污水处理系统中厌氧氨氧化细菌的富集策略

厌氧氨氧化(Anammox)工艺有利于实现可持续的污水生物处理,自发现以来就引起了人们的极大兴趣,与传统的生物脱氮技术相比,其优势在于节约充氧电耗与外加碳源所需的运行费用,以及较低的剩余污泥产量。然而,厌氧氨氧化细菌(AnAOB)的生长速率极其缓慢,限制了Anammox工艺的大规模应用。综述了以往富集AnAOB的研究,主要介绍了以下3个方面:接种污泥选择、载体与反应器设计以及外加化学物质。该文将有助于研究人员规划和设计一个合适的AnAOB富集策略,有利于拓宽Anammox工艺在污水生物处理中的应用。

芬顿氧化深度处理厌氧氨氧化出水影响因素的最优组合

利用正交试验对影响芬顿氧化深度处理垃圾渗滤液厌氧氨氧化出水的起始pH、nFe^(2+)/nH_(2)O_(2)、mH_(2)O_(2)/mCOD_(cr)、反应温度4种主要因素的最优组合开展研究。结果表明:4种因素均对芬顿氧化深度处理垃圾渗滤液厌氧氨氧化出水产生显著影响,影响顺序为起始pH>反应温度>mH_(2)O_(2)/mCOD_(Cr)>nFe^(2+)/nH_(2)O_(2),起始pH对COD_(Cr)去除率影响极显著,mH_(2)O_(2)/mCOD_(Cr)和nFe^(2+)/nH_(2)O_(2)影响程度较为接近;4种影响因素最优组合为起始pH=4.0、nFe^(2+)/nH_(2)O_(2)=1:3、mH_(2)O_(2)/mCOD_(Cr)=4:1、反应温度=20℃,该条件下COD_(Cr)和色度去除率高达92.4%和99.1%,出水可生化性好,处理效果达到工程应用要求,可为该联用系统的芬顿处理段提供一定的技术支撑。

厌氧氨氧化动力学特性解析

厌氧氨氧化是处理污水中氨氮和亚硝酸盐氮的最有效技术之一,但在实际应用中低生长速率和对环境因素的敏感性使得厌氧氨氧化过程多变且不稳定。而动力学模型的研究可以为更好地理解和使用脱氮技术提供有价值的工具,该文对厌氧氨氧化抑制、恢复和过程动力学模型进行了综述,阐明修正的Boltzmann模型广泛应用于厌氧氨氧化抑制后恢复性能的描述,并深入探讨不同反应器的动力学过程,认为修正的Stover-Kincannon和Grau二阶模型是最适合不同厌氧氨氧化反应器过程动力学模型,研究结果对厌氧氨氧化工艺环境因素的调控和反应器的优化设计具有一定的指导意义。

厌氧氨氧化颗粒污泥形成的研究进展

作为新型脱氮工艺,厌氧氨氧化(Anammox)具有节能减排、无需外加碳源等优点,在处理低C/N废水领域具有极高的应用价值,但在实际应用过程中因存在污泥流失问题,该工艺难以快速启动。投加成熟的厌氧氨氧化颗粒污泥(AnGS)是攻克上述难题的有效途径。对AnGS的形成过程、机理及影响因素进行综述,归纳总结AnGS快速培养的相关技术问题。介绍了AnGS的形成假说及基于各类假说的相关研究成果;阐述了AnGS的结构特征和微生物群落特征,总结分析了厌氧氨氧化菌(AnAOB)同AnGS之间的关系;分析了接种污泥类型、反应器类型、氮负荷率、有机物浓度、群体感应、外力作用等因素对AnGS形成的影响;介绍了AnGS的上浮现象,分析讨论了AnGS上浮与氮负荷率及颗粒污泥气体通道的关系;总结了现阶段AnGS技术存在的问题,并对AnGS的研究方向进行了展望,旨在为大规模工业化形成AnGS提供参考。

纳米铁改性生物炭载体强化厌氧氨氧化菌富集与脱氮效果研究

为实现厌氧氨氧化菌(AnAOB)在载体生物膜中快速富集,本文采用液相还原方法制备了纳米铁改性生物炭(nZVI@BC)载体,并设置两组相同的厌氧氨氧化(ANAMMOX)富集装置(R_(1)、R_(2)),通过对R_(1)、R_(2)装置添加不同载体(分别为BC和nZVI@BC),考察在富集过程中ANAMMOX装置的脱氮性能、载体表面特征和微生物群落结构差异.结果表明:①BC表面成功负载nZVI,nZVI@BC载体比BC载体具有更高的比表面积,改性后载体的比表面积从47.17 m^(2)/g增至210.82 m^(2)/g,可为微生物提供更多的附着位点.②R_(2)装置NH_(4)^(+)-N和NO_(2)^(−)-N去除率稳定达到90%所需时间均比R_(1)装置短,且稳定运行后,R_(1)、R_(2)装置的TN去除率最高分别为86.99%、89.65%.③nZVI@BC载体表面颜色由黑色变为红褐色,表明红色的ANAMMOX生物膜初步形成,且其表面生物量比BC载体表面生物量高23倍.④第20天,R_(1)、R_(2)装置中AnAOB的相对丰度分别为10.47%和29.15%;R_(1)、R_(2)装置载体表面主要的AnAOB属均为Candidatus Kuenenia,其相对丰度分别为7.49%和23.76%.研究显示,改性的nZVI@BC载体显著促进了ANAMMOX生物膜的快速形成和AnAOB的高效富集,提升了ANAMMOX过程的脱氮性能.

缺氧生物膜转型厌氧氨氧化生物膜培养与富集特性

接种西安市某污水处理厂缺氧池生物膜构建升流式厌氧固定床生物膜(UAFB)反应器从而富集培养厌氧氨氧化(Anammox)生物膜,通过测定生物膜Anammox活性和酶活性并进行高通量测序分析,探讨城市污水处理厂现有填料转型培养Anammox生物膜的可行性及生物膜内菌群演替规律.结果表明,经29d培养后的UAFB-Anammox反应器TN去除率高达76.22%,快速启动成功;负荷提升阶段,表面氮负荷(SNLR)由0.23g/(m^(2)·d)提升至2.59g/(m^(2)·d),最大Anammox活性维持2.15g/(m^(2)·d),TN去除率高达83.68%.Illumina MiSeq测序结果发现,富集后的生物膜中优势菌属为Ca.Brocadia,相对丰度为33.38%,富集效果明显.同时缺氧生物膜上反硝化菌Denitratisoma以Anammox的产物NO_(3)^(-)-N为基质,逐渐与AnAOB形成共生存关系.这说明利用城市污水处理厂现有缺氧生物膜可以快速培养Anammox生物膜,对Anammox工艺在城市污水处理厂升级改造中的应用提供一定参考.

厌氧氨氧化工艺在主流污水处理中的应用及其调控研究进展

厌氧氨氧化工艺(Anammox)具有低能耗、低产泥量、高脱氮性能等特点,在处理垃圾渗滤液、污泥消化液等领域的应用与研究得到了广泛重视。尽管如此,受制于氨氮浓度低、有机物与水量波动大、低温等问题,影响了其在城市污水主流工艺的应用。本文在介绍厌氧氨氧化工艺的基础上,总结了以厌氧氨氧化为基础的组合工艺处理城市污水案例,分析了当前厌氧氨氧化工艺应用于城市污水处理的限制性因素以及新型调控手段与策略。进一步展望了厌氧氨氧化应用于城市污水主流工艺的发展方向,以期为厌氧氨氧化应用到主流污水提供理思路。

厌氧氨氧化污泥颗粒化机理及快速形成策略

颗粒污泥可提高厌氧氨氧化菌截留率和反应器抗冲击负荷能力,因此厌氧氨氧化颗粒污泥(anammox granular sludge,AnGS)是实现其工程化应用重要途径之一.然而,目前对其形成机理缺乏系统理解,故综述AnGS的菌群结构及微生物群落间相互关系与作用,分析了目前提出的各种颗粒化机理,提出了Anammox颗粒化的4个过程以及几种加快氧氨氧化污泥颗粒化的策略,如选择最佳种泥、剪切力控制和添加金属离子等,最后讨论这些策略存在的问题和未来研究方向.

单级固定床生物膜反应器主流厌氧氨氧化快速启动性能

主流厌氧氨氧化(Anammox)是城市污水脱氮的热点和难点问题。本研究采用单级固定床生物膜反应器(SFBR)处理模拟城市污水,通过间歇运行切换和微氧(DO:0.4~0.7mg/L)控制,65天后成功启动Anammox。系统对氨氮和总氮去除率分别达98.8%和92.6%。此时生物膜结构致密,呈现红色。微生物活性测试发现,厌氧氨氧化菌活性在所有功能菌活性中最高。高通量测序证实厌氧氨氧化菌(Candidatus Brocadia)、短程反硝化菌(Thauera)和硝化菌(Nitrospira)共存,而未检测到氨氧化菌。amoA功能基因扩增子测序进一步分析表明,Nitrospira实际为全程氨氧化菌(Comammox)。因此,系统是在具有氧分层的生物膜内通过全程硝化/短程反硝化/厌氧氨氧化途径耦合实现城市污水脱氮。研究结果为主流Anammox快速实现提供了一种新的工艺思路。

硫化物对厌氧氨氧化耦合自养脱硫反硝化工艺脱氮除硫效能的影响

以成熟Anammox颗粒污泥与产甲烷颗粒污泥作为接种物实现了硫自养反硝化耦合厌氧氨氧化(SADA)工艺快速启动,探究了不同硫化物负荷对SADA工艺脱氮效能的影响及其脱硫机理.结果表明:较高硫化物负荷(>1.50g S/(L·d))对耦合系统中An AOB无显著抑制作用,相应的系统脱氮效率连续运行1.5个月后趋于稳定.当将硫化物浓度降为零,耦合系统的总氮去除率(TNRE)仍能达到88.1%,相应的化学计量比R_(s)(1.23±0.13)与R_(p)(0.33±0.08)亦与Anammox理论值近似,表明解除高硫化物负荷胁迫条件后SADA系统中Anammox颗粒污泥仍能实现生物脱氮过程.当解除高硫化物负荷胁迫1.5个月后,在较低硫化物负荷条件下(0.30g S/(L·d))恢复硫化物胁迫,耦合系统出水NO_(3)^(-)降低,相应的R_(p)降至0.21,表明SADA系统仍能较好地实现同步脱氮除硫,兼具硫自养反硝化和厌氧氨氧化的双重功效.系统存在的产甲烷颗粒污泥降低硫化物对An AOB抑制,缩短了SADA工艺启动时间,且能在重新引入硫化物后快速激活脱硫反硝化过程.通过颗粒污泥形态分析和高通量测序菌群解析可知:不同硫化物胁迫条件下,SADA系统中仍能实现An AOB(如Candidatus Kuenenia,16.9%)和硫氧化菌(如Thiobacillus,31.6%)的共存富集,且能实现高硫化物负荷条件下较高的TNRE(>60%)和硫单质产率(95.2%).

无机氮和重金属对渤海不同区域沉积物中厌氧氨氧化菌的影响差异

厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonium oxidation,Anammox)是驱动厌氧氨氧化过程、去除海洋沉积物中氮元素的重要引擎。为分析无机氮和重金属对厌氧氨氧化菌的影响,以渤海沉积物中厌氧氨氧化菌为研究对象,采用Illumina高通量测序技术和实时荧光定量PCR技术对渤海13个站位表层沉积物中AMX16S rDNA基因进行检测,分析其群落结构以及重金属含量对群落结构和多样性的影响。结果表明,渤海沉积物中厌氧氨氧化菌类群可归为14门、8纲、9目、5科、8属、26种,其中浮霉菌门(Planctomycetota)在渤海沉积物中占主导地位,且在中部区域丰度最高;相对丰度最高的属为Candidatus Scalindua。沉积物中重金属Hg在南部区域浓度最高。随机森林分析结果显示,南部区域厌氧氨氧化菌群落结构变化可能与沉积物中的NH4+、Hg和Cr含量密切关联,在北部区域可能与Pb含量密切相关,而在中部区域可能与NO2-含量密切相关。AMX16S rDNA丰度与重金属Cr和Cu、总氮以及沉积物粒度显著正相关(P<0.05)。研究表明,渤海具有丰富的微生物资源和厌氧氨氧化菌,具有代谢多种污染物的潜力。研究结果为认识近海污染对微生物的地理分布格局、群落生态位分化提供了依据。

低强度超声波对高负荷厌氧氨氧化EGSB反应器运行性能的影响

研究了低强度超声波对厌氧氨氧化EGSB反应器处理无机高氨氮废水的影响,考察了超声波处理对反应器脱氮性能、厌氧氨氧化颗粒污泥特征、胞外聚合物以及微生物菌群的变化情况。结果表明,低强度超声波可提高厌氧氨氧化反应器脱氮效能,在进水氮负荷为6.03kg N/(m^(3)·d)时,总氮去除率提高了11.40%,抵抗氮负荷冲击能力也得到了增强。周期性超声波辐照后,颗粒污泥粒径维持在1.0~1.5mm,有利于改善传质效率,提升厌氧氨氧化颗粒污泥活性和减少颗粒漂浮。污泥EPS总量有显著增加,其中紧密结合型胞外聚合物(TB-EPS)增加较为明显,有助于维持颗粒污泥的结构稳定性。污泥表面官能团种类不变,但羟基、羧基、氨基等基团有所增多。颗粒污泥的比厌氧氨氧化活性提高了33.2%,通过简化的Gompertz方程模型发现超声组的厌氧氨氧化菌生长速率(0.0127d^(-1))高于对照组(0.0107d^(-1))。高通量测序显示,超声波促进了厌氧氨氧化菌及其共生菌,其中Candidatus Brocadia提升了22.03%。同时严重抑制了部分反硝化细菌,使厌氧氨氧化菌的底物和生存空间更加充足。

长江中下游湖泊沉积物厌氧铁氨氧化过程及脱氮贡献

湖泊氮素污染问题严重,水体富营养化程度正在日益加剧。湖泊沉积物中传统脱氮过程的研究主要关注反硝化和厌氧氨氧化过程,而厌氧铁氨氧化过程(feammox)的发现更新了人们对于氮素转换途径的认识,也使得湖泊沉积物中各个脱氮途径的贡献至今尚不明确。本研究通过15 N稳定同位素示踪技术定量了长江中下游18个湖泊沉积物反硝化、厌氧氨氧化和厌氧铁氨氧化过程的速率,计算了各个过程的脱氮贡献。结果显示,冬季反硝化、厌氧氨氧化和厌氧铁氨氧化的平均速率分别为(2.38±0.80)、(0.06±0.04)和(0.015±0.025)mg/(kg·d),平均脱氮贡献分别为96.5%±2.4%、2.7%±2.0%和0.8%±1.4%;夏季反硝化、厌氧氨氧化和厌氧铁氨氧化的平均脱氮速率分别为(2.54±1.04)、(0.12±0.06)和(0.005±0.005)mg/(kg·d),平均脱氮贡献分别为95.0%±3.4%、4.8%±3.2%和0.2%±0.3%。尽管厌氧铁氨氧化过程对于总体氮素脱除的贡献较为有限,但对NH_(4)^(+)的脱除贡献值得关注,其NH_(4)^(+)脱除贡献率在冬季和夏季分别为15.5%±23.4%和13.4%±22.4%。在冬季的洪湖、西凉湖和斧头湖以及夏季的鄱阳湖中厌氧铁氨氧化的NH_(4)^(+)脱除贡献率甚至高于厌氧氨氧化,表明厌氧铁氨氧化过程在沉积物NH_(4)^(+)脱除中的作用不容忽视。多元统计分析结果表明,pH、硝态氮、总有机碳和总无机碳可能是厌氧铁氨氧化过程的主要影响因素。本研究丰富了湖泊生态系统氮循环路径的认识,明确了湖泊生态系统氮素的转化过程和环境归趋,为湖泊生态系统氮素管理与水体富营养化治理提供了重要的理论支撑。

羟氨强化硫自养反硝化与厌氧氨氧化协同脱氮效果

针对硫化物基质对硫自养反硝化与厌氧氨氧化协同脱氮体系的抑制问题,采用UASB反应器,通过逐渐增加进水羟胺质量浓度实现耦合体系高效脱氮。结果表明:在水力停留时间(t HRT)为4 h,进水NH^(+)_(4)-N和NO^(-)_(3)-N质量浓度分别为60和125 mg/L条件下,实现总氮去除负荷达1.05 kg/(m^(3)·d),其中厌氧氨氧化贡献率达76%~95%,是未投加羟胺时的1.55倍;羟胺的投加能够促进耦合系统污泥heme c合成和EPS(胞外聚合物)的分泌,NH_(2)OH与S^(2-)质量比超过0.024时有助于提高SAA(最大比厌氧氨氧化活性)值;厌氧氨氧化菌Candidatus_Kuenenia丰度和活性在羟胺存在时明显提高,从而与硫自养反硝化菌Thiobacillus、Thiothrix、Sulfurimonas、Sulfurovum和Sulfuritalea协同作用实现高效脱氮。

改性载体厌氧氨氧化生物膜在浅层地下水修复中脱氮效能的模拟研究

为探究厌氧氨氧化菌(AnAOB)在模拟地下水环境条件下脱氮性能的研究,以人工配水为进水,采用可渗透反应墙(PRB)作为模拟装置,使用纳米零价铁(nZVI)改性生物炭(BC)(nZVI@BC)厌氧氨氧化菌(AnAOB)生物膜作为填料,设置装置模拟温度从高温(33℃)降至实验室室温(21℃)的过程,探究降温过程中AnAOB生物膜填料对PRB装置脱氮性能的影响。结果表明:①PRB装置经过71 d的模拟运行,nZVI@BC载体AnAOB生物膜的PRB装置总氮(TIN)去除率达到82%,明显优于空白组(59.27%),且AnAOB生物膜脱氮贡献率占22.73%。②随着温度的变化,AnAOB生物膜的红色逐渐变淡,且生物膜污泥逐渐流失。③微生物群落结构表明,微生物多样性下降,优势物种在富集。从门水平上看,绿弯菌门(Chloroflexi)的相对丰度提升,逐步成为优势菌门,而浮霉菌门(Planctomycetota)和变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度则降低。从属水平上来看,AnAOB优势属Candidatus Brocadia的相对丰度逐步提升,Candidatus Kuenenia的相对丰度则降低。研究显示,nZVI@BC载体AnAOB生物膜填料组成的生物膜微生物系统在PRB装置降温过程中维持稳定,同时AnAOB生物膜群落结构随降温过程的变化而变化,以应对降温过程中带来的不利影响。

新型导电填料加速形成厌氧氨氧化生物膜及脱氮效能研究

厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonia oxidizing bacteria,AnAOB)在实际脱氮工艺中持留能力差,是制约该技术规模化应用的主要技术瓶颈之一。相较于传统生物填料,高温热解轮胎制备成具有导电特性的新型生物填料,不仅可以回收利用固定废弃物,而且能够实现加速AnAOB形成生物膜和提高脱氮效率的双重作用。实验结果表明,800℃最适合用于热解轮胎填料,同时具备更高的电导率和更有利于固定微生物生长特性。相较于单独Anammox组,Anammox+导电填料的NH+4-N、NO-2-N和TN平均去除率比单独Anammox组分别提升了9.12%、13.20%和15.69%,且明显高于聚丙烯(polypropylene,PP)填料的强化效果。Q-PCR分析结果表明,添加导电填料能够促使脱氮菌种丰度增加,其中AnAOB、亚硝酸盐还原菌和硝酸盐还原菌分别增长了50.21%、69.70%和145.59%。该新型导电填料技术的研发,可为Anammox技术推广提供新的思路和数据基础。

温度对高盐条件下厌氧氨氧化反应器脱氮性能的影响

污水温度通常受到季节和地区的限制,在寒冷地区很难达到厌氧氨氧化反应所需的最佳温度条件。为探究高盐条件下温度对厌氧氨氧化反应器脱氮性能的影响,采用上流式厌氧污泥床在15 g/L的盐度条件下进行中温(34℃)、逐步降至低温(16℃)、恢复活性并逐步降至中低温(22℃)的连续流试验,分析不同阶段反应器稳定运行的情况。结果表明:反应器在34℃条件下NH_(4)^(+)-N、NO_(2)^(-)-N的平均去除率分别为88.92%和96.47%,温度降至16℃时NH_(4)^(+)-N、NO_(2)^(-)-N去除率分别只有25.14%及30.96%;在活性恢复阶段,依次采取逐步提升温度、投加0.2 mmol/L甜菜碱和20%质量比的新泥的方法实现了反应器性能的恢复,NH_(4)^(+)-N、NO_(2)^(-)N平均去除率分别为88.18%、94.33%。性能恢复后的反应器被再次逐步降温,并通过延长水力停留时间(HRT)实现了在22℃下稳定运行,NH_(4)^(+)-N、NO_(2)^(-)-N去除率分别为82.14%、87.03%。研究表明,高盐条件下的微生物在温度降低后消耗了更多的能量,从而减少了颗粒污泥粒径及胞外聚合物含量,延长HRT能缓解降温后的盐度胁迫,温度回升后污泥性能可以恢复,甜菜碱及新泥的添加策略对活性的恢复有效。

有机条件下硫酸盐型厌氧氨氧化生物反应机理研究

为探究有机条件下硫酸盐型厌氧氨氧化(SRAO)生物反应机理,在上流式厌氧污泥床(UASB)反应器中,建立了SRAO反应体系,实现氨氮与硫酸盐同步去除。通过物质衡算、活性测定、微生物分析等,总结获得UASB反应器中SRAO过程分步分层进行的特点。首先,在中下层污泥中,氨氮与硫酸盐在微生物作用下发生反应,生成硫离子和硝态氮;随后,在中上层污泥中,硫离子与硝态氮发生硫自养反硝化反应,生成硫酸盐和氮气。反应器中硫离子的积累会抑制SRAO微生物活性,因此,第二步反应是整体反应的限速步骤。破解硫离子对SRAO微生物的活性抑制,是SRAO技术发展面临的一大难题。

硫酸盐型厌氧氨氧化研究与应用进展

硫酸盐型厌氧氨氧化(S-Anammox)是一种在厌氧条件下同步去除NH_(4)^(+)和SO_(4)^(2-)的新型生物处理工艺,为废水同步脱氮除硫提供了新思路,但是其氮硫转化机制、功能微生物与影响因素等研究仍有不足。综述了S-Anammox相关反应方程式、潜在功能微生物与功能基因、影响因素,分析了S-Anammox工艺的应用场景,提出了不同的组合工艺。建议进一步深化氮硫转化机制的研究,揭示功能微生物、反应条件与调控原理,为S-Anammox工程化应用提供理论与技术支持。

基于碳减排的厌氧氨氧化脱氮工艺应用及强化调控进展

随着我国“双碳”目标的提出和水处理行业提标改造的重点落在生物脱氮,污水处理厂从关注满足排放许可限制转向实现碳中和、能量自给及资源回收。厌氧氨氧化(Anammox)技术凭借无需外加有机碳源、占地面积小、污泥产量少以及脱氮效率高等节能降耗与碳减排优势,代表着未来污水生物脱氮的发展方向。基于已有研究成果,梳理对比了传统脱氮与Anammox反应的发展历程;重点综述了新兴短程硝化耦合Anammox(PN-A)工艺、短程反硝化耦合Anammox(PD-A)工艺和甲烷型反硝化耦合Anammox(DAMO-Anammox)工艺在城市主流工况的应用进展;详细探讨了主流Anammox工艺面临低温、进水负荷不均和光照等环境因素冲击时,可施行的“侧流污泥补充至主流”“侧流污水间歇性补充至主流”“驯化生物膜颗粒”等内源性以及外源性的强化调控策略及内在机制;最后围绕分子生物学技术、材料科学、数字信息技术和管理政策,对加快Anammox生物脱氮技术的创新发展与推广应用进行了展望。