好氧氨氧化菌的种群生态学研究进展

好氧氨氧化菌是一类能够在好氧条件下将NH4+转化为NO2-的化能无机自养型细菌,其活动将直接或间接影响土壤养分循环、水体富营养化、温室气体(N2O)和生态系统的功能。现代分子生物学技术的发展促进了人们对好氧氨氧化菌种群生态学的研究。介绍了近年来基于16S rRNA和氨单加氧酶am oA基因序列分析的好氧氨氧化菌的系统发育研究,比较了两种基因序列分析在好氧氨氧化菌遗传多样性研究中存在的差异;概述了环境条件诸如铵浓度、酸度、氧的可利用性、温度、盐度等对好氧氨氧化菌种类、数量及其种群生态分布的影响;阐述了好氧氨氧化菌对铵、氧饥饿的响应特征及其在酸性环境中的生存机制;并对今后好氧氨氧化菌的应用生态学研究及其主要方向进行了展望。

普通活性污泥富集好氧氨氧化菌试验

用普通活性污泥在SBR反应器中富集好氧氨氧化菌,反应器的运行周期为 1d,瞬间进水,曝气 21. 5h,沉淀 2h,排水 0. 5h。pH控制在 7. 8~8. 3,DO控制在 0. 8~1. 2mg/L,温度控制在 30±2℃。采用人工配水,初始人工配水中NH+4 -N的浓度为 50mg/L。待稳定后逐渐增加进水氨氮浓度至250mg/L,每次增加幅度 50mg/L。为定量判定富集过程中好氧氨氧化菌数目的增长情况,每隔 15d对SBR反应器中的污泥进行最大可能计数法(MPN法)测试和MLSS测试。富集培养 120d后,好氧氨氧化菌浓度提高 300倍。对比试验证实,pH和温度对好氧氨氧化菌的富集有明显影响。

好氧氨氧化菌混培物的氨氧化动力学研究

采用批式呼吸法求得好氧氨氧化菌产率系数为0.2119 mg COD/mg NH4+-NOD(或者0.7268 mg COD/mgNH4+-N)和氨氧化菌最大氨氮降解速率为0.1 mg NOD/(mg COD.h)(或者0.0292 mg N/(mg COD.h))。用间歇式批试验法,加入24μmol/L NaN3抑制NO2--N氧化,建立氨氧化反应动力学方程,得到氨氮半饱和系数为18.38 mg NOD/L(或者5.36 mg NH4+-N/L),DO半饱和系数为0.494 mg/L。对比参数值表明,用一步硝化动力学来描述氨氧化反应动力学模型是错误的。

两株好氧氨氧化菌(AOB)的分离纯化及菌属鉴定

在生物脱氮过程中,好氧氨氧化细菌（ AOB）发挥重要作用.本研究通过梯度稀释培养、平板划线分离进行AOB分离纯化,获得两株氨氧化能力较强的AOB菌株A2和A7,它们能将培养液中的大部分氨氮氧化.对A2和A7菌株进行革兰氏染色,并通过光学显微镜及扫描电镜观察细胞形态,发现A2和A7均为革兰氏阴性菌,细胞呈杆状,长为1~1.5μm,宽约0.5μm.生理生化实验表明,A2和A7属于自养微生物,不能利用有机碳源.系统发育分析表明,A2和A7均为亚硝化单胞菌（ Nitrosomonas）.

滇池沉积物中好氧氨氧化细菌群落多样性研究

从滇池沉积物中提取好氧氨氧化细菌(aerobic ammonium-oxidizing bacteria,AOB)的DNA,通过构建硝化作用氨单加氧酶基因(amo A)文库并划分操作分类单元(OTU)的方法,揭示好氧氨氧化细菌群落结构多样性。获得了80个amo A基因克隆,利用Mothur软件将相似度不小于97%的序列归为1个OTU,共得到22个OTUs,其中OTU1、OTU2、OTU3单元最大,分别包含了27、12、9条序列。对22个OTUs的代表序列进行系统发育分析表明,其序列都属于变形杆菌的β-亚纲,分布于亚硝化螺菌属、亚硝化弧菌属、亚硝化单胞菌属、亚硝化叶菌属4个属;优势种群为Nitrosomonas europaea的近缘种,尚未被描述过。

2类氨氧化菌的生态特性及其应用研究进展

氮素作为组成生物体的重要元素,一直以其独特的方式在自然界中循环.经典氮循环理论认为细菌的好氧氨氧化是氧化氨氮的唯一途径,然而,随着生物技术的发展,新的氮循环途径被不断发现,其中的古菌好氧氨氧化以及厌氧氨氧化过程,由于其突出的生态及工程应用重要性,成为学术界的研究热点.文章综述氮循环新途径中的厌氧氨氧化以及古菌好氧氨氧化过程的发现及研究现状,并进一步探讨了这2类氨氧化菌的研究及应用前景.

交替饥饿下PN1/PN2系统抑制NOB研究

为了抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB)的生长繁殖,采用序批式反应器(SBR)运行PN1/PN2系统,设置4组反应器R1~R4,分别设置连续运行段和交替饥饿/恢复运行段.饥饿期溶解氧(DO)浓度分别设置为(1±0.5),(2±0.5),(3±0.5),(4±0.5)mg/L,探讨交替周期的选取、饥饿期DO条件对功能菌活性、污泥浓度、粒径及胞外聚合物(EPS)的影响,以期实现部分硝化段的稳定运行.结果显示,相比于好氧氨氧化菌(AOB),NOB在面对饥饿时表现得更为敏感,活性衰减速率更高,恢复期前3d AOB的活性恢复速率高于NOB,因此3d的交替周期能够有效抑制NOB并保留AOB活性.采用交替周期为3d的交替饥饿/恢复策略进行70d的运行,4组反应器的亚硝酸盐氮积累率(NAR)分别达到73.36%、84.43%、91.21%、95.97%,运行过程中出现了污泥减量化的现象,但经过一段时间的适应后R1~R3的污泥浓度能够保持稳定,而R4则呈下降趋势;交替饥饿/恢复策略使系统逐渐排除沉降性能较差的絮体,而沉降性能好的污泥留在反应器内,第70d 4个反应器的污泥粒径分别达到190.69,197.56,207.69,153.56µm;环境变化刺激微生物分泌更多EPS,因此4组反应器污泥的EPS含量都呈现不同幅度的升高.实验结果表明交替饥饿/恢复策略可以刺激污泥产生有利的变化,实现有效的NOB抑制以及稳定的NO_(2)^(-)-N积累.

硝化过程中影响亚硝酸盐积累的因素

采用间歇式批试验法,改变pH值、DO浓度和温度,试验发现:当pH值分别为8.2、7.5、9.2、6.5和5.0,DO分别为1.0mg/L、2.0mg/L、4.5mg/L和温度为30℃、25℃、35℃和10℃时,氨氧化速率依次减小。进水氨氮浓度为50mg/L～250mg/L,保持pH值为8.0±0.2时,游离氨浓度为4.45mg/L～22.68mg/L左右,最大HNO2浓度远<0.2mg/L,游离氨和HNO2对好氧氨氧化菌的影响较小。结果表明,pH值、DO浓度和温度对好氧氨氧化菌的富集有显著影响。在富集过程中,控制pH值、DO浓度和温度是关键因素,游离氨和HNO2进行适当控制,以保证抑制亚硝酸盐氧化菌而不抑制好氧氨氧化菌。

无机碳对SNAD工艺硝氮积累问题恢复的影响

为研究充足的无机碳对同步亚硝化-厌氧氨氧化与反硝化（SNAD）工艺的恢复与稳定运行的影响,向硝酸盐氮积累而崩溃的SNAD反应器中投加过量无机碳,对反应器的运行情况进行研究.结果表明：在无机碳质量浓度为理论需要量的350%～410%的条件下运行36 d后,出水硝酸盐氮由12.1 mg/L下降至3.47 mg/L,特征比由2.31升高至20.77;继续投加无机碳至理论需要量的200%～310%,运行42 d后,总氮去除负荷由0.176 g/（L·d）升高至0.299 g/（L·d）;投加无机碳前后,好氧氨氧化活性（AOR,RAO）与厌氧氨氧化活性（ANR,RAN）分别由0.061 4和0.040 6 g/（g·d）升高至0.081 1和0.065 9 g/（g·d）.结果表明,充足的无机碳投加在有效解除SNAD工艺硝酸盐氮积累问题的同时,可以促进好氧氨氧化菌（AOB）和厌氧氨氧化菌（An AOB）的活性.

水力筛分间歇饥饿CANON工艺参数调控及稳定运行

为探究水力筛分间歇饥饿策略运行CANON工艺的稳定性及相关参数的设置,采用SBR反应器运行CANON工艺,定期通过水力筛分排出絮状污泥,之后对其进行间歇饥饿,以此抑制NOB的生长繁殖,探讨沉降时间和饥饿周期两项参数的调控,实现CANON工艺处理低氨氮污水的稳定运行。结果显示,不同的沉降时间对于粒径分布和功能菌活性有较大影响,1.5 min以上的沉降时间可将ANAMMOX菌基本留存在反应器中,AOB在颗粒污泥和絮状污泥中均有分布,NOB则主要分布于传质阻力小的絮状污泥中。AOB在缺氧饥饿期间的活性衰减速率基本保持稳定,而NOB在面对缺氧饥饿时表现得更为敏感,活性衰减速率大于AOB。在恢复阶段,由于AOB具有一种独特的机制来应对饥饿,能够将细胞保持在经历短时饥饿后立即以最大速率开始氧化NH^(+)_(4)-N的状态,使其在恢复3 d时的底物降解速率就达到0.097 g/(g·d),恢复至饥饿前的86%,而NOB因无法快速适应环境的变化活性恢复速率滞后于AOB。采用4 d饥饿和3 d恢复的模式运行反应器,NOB得到有效抑制,出水NO^(-)_(3)-N呈现下降趋势,之后调整间歇饥饿周期为4 d饥饿和5 d恢复,更好地提升了AOB的活性,处理效果进一步提升,进入稳定阶段,出水NH^(+)_(4)-N和NO^(-)_(3)-N平均值分别为2.69和7.79 mg/L,氨氮去除率和总氮去除率分别达到96%和79%。采用水力筛分间歇饥饿CANON工艺处理低氨氮污水运行性能稳定,出水满足GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中所规定的一级A标准。

锰离子和镍离子短期作用对自养脱氮亚硝化工艺影响

采用2个SBR反应器考察了Mn(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的短期作用对亚硝化反应器的影响。结果表明,低浓度的Mn(Ⅱ)(≤50 mg/L)对亚硝化影响不大,高浓度的Mn(Ⅱ)(>70 mg/L)可促进AOB的活性,加快反应速率。低浓度的Ni(Ⅱ)(<20 mg/L)对亚硝化影响不大,Ni(Ⅱ)对AOB和NOB的抑制质量浓度分别为20、100 mg/L,高浓度短期作用后亚硝化会被破坏。通过低DO、高pH和短HRT的联合作用,可有效抑制NOB的活性,使亚硝化得到恢复。

AOB与AnAOB在不同生物填料上挂膜效果的研究

针对厌氧氨氧化工艺运行过程中污泥流失严重与启动时间长等问题,本研究通过对多种市售生物填料的挂膜实验,筛选适合好氧氨氧化菌与厌氧氨氧化菌挂膜的生物填料.结果表明,当活性污泥中的好氧氨氧化菌菌属为Nitrosomonas时,AQ1聚氨酯立方体填料最适合其挂膜,挂膜成熟时好氧氨氧化速率可以达到(0.81±0.08)mg N/(L·h),挂膜生物量为(0.87±0.14)mg VSS.而更适合厌氧氨氧化菌(Candidatus Kuenenia)挂膜的生物填料为K3环形填料,材质为聚乙烯或者聚丙烯.当厌氧氨氧化菌挂膜成熟时,其厌氧氨氧化速率可以达到(3.27±0.10)mg N/(L·h),挂膜生物量为(2.74±0.40)mg VSS.厌氧氨氧化菌在K3型填料上的挂膜要优于好氧氨氧化菌,其原因是厌氧氨氧化菌分泌的胞外聚合物含量要高于好氧氨氧化菌,而胞外聚合物是形成生物膜的重要因素.

泥膜混合MBBR系统自养脱氮工艺的启动研究

为了加速厌氧氨氧化菌(AnAOB)富集,解决自养脱氮工艺启动缓慢的问题,在短程硝化絮状污泥反应器中投加含有少量AnAOB的悬浮填料,构建泥膜混合移动床生物膜反应器(MBBR)系统,探讨该系统在自养脱氮启动中的作用.结果表明:①在温度为20~30℃、pH为7.8~8.2、DO浓度为0.2~0.9 mg/L的条件下,经45 d的运行,成功富集AnAOB.通过调整运行模式和曝气量,TN去除率提高至70%左右,成功启动自养脱氮工艺.②在运行过程中,曝气阶段主要发生短程硝化反应,缺氧阶段主要发生厌氧氨氧化反应.③泥膜混合MBBR系统中优势的好氧氨氧化菌(AOB)和AnAOB分别为Nitrosomonas和Candidatus_Kuenenia.Nitrosomonas主要分布于絮状污泥中,其相对丰度从42.95%减至30.98%;而Candidatus_Kuenenia主要分布于填料生物膜中,其相对丰度从5.88%增至25.90%.④泥膜混合MBBR系统中还检测出Ignavibacteriales_bacterium_UTCHB1、Pseudomonas、Denitratisoma等多种反硝化细菌,说明部分TN损失是通过内源反硝化途径实现.研究显示,基于短程硝化絮状污泥的泥膜混合MBBR系统,可以维持稳定的短程硝化,快速富集AnAOB,也可以有效缩短自养脱氮工艺的启动时间.

完全自养生物脱氮工艺研究进展

完全自养脱氮工艺作为高效、低能耗的脱氮工艺成为脱氮领域研究的重点与热点。本文着重阐述了完全自养脱氮工艺的生化机理、影响因素及其工艺特点,同时介绍了CANON工艺的国内外研究现状并提出完全自养脱氮工艺的研究方向。

温度变化对短程生物脱氮及N2O释放影响

以生活污水为研究对象,利用序批式活性污泥法反应器(SBR),考察了不同温度下短程生物脱氮过程污染物去除和N2O释放特性。结果表明,利用pH在线控制措施,在pH曲线“氨谷”点及时停止硝化过程,能够在低温下维持稳定的短程硝化过程。不同温度下,系统异养菌COD去除效率无明显差别。随温度降低,NH4^+去除率由95%以上降至21.8%±2.1%,N2O产率由6.37%±0.60%降至0.66%±0.16%。N2O主要产生于硝化过程。中温(≥20℃)和低温(<20℃)下,氨氧化菌(AOB)氧化NH;的温度常数θ分别为1.056和1.140。氨氧化速率(AOR)越大,最高氧化亚氮产生速率(N2OR)出现时间越早。温度升高,AOR增加,提高了N2O-积累速率,促进了以N2O作为终产物的AOB好氧反硝化过程.

联氨对HABR全程自养脱氮系统的影响

为考察联氨作为自养脱氮系统菌群调节剂的可行性,以实验室内运行的HABRCANON反应器为试验装置,研究不同浓度联氨对自养脱氮系统脱氮效能和功能微生物的影响。结果表明,低浓度(1~4 mg/L)联氨可以抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB)的活性,促进厌氧氨氧化菌(AnAOB)的活性,从而提高脱氮效能;高浓度(10 mg/L)联氨对好氧氨氧化菌(AOB)和NOB的抑制作用明显;停止投加联氨后,CANON系统的脱氮效能可迅速恢复;高浓度(10 mg/L)联氨对HABR全程自养脱氮工艺的影响是可逆的,但对NOB的抑制不可逆。对生物膜样品中的优势菌种进行分析发现,AOB和AnAOB为主要的功能微生物。采用低-高-低的联氨投加方式,可以有效抑制自养脱氮反应器内NOB的生长,保证自养脱氮系统的稳定运行。

盐分对生物脱氮工艺中硝化反应的影响与机理

高盐废水来源广泛,在利用生物脱氮法处理高盐含氮废水时,盐分会对生物脱氮产生抑制作用.硝化反应是生物脱氮工艺中的关键过程,研究盐分对硝化反应的影响机理具有重要意义.本文概述了盐分对废水生物脱氮过程中硝化反应影响的研究进展,总结了盐胁迫对好氧氨氧化过程、亚硝酸盐氧化过程中硝化效率和反应特性的影响规律,并分析了盐分对硝化微生物细胞形态、生物絮体结构和胞外聚合物特性变化以及菌群结构的影响,系统阐述了盐胁迫下的硝化反应机理,为高盐分高铵氮废水生物脱氮工艺设计提供理论指导.