好氧堆肥体中硝化作用的研究进展

堆肥是一个好氧有机物降解转化的过程,涉及了诸多复杂的化学和微生物反应。硝化作用常发生在堆肥冷却和腐熟阶段,决定了堆肥产物的肥力,亦是堆肥体腐熟的重要标志之一。本文综述了好氧堆肥体中硝化作用有关的研究进展,重点阐述硝化作用的影响因素,旨在为阐明堆肥中硝化作用的机理,提升堆肥产物中氮素利用价值。

碳氮比对MBBR系统脱氮性能及微生物群落的影响

采用不同碳氮比(C/N)的合成废水,比较了连续流和序批式2种运行方式下单级移动床生物膜反应器(MBBR)的脱氮性能差异。结合宏基因组测序技术,对不同阶段载体上的生物膜进行了微生物群落和功能基因丰度分析,并分析了反应器内主要的氮素代谢通路,旨在探讨不同C/N和运行方式对MBBR系统脱氮性能和生物膜群落结构的影响。结果显示:C/N的变化对MBBR工艺NH_(4)^(+)-N去除影响不大,各阶段NH_(4)^(+)-N去除率均保持在95%以上,但同步硝化反硝化(SND)效率因受到反硝化性能的限制,各阶段存在较大差异。此外,SBMBBR反应器中总无机氮(TIN)去除率始终高于CFMBBR反应器,原因可能是反硝化过程中起关键作用的narGHI、napAB、nirK、nirS、norBC和nosZ功能基因的序列数总和存在差异。不同运行方式下的反应器中主要优势菌门和菌种差异明显,也是SBMBBR与CFMBBR反应器之间脱氮性能差异较大的重要原因之一。该结果可为MBBR反应器处理较低C/N的城市生活废水的优化设计和运行提供参考。

磺胺嘧啶对纯膜MBBR氨氧化性能及氨氧化菌群的影响

通过向NH_(4)^(+)-N质量浓度为30 mg·L^(-1)的合成废水中投加不同剂量磺胺嘧啶(SDZ)(0、1、3、5、7和10 mg·L^(-1)),比较了SDZ浓度对一台60 L单级纯膜移动床生物膜反应器(pure MBBR)的氨氧化速率、amo A基因丰度和氨氧化细菌(AOB)种群结构的影响,揭示了磺胺嘧啶对纯膜MBBR系统中氨氧化作用的影响机制。结果表明:1~3 mg·L^(-1)的SDZ显著提升了纯膜MBBR系统的氨氧化速率(P<0.05),出水NH_(4)^(+)-N质量浓度可降低至(0.19±0.10)mg·L^(-1);5~10 mg·L^(-1)的SDZ仍能促进NH_(4)^(+)-N去除,但氨氧化速率变化相对平缓。相比于氨氧化古菌(AOA),AOB为纯膜MBBR氨氧化的主导者,AOB amo A基因丰度是AOA amo A基因丰度的12.2~168.5倍。1~10 mg·L^(-1)的磺胺嘧啶暴露显著抑制了AOB amo A基因丰度(P<0.05),但能有效刺激AOA amo A基因丰度上调(P<0.05)。高通量测序结果表明,添加磺胺嘧啶改变了AOB的种群多样性及结构,且1~3 mg·L^(-1)的SDZ能显著促进AOB种群多样化和亚硝化螺菌属(Nitrosospira)生长(P<0.05)。SDZ对氮源的补充、对AOB与AOA丰度占比的改变、对微生物耐药性的促进以及对AOB种群结构的干扰是其影响纯膜MBBR氨氧化过程的主要机制。

微生物载体对MBBR工艺性能及微生物群落结构的影响

通过选用聚氨酯吸水凝胶(porous polymer carriers, PPC)、聚氨酯海绵(polyurethane, PU)、聚丙烯(polypropylene, PP)3种材质的微生物载体,对分别投加这3种载体的移动床生物膜反应器(MBBR)的启动性能、氮去除性能及微生物群落结构进行对比分析。结果表明:在进水氨氮浓度为20 mg/L的情况下,PPC及PU载体表现出较好的挂膜启动性能和氨氮去除性能,出水氨氮平均浓度在5 mg/L左右,而PP载体的出水氨氮平均浓度将近7 mg/L,且去除效果稳定性较差;此外PU载体和PP载体的反硝化效果不理想,出水硝态氮平均浓度分别为6.07,4.87 mg/L,比PPC载体(2.80 mg/L)高出许多。微生物测序结果表明,微生物载体的选择对MBBR工艺微生物群落结构有一定影响,但Proteobacteria和Bacteroidetes始终是占比最大的细菌门类。属水平的分析表明PPC载体上存在较高丰度的反硝化Denitratisoma菌属,且PPC载体独特的结构和亲水性有助于营造缺氧环境,提高反应器整体脱氮性能和稳定性。