多因素对ANAMMOX菌利用零价铁还原硝酸盐过程影响

以厌氧氨氧化(ANAMMOX)菌利用零价铁还原硝酸盐体系为研究对象,采用单因素调控法结合中心复合法(CCD)系统研究铁形态、进水pH值、温度、Fe/N等对该体系中硝酸盐去除率的影响.结果表明,在相同的反应条件下,投加纳米铁时ANAMMOX体系中硝酸盐的去除效果最优;反应温度和Fe/N对体系中硝酸盐去除率影响十分显著,而进水pH值影响较弱.利用CCD法得出模型预测的最佳反应条件为:进水pH值为4.00,反应温度为35.00℃,Fe/N为38.23,预测的硝酸盐去除率为94.70%,实际实验得出的硝酸盐去除率为88.99%.

中试一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器的启动与区域特性

通过好氧区接种亚硝化悬浮填料,厌氧区接种厌氧氨氧化絮状污泥和普通厌氧污泥研究了中试规模下一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器的启动与区域特性.结果表明,历时74 d成功启动中试一体式PN-ANAMMOX反应器,整体氮去除速率由0.02 kg·(m3·d)-1上升至0.48 kg·(m3·d)-1左右,可达到快速启动的效果,接种ANAMMOX污泥的比例与活性是实现PN-ANAMMOX反应器快速启动的关键因素;对两区域氮素转化特性分析表明,好氧区中AOB一直处于优势地位,NOB受到DO和基质的双重抑制,亚硝化效果稳定,NPRa由0.22 kg·(m3·d)-1上升到0.58 kg·(m3·d)-1左右,NAPa随着厌氧区脱氮能力的提升可达95%以上;厌氧区为一体式PN-ANAMMOX反应器的关键性区域,NRRana由0.02 kg·(m3·d)-1上升至4.7 kg·(m3·d)-1左右,期间中常温(温度由32℃下降至27℃)的变化首先对厌氧区产生影响,NRRana下降至3.7kg·(m3·d)-1左右,降低约21%,而对好氧区影响不大;在长时间运行下,两区域均可实现大量ANAMMOX菌的富集,此时好氧区也具有一定的脱氮能力,厌氧区则起强化脱氮的作用.

连续流亚硝化中试反应器的启动及其能力提升

通过接种污水处理厂压滤后污泥,添加悬浮填料进行挂膜,采用连续流反应器处理模拟氨氮污水,对反应器的游离氨(FA)、游离亚硝酸(FNA)以及溶解氧(DO)进行调控,实现了中试亚硝化反应器的成功启动.结果表明,通过前期高DO,后期低DO的运行模式,并对反应器运行过程中的FA、FNA进行调控实现了AOB的富集和NOB的淘汰,启动成功后反应器内部亚硝酸盐产生速率(NPR)达到1.27 kg·(m^3·d)^(-1),亚硝酸盐积累率(NAR)也稳定在98%.采用实时荧光定量PCR方法(quantitative real time PCR,q PCR)对启动初期和成功启动后反应器中的功能微生物(AOB、NOB)进行分析,q PCR结果表明反应功能微生物AOB的拷贝数从启动初期的5.3×10~9copies·m L^(-1)增长到1.6×10^(11)copies·m L^(-1),NOB的拷贝数反而从1.1×10^(10)copies·m L^(-1)下降到1.2×10~9copies·m L^(-1),AOB拷贝数的数量级比NOB的要高2个数量级,这也是在启动过程中通过DO、FA、FNA等措施对NOB联合抑制的作用.

ANAMMOX体系中氨与硫酸盐的同步转化条件

在CFSTR(continuous flow stirred tank reactor)反应器中接种混合污泥(ANAMMOX污泥与污水厂浓缩污泥按1∶1混合)研究NH4+与SO42-的同步转化,通过不断投加污泥令体系内ORP值稳定在(-200±50) mV,同步转化现象持续42 d,NH4+平均转化14. 81 mg·L^-1,SO4^2-平均转化8. 77 mg·L^-1.在批试实验中通过溶液是否充满玻璃瓶来控制体系内厌氧条件,不充满组NH4+与SO42-均降低,但两者的转化不同步;在完全充满组中NH4+不转化,SO4^2-浓度下降明显,实验后期检测到S2^-.分析认为同步转化现象产生的一般条件为NH4+和SO4^2-基质充足,接种浓度适量的混合污泥,体系漏氧且ORP检测值在-150^-300 mV范围内.同时认为本文及相关研究中所使用的实验条件均不能证明NH4+与SO4^2-的同步转化是两者相互转化的结果,相反实验条件更利于NH4^+与SO4^2-各自独立转化.

纤维载体的生物膜CANON反应器的启动特性

为研究纤维载体在CANON工艺中的运行特性,同时接种亚硝化污泥及厌氧氨氧化污泥启动CANON反应器.结果表明经过85 d运行,成功启动了CANON反应器,NRR从0.09 kg·(m3·d)-1提升至0.9 kg·(m3·d)-1并能稳定运行,说明纤维载体有利于富集污泥,反应器内能维持较高的生物量.随着微生物的富集生长,生物膜变厚,反应器的能力提升,反应器中DO达到5 mg·L-1.利用微电极测得生物膜由表及里的DO梯度为0.32~0 mg·L-1,说明生物膜变厚,氧对生物膜的穿透力减弱,亚硝化微生物量降低.荧光定量PCR结果表明,启动前后NOB菌数量维持在较低水平,AOB菌的丰度增长不大,ANAMMOX菌细胞增长了一个数量级.

ANAMMOX菌铁自养反硝化工艺的稳定性

在非严格厌氧的连续流反应器中,通过调节进水pH、外加一定浓度的Fe2+以及定期更换新鲜铁粉这3种运行方式探讨维持厌氧氨氧化(ANAMMOX)菌利用零价铁去除硝酸盐反应体系长期稳定运行的适宜条件.结果表明,随着反应进行、受零价铁表面钝化的影响,该体系硝酸盐去除率逐渐下降,反应器难以持续运行.在一定范围内降低进水pH(5~7),或者额外投加一定量的Fe2+对改善该反应体系的稳定性效果不显著.通过定期更换新鲜铁粉的方式,可以有效提高硝酸盐去除率、增强反应器稳定性.相比对照组可稳定运行7 d,实验组可至少稳定运行60 d,硝酸盐平均去除率提高22.23%.因此,采取适宜措施保证体系内有足够具有活性的零价铁、消除零价铁钝化的不利影响,是ANAMMOX菌利用零价铁去除硝酸盐反应体系高效、稳定运行的关键.

ANAMMOX培养物中硫酸盐型氨氧化生物转化机制

厌氧条件下,ANAMMOX培养物中发生的硫酸盐型氨氧化(SRAO)现象被认为是由ANAMMOX细菌(AnAOB)介导的自养生物转化过程.在这个过程中,作为电子供体的氨被电子受体硫酸盐氧化.在某一些自然环境中观察到的氨与硫酸盐转化现象也被认为是由于上述生物转化作用而导致的.然而,在不同研究中,关于氨与硫酸盐的转化摩尔比(N/S)、硫酸盐还原的中间产物和最终产物的认定均有存在较大差异.因此,氨和硫酸盐在ANAMMOX培养物中的转化机制仍不明确.为探明ANAMMOX污泥中SRAO现象背后的基质转化途径,在不同厌氧状态(微氧:-100 mV<ORP<0 mV,0.5 mg·L^(-1)<DO<1 mg·L^(-1);缺氧:-300 mV<ORP<-100 mV,0.2 mg·L^(-1)<DO<0.5 mg·L^(-1);厌氧:ORP<-300 mV,DO<0.2 mg·L^(-1))以及不同污泥组成(ANAMMOX污泥和混合污泥)的条件下开展连续流实验和批次实验.结果表明,SRAO现象只能在缺氧条件且存在异养硫酸盐还原细菌(SRB)的混合污泥中发生;在ANAMMOX污泥中无论处于哪种厌氧状态,均不会发生SRAO现象.微生物群落变化与功能基因表达分析表明,ANAMMOX污泥和混合污泥中均存在以Nitrosomonas和Nitrosospira为主的携带amoA基因的氨氧化细菌(AOB),可将氨氧化生成亚硝酸盐,为AnAOB代谢提供底物.Desulfomicrobium、Desulfovibrio以及Desulfonatronum等携带apsA基因的SRB只存在于混合污泥中,它们利用微生物衰亡释放的有机物将硫酸盐还原.AnAOB并不能以硫酸盐为电子受体氧化氨维持代谢.因此,在ANAMMOX污泥中观察到的SRAO现象(即氨与硫酸盐的同步转化)实际上是氨氧化、ANAMMOX和异养硫酸盐还原这3个过程联合的结果,上述生物转化过程分别由AOB、AnAOB和SRB完成.