性能。然后进一步研究碳源、C/N、溶解氧等外界因素对菌株同步硝化反硝化性能的影响。将菌株接种到微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFC)的生物阴极,分析低C/N条件下BES-SND体系的脱氮性能。[结果]从活性污泥中筛选出一株具有同步硝化反硝化性能的HN-AD菌株,命名为Alcaligenes aquatilis N3。确定该菌株发生SND反应的最适碳源为乙酸钠、C/N值为20、溶解氧为3.70 mg·L^(-1)。在BES-SND脱氮体系中,C/N值分别为2、4、6、8时,菌株A.aquatilis N3的总氮去除率分别为20.51%、26.67%、37.76%和48.50%。在C/N=2的试验条件下,BES-SND系统的总氮去除速率在第5天仍为1.79 mg·L^(-1)·d^(-1)。[结论]在低碳环境下,A.aquatilis N3菌株依然可以在BES-SND耦合脱氮体系中实现脱氮,降低了脱氮过程对碳源的依赖性,具有一定的实际环境应用潜力。

硫-铁自养反硝化人工湿地强化农村黑臭水体深度脱氮

现阶段研究分析发现,N、S元素是导致水体黑臭的关键所在,由此构建硫-铁自养反硝化人工湿地系统治理农村黑臭水体。该自养反硝化系统以硫铁矿为电子供体、以青石为酸碱平衡调节材料,按照3∶2、1∶1的比例混合,通过分析不同水力停留时间(HRT)下湿地系统的脱氮效果、沿程脱氮变化及微生物群落情况,验证该人工湿地系统的脱氮治理效果。结果表明,在HRT为24 h条件下系统的脱氮效果最好,TN、NO_(3)^(-)-N分别从(12.88±0.4)、(7.73±0.76)mg/L降至(1.46±0.34)、(0.83±0.14)mg/L,最高去除率分别为91.3%、91.8%;但随着HRT的下降,脱氮效果也随之降低。随取样口1~4相对高度的增加,系统脱氮效率明显上升,其中,由硫铁矿、火山岩、青石按照3∶5∶2的体积比复配而成的人工湿地系统在取样口4的TN及NO_(3)^(-)-N去除率分别为87.07%、85.88%,取样口1的TN及NO_(3)^(-)-N去除率仅为15.91%、16.88%。此外,Proteobacteria(变形门菌)、Bacteroidetes(拟杆菌门)等为该系统中的优势菌门。

硫自养反硝化生物滤池工艺处理石化废水

采用硫自养反硝化生物滤池工艺处理某石化企业含NO3--N混合废水(硝基氯苯废水芬顿氧化出水和综合废水生化出水),开展了中试(20~80 m3/d)和工程应用(250~270 m3/h)试验。中试装置脱氮效果显著,TN和NO3--N平均去除率分别可达95.2%和96.5%。废水中的残留H_(2)O_(2)及较低碱度对脱氮效果抑制明显,通过控制H_(2)O_(2)浓度及适当补充碱度可提升脱氮性能。工程应用试验期间,进水TN平均47.3 mg/L,TN去除率平均95.5%,出水TN平均2.19 mg/L,满足江苏省《化学工业水污染物排放标准》(DB32/939—2020)要求。装置运行过程中无需投加有机碳源,避免了COD超标风险;不产生CO_(2),较异养反硝化生物滤池工艺CO_(2)排放量减少约930 t/a,有效响应国家“双碳”战略目标;运行费用较低,较异养型节省约50%。

一株耐高氨氮异养硝化-好氧反硝化菌的筛选及降解动力学分析

从处理含高碳、氮浓度废水的反应器中筛选出一株耐高氨氮的异养硝化-好氧反硝化菌WN1,通过菌落形态以及16S rDNA分析鉴定为谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum.对该菌在初始氨氮浓度分别为500,1000,1500,2000,2500,3000mg/L的生长及代谢特性进行研究.结果表明,菌株WN1在氨氮浓度高达3000mg/L,对应游离氨浓度为590.2mg/L时仍能较好生长(48h,OD_(600)=3.264).随着初始氨氮浓度由500提升至3000mg/L,菌株WN1的最大氨氮转化速率R_(m)由15.93增加至43.29mg/(L·h).同时,反应过程中氨氮和COD的平均转化速率分别为7.06~9.36mg/(L·h)和95.63~199.13mg/(L·h).进一步,采用Haldane模型拟合不同初始氨氮浓度下菌株的生长及基质降解特性(R^(2)=0.99),菌株WN1的最大比生长速率、最大氨氮比降解速率和最大COD比降解速率分别为0.36h^(-1)、6.45gN/(gDCW·d),122.85gCOD/(gDCW·d).菌株WN1的氨氮抑制常数Ki为3749.49mg/L,比其它自养或异养的氨氧化菌对高浓度氨氮具有更强的抗抑制能力,结果表明,菌株WN1在处理高浓度含氮有机废水中具有很好的应用前景.

CEPT污泥发酵液强化前置反硝化生物滤池脱氮研究

考察不同运行参数对前置反硝化生物滤池工艺处理性能的影响,综合考虑最佳HRT为4 h,硝化液回流比为100%,投加乙酸钠调节COD/TN为5。在上述最佳条件下,采用CEPT污泥发酵液作碳源各污染物的去除效率相较于乙酸钠虽然都有所降低,但是基本能够满足出水要求;发酵液的平均比反硝化速率仅仅略低于乙酸钠,这进一步证明了发酵液作为反硝化碳源的可行性。微生物群落组成分析表明Y-A组中的绿弯菌和放线菌比F-A组高,这可能能解释乙酸钠的脱氮效果优于污泥发酵液;功能分析表明F-A组与Y-A组各代谢通路丰度相当,Y-A组的napAB+narGHI、nirKS相对丰度比F-A组略高,这可能是添加乙酸钠相较于CEPT污泥发酵液具有更强的反硝化性能的原因之一。

生物炭强化硫自养反硝化过程中亚硝酸盐的积累

硫自养反硝化(SADN)可为厌氧氨氧化(Anammox)提供亚硝酸盐(NO_(2)^(-)-N).为了促进SADN过程的NO_(2)^(-)-N积累,本实验以S^(0)为电子供体,考察了污泥-煤矸石基生物炭(SCBC)对SADN中NO_(2)^(-)-N积累率及抗冲击能力的影响.实验结果表明,投加SCBC使SADN的NO_(3)^(-)-N还原速率由70.6 mg·L^(-1)·h^(-1)提升至107.7 mg·L^(-1)·h^(-1),NO_(2)^(-)-N还原速率由30.5 mg·L^(-1)·h^(-1)提升至35.1 mg·L^(-1)·h^(-1),这使得NO_(2)^(-)-N积累率由48.2%提升至63.0%.当遇到冲击负荷(300 mg·L^(-1)的NO_(3)^(-)-N)时,SADN的还原性能下降,6 d后逐步恢复并继续提高,不投加则需12 d才能恢复.投加SCBC 60 d后,PN/PS和PN值分别为3.51和5.27 mg·g^(-1),高于不投加的2.36和3.44 mg·g^(-1).高通量测序均能检测到反硝化菌Thiobacillus、Sulfurimonas和Thermomonas,投加SCBC对反硝化菌起到富集作用,使其占比分别由40.0%、0.61%、0.03%上升为51.8%、2.71%、3.47%.总之,添加SCBC为提高SADN的NO_(2)^(-)-N积累提供了一个新方法,这也为污泥和煤矸石的资源化利用提供了一种新的途径.

黄铁矿基MFC-CW耦合系统反硝化动力学研究

研究比较了黄铁矿基双阳极MFC-CW在不同碳氮比(0和2.5)及初始硝酸盐浓度(7、14和28 mg/L)条件下上阳极和下阳极的反硝化速率,以及对不同阶段硝酸盐还原反应动力学的模拟,从动力学角度揭示系统自养-异养协同反硝化机理。结果显示:不同碳氮比下系统两阳极硝酸盐还原效果差异不大,而亚硝酸盐累积、硫酸盐生成的差别较大,两阳极处微生物群落组成相似,优势菌属的相对丰度受C/N、阳极位置影响较大;两阳极处的硝酸盐还原动力学均属于一级反应,且C/N=0时反硝化速率常数(0.0087、0.0045和0.0188/h)均小于C/N=2.5(0.0151、0.0071和0.0798/h;以上阳极为例);MFC-CW系统的反硝化动力学更符合Monod-CSTR模型,且在停留时间较长时取得更好的拟合效果,随着停留时间的增加,C/N=0时系统的反硝速率增加,C/N=2.5时系统的反硝化速率在一定范围内波动[0.6662—0.7744 g/(m^(2)·d)]。实验结果可为黄铁矿基MFC-CW的实际工程应用提供理论指导。

铁-碳共基质环境对污水铁型反硝化效率和微生物群落的影响

构建共基质亚铁型反硝化系统,通过梯度实验探究共基质条件下低浓度有机碳(0,3,6,9,12mg/L)对不同Fe/N(2,3,4)条件下铁型反硝化的作用规律和机制,为提升铁型反硝化的效能提供理论参考.结果表明,本实验中有机碳源的最佳浓度为9mg/L.在Fe/N=3和4时,脱氮效率相比未添加碳源时分别提升22.7%和9.1%,促进效果随着外加碳源浓度和Fe/N的升高而减弱.添加有机碳对微生物群落的多样性和均匀度影响较小,随着浓度的升高系统中的自养型细菌如Rhodanobacter和混合营养型细菌如Comamonas,Thauera在生态网络中的总节点度始终高于异养型反硝化菌.C/Fe=0.140和0.187(即碳源浓度为6mg/L和9mg/L)时生态网络中协同和共生关系超过65%,碳源分别实现了单位浓度增益效果最高和反硝化效能最高,自养过程对系统反硝化的贡献度分别为39.2%和56.5%,均为主导地位.系统中主导NO3-,NO2-和NO还原的功能基因丰度的上升,也是提升铁型共基质反硝化系统脱氮效能的重要原因.

硫自养-异养协同反硝化脱氮技术研究

研究水力停留时间、进水硝酸盐浓度、pH值对硫自养反硝化脱氮的影响以及外加有机碳源构建的自养-异养反硝化系统的脱氮效能。结果显示:硫自养的优化工艺条件为进水硝酸盐浓度30 mg/L,水力停留时间2 h,pH值7,此时的硝酸盐去除率可达97.23%,容积负荷可达0.35 kg/(m^(3)·d)。适量增加碳源形成硫自养-异养反硝化体系时,硝酸盐去除率可达99.59%,容积负荷可达0.52 kg/(m^(3)·d),表明硫自养和异养反硝化具有协同作用。变形菌门是参与硫自养-异养协同反硝化过程的主要菌门,约占85.33%。铁氧化菌属是参与反硝化过程的主要菌属。

郑州市景观植物石楠叶际细菌群落结构及反硝化功能

采用16Sr RNA高通量测序技术分析叶际细菌群落多样性与丰富度,使用PICRUSt2软件基于基因测序结果对叶际细菌的氮代谢等功能基因进行预测,并测定叶际细菌的反硝化速率.结果显示,石楠植物叶际细菌以变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)为优势菌门,以无色杆菌属(Achromobacter)、伯克霍尔德氏菌属(Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia)、薄层菌属(Hymenobacter)为优势菌属,且同一地区的不同点位优势菌相同;同时发现石楠叶际细菌中存在无色杆菌属(Achromobacter)、马赛菌属(Massilia)和鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)等具有反硝化功能的菌属;PICRUSt2功能基因预测叶际细菌6个一级功能层中以代谢功能为主,30个二级功能层中以膜转运功能为主;氮代谢功能基因中反硝化相关基因丰度最高,固氮相关基因丰度最低;测得叶际细菌反硝化速率为(22.2±1.7)~(33.2±4.7)μg/(g·h).

植物种类对野芷湖湖岸带土壤反硝化作用的影响

反硝化作用是湖岸带有效去除氮素的关键氮循环过程,受到植物、土壤理化性质及微生物等因素的影响。为探究湖岸带不同植物对土壤反硝化作用的影响,通过调查测定野芷湖湖岸带9种常见植物的根际与非根际土壤的反硝化功能基因丰度和反硝化潜势,分析其与土壤理化性质的关系,阐明植物种类影响反硝化作用的机制。研究结果表明:(1)种植植物会改变湖岸带土壤的理化指标,植物根际土的硝态氮(NN)、铵态氮(AN)、总碳(TC)、总氮(TN)和可溶性有机碳(DOC)含量等显著高于非根际土,其中柳树、黄素馨、喜旱莲子草根际土的TC、DOC、TN、NN显著高于其他物种,桂树的根际和非根际土的pH均显著低于其他物种;(2)植物根际土的微生物反硝化功能基因(narG、napA、nirS、nirK和nosZ)丰度显著高于非根际土,其中柳树、黄素馨、喜旱莲子草根际土的基因丰度显著高于其他物种,pH、TN、NN和DOC等对反硝化功能基因丰度影响较大;(3)根际土的反硝化潜势显著高于非根际土,其中柳树、桂树、黄素馨根际土的反硝化潜势显著高于其他物种,黄素馨非根际土的反硝化潜势也较高,pH、DOC、TN以及napA、nirS、norB基因丰度等对土壤的反硝化潜势具有显著影响。本研究说明植物根际微环境更有利于反硝化微生物的生长与繁殖,湖岸带种植植物时可考虑不同的常绿和落叶乔木、灌木、草本植物的合理配置来提高湖岸带的氮素截留能力,以减少由过量氮素进入水生生态系统导致的面源污染。

反硝化细菌在污水处理作用中的研究

反硝化细菌在污水处理过程中起到十分重要的作用。传统理论认为反硝化细菌是异养厌氧的,20世纪80年代发现了好氧反硝化细菌。最近,自养反硝化细菌的发现,特别是脱氮硫杆菌的发现引起了人们的极大兴趣。

异养/硫自养集成短程反硝化工艺影响因素研究

为保证厌氧氨氧化(Anammox)过程的亚硝态氮(NO2--N)稳定来源,提升自养脱氮系统的运行效能。本研究采用上流式厌氧污泥床(UASB)反应器,构建异养/硫自养集成短程反硝化系统,探究碳源浓度、pH、水力停留时间(HRT)、温度对系统的影响。结果表明,碳源浓度与系统短程反硝化效能成反比。碳源浓度为200 mg/L时NO2--N积累率(NAR)最高,此时NO_(2)^(-)-N平均积累率及其速率分别为76.99%和1.63 mg/(L·h),异养反硝化功能菌属Thauera丰度由3.26%升至19.73%。系统短程反硝化效能随pH的升高先升后降,pH为8.0±0.5时NAR最高,此时NO2--N平均积累率及其速率分别为79.46%和1.90 mg/(L·h);HRT与系统短程反硝化效能成反比。当HRT=9.7左右时NAR最高,此时NO2--N平均积累率及其速率分别为77.35%和1.68 mg/(L·h)。温度与系统短程反硝化效能成正比,与Thauera、Terrimonas等反硝化功能菌属丰度成反比。当温度在35℃左右时NAR最高,此时NO_(2)^(-)-N平均积累率及其速率分别为71.21%和1.68 mg/(L·h)。集成短程反硝化为自养脱氮工艺提供NO2--N的过程具有NAR高且运行稳定性强等优点,更适用于自养脱氮工艺稳定高效运行,为该领域提供更多思考。

无机硫自养反硝化处理污废水工程应用进展

系统阐述了以无机硫为电子供体的硫自养反硝化系统中微生物特性,分析了不同反应器中硫自养反硝化微生物的优势菌属、无机硫源氧化还原过程中涉及的功能酶,介绍了加快硫自养反硝化启动的方法,如减少S~0颗粒的粒径、外加磁场、添加硫代谢中间产物或牛血清蛋白等,重点归纳了近年来硫自养反硝化国内外的实际工程应用的情况,并展望了硫自养反硝化技术未来的发展方向,旨在为硫自养反硝化体系发展提供借鉴和参考。

地下水系统中的抗生素对反硝化的影响研究进展

微生物反硝化过程是地下水中硝酸盐最重要的脱氮形式。再生水利用和养殖业引起的抗生素污染常与硝酸盐共存。因此,需深入研究抗生素及其存在形式对地下水中硝酸盐反硝化过程及抗生素抗性基因(ARGs)产生、富集和传播的影响,以综合解析地下水硝酸盐浓度升高的原因。近年来的研究识别了地下水系统中抗生素的解离/络合形态、吸附形式(层间吸附/表面吸附)、水解与微生物降解产物等存在形式,并从反硝化微生物群落、功能酶的种类与活性、功能基因丰度以及ARGs产生与传播途径阐释了抗生素对反硝化过程的抑制机制。主要结论为:(1)地下水系统中,抗生素以多种形式存在,而不同形式的抗生素对微生物的毒性有显著差异;(2)在每升纳克至微克水平的抗生素存在下,地下水反硝化过程受到抑制,抗生素改变了微生物群落结构,抑制了功能酶活性,增加了ARGs的丰度,在这些作用的协同影响下,硝酸盐降解动力学由零级向一级转变;(3)在抗生素抑制反硝化过程中,还增加了温室气体N2O的释放量,抗生素影响了功能基因nosZ表达,N2O浓度与nosZ丰度呈负指数关系。在综述相关文献的基础上,对未来研究提出了展望:(1)定量识别典型抗生素进入地下水系统后的存在形式;(2)厘清不同存在形式的抗生素对反硝化微生物群落、功能酶种类与活性、功能基因丰度和多样性的影响;(3)探索反硝化功能基因在抗生素不同存在形式和不同输入方式下的变化过程,并建立ARGs产生、富集与传播模式;(4)结合野外观测和室内实验从分子生物学、环境化学和水文地质学多尺度研究复合污染下地下水系统的反硝化过程,可为日益复杂的地下水污染防治和饮用水安全保障提供理论依据。

同步硝化内源反硝化除磷好氧颗粒污泥的储存与恢复

针对好氧颗粒污泥颗粒化时间慢等问题,进行了同步硝化内源反硝化除磷好氧颗粒污泥常温储存及活性恢复实验研究.结果表明,好氧颗粒污泥经过60d的常温储存后,颗粒的结构基本能保持稳定,但是颗粒污泥的活性大幅度降低,污染物去除率仅有储存前的30%~40%.将常温储存的颗粒污泥接种到反应器中,经过一定的调控手段,可以在60d内恢复好氧颗粒污泥的功能及活性.此外,经过储存与恢复,好氧颗粒污泥的群落结构也发生了明显变化.大部分的微生物的相对丰度变化可逆,经过储存和恢复可以恢复至储存前的状态(包括Defluviicoccus(GAOs)和Flavobacterium(PAOs)),重构同步脱氮除磷的微生物群落结构.

硫自养-异养协同反硝化技术的研究进展

介绍了硫自养-异养协同反硝化技术的基本特性,传统的异养反硝化运行成本高、污泥产量大,而硫自养反硝化存在脱氮效率低、消耗碱度等缺点,将两种工艺耦合可以实现取长补短。硫自养-异养协同反硝化技术是处理低C/N比废水最具潜力和经济效益的工艺之一,具有成本低、SO_(4)^(2-)产量少、pH稳定、高效脱氮等优点,对其协同机理、微生物群落特征和影响因素进行阐述,例举了该工艺在城市尾水、地下水等低碳氮比废水等方面的实际应用,总结现阶段存在的问题并对未来研究方向进行展望,为该技术的推广和实际应用提供理论参考。

反硝化颗粒污泥系统和反硝化生物膜系统深度脱氮对比研究

对比分析了反硝化颗粒污泥系统和反硝化生物膜系统在不同进水条件和不同水力停留时间(HRT)下的脱氮效果。结果表明,当进水COD较高即外部碳源较为充足时,反硝化颗粒污泥系统和反硝化生物膜系统脱氮效果接近;而当进水总氮浓度较高即外部碳源受限时,生物膜系统的脱氮效果优于颗粒污泥系统。在不同的HRT条件下(3~6 h),反硝化生物膜系统的深度脱氮效果均优于反硝化颗粒污泥系统,且当HRT=5 h时,两系统的脱氮性能均达到最高。实验结果表明反硝化生物膜系统在脱氮性能方面略胜一筹。但是,结合经济性和去除性能进一步分析可知,与生物膜系统相比,颗粒污泥系统具有占地面积小、无载体成本等低成本的显著优势,在既有工艺出水深度脱氮的工程实践中,可优先选择反硝化颗粒污泥工艺,并可通过控制颗粒粒径和系统运行参数等措施强化脱氮性能。

AOA后置短时低氧曝气实现短程硝化反硝化除磷

为培养亚硝酸盐型反硝化聚磷菌实现好氧颗粒污泥(AGS)短程硝化内源反硝化除磷,设置3组同规格以厌氧/好氧/缺氧后置短时曝气(AO_(1)A-O_(2))模式运行的SBR,各反应器好氧段/后置好氧段(O_(1)/O_(2))的曝气强度和曝气时间均不同,通过对比3组反应器60 d的运行情况,探究各系统污染物处理性能和功能菌活性。结果表明,后置短时低氧曝气10 min且O_(1)、O_(2)的曝气强度分别为5、2.5 L/(h·L)的R2脱氮除磷效果最佳,其COD、TP、NH^(+)_(4)-N、TN去除率达95.49%、95.57%、100%、95.52%。通过短时好氧饥饿和低溶解氧可以创造出短程硝化内源反硝化除磷的最适环境,R2中约60%的除磷菌为DPAOs,且亚硝酸盐型聚磷菌最多,可达38.76%,其反应器好氧段的亚硝酸盐积累率(R_(NA))为74.19%,实现了较高的NO^(-)_(2)-N积累,游离亚硝酸(FNA)为1.03μg/L,可抑制PAOs和NOB,同时富集出更多的AOB和DPAOs。

一株适用于短程反硝化的细菌筛选及其脱氮特性

从水稻田土壤中筛选出一株短程反硝化作用明显的菌株D5,结合细菌的形态结构以及16S rDNA序列分析,鉴定为肺炎克雷伯氏杆菌(Klebsiella pneumoniae),并进一步采用单因素实验方法探究了环境因子(碳源种类、C/N和温度)对该菌株脱氮性能的影响。结果表明,多种环境因子均对菌株D5的短程反硝化效果具有较大影响,最佳碳源为柠檬酸钠,最佳C/N为3,最佳温度为25℃和30℃。结果显示,菌株D5具有优良的短程反硝化性能,通过调控环境条件可以取得最佳的短程反硝化效果。