硫酸盐还原厌氧氨氧化机理及其微生物研究进展

硫酸盐还原厌氧氨氧化(SRAO)是一种在厌氧条件下将氨氮氧化与硫酸盐还原耦合在一起的微生物过程,能够同时实现脱氮除硫且无需额外的电子受体,在废水处理领域备受关注。本文综述了SRAO的反应机理、SRAO功能微生物及其与其他微生物之间的相互作用,分析了目前SRAO研究中存在的不足,指出今后可以从生物信息学和分子生物学等角度,深入探讨SRAO体系中功能微生物之间的相互作用、揭示SRAO体系内N和S的循环途径、解析SRAO体系的内部机理,为SRAO工艺改进和工业应用提供理论支持。

不同氮硫浓度及氮硫比对硫酸盐还原厌氧氨氧化脱氮效果的影响

该研究在硫酸盐还原厌氧氨氧化(Sulfate-Reducing Anaerobic Ammonium Oxidation,SRAO)脱氮工艺的基础上,探究了SO42-浓度在100 mg/L的条件下,控制NH4+的投加量在不同N/S(NH_(4)^(+)-N/SO_(4)^(2-))浓度比下ASBR(Anaerobic Sequencing Batch Reactor)反应器的运行效果及其脱氮性能。N/S从1.0增大到3.0时,ASBR中氨氮的平均去除率从78.5%增加到94.4%,但体系内SAD(Sulfur Autotrophic Denitrification)菌的丰度及活性未受到明显抑制,SRAO作用和ANAMMOX(Anaerobic Ammonia Oxidation)作用始终是ASBR脱氮的主要途径。当N/S的浓度比由3.0增至4.0时,ASBR中氨氮的平均去除率由94.4%下降为69.2%。这表明随着N/S的增大,体系内ANAMMOX菌和SRAO菌活性的降低,抑制了体系脱氮性能。这时SAD菌的丰度及活性略有增加。硫的去除率随N/S比的变化趋势和总氮的去除规律类似,在N/S=3.0时达到最大74.2%。结合高通量测序结果,说明不同N/S下的脱氮微生物优势菌群会不断变化,改变体系脱氮除硫性能。

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。

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。

硝酸盐异化还原为铵耦合厌氧氨氧化处理含氮废水

为探究厌氧氨氧化(Anammox)细菌同时去除废水中铵(NH_(4)^(+))和硝酸盐(NO_(3)^(-))的可行性及长期去除效果,基于Anammox菌的内源硝酸盐异化还原为铵过程,进行了批式实验、抑制剂实验、同位素实验以及长期反应器实验.结果表明,在MLVSS为4500mg/L的批式实验中,经12h反应后NH_(4)^(+)和NO_(3)^(-)被同时去除并生成了N_(2),总氮去除率为93.49%.在乙炔(抑制Anammox反应中铵和一氧化氮生成肼的过程)抑制实验中,检测到17.01mg N/L的NH_(4)^(+),Anammox菌对于NO_(3)^(-)去除的贡献率为85.88%.当加入青霉素G(抑制异养反硝化菌活性)后,NO_(3)^(-)仍可以被去除.在^(14)NH_(4)^(+)和^(15)NO_(3)^(-)同位素示踪实验中一直能够检测到^(29)N_(2)和^(3)0N_(2)的生成,前者是后者含量的1.41倍.在长期实验中,反应器稳定运行阶段平均出水NH_(4)^(+)和NO_(3)^(-)浓度分别为1.18和2.86mg N/L,平均总氮去除率为92.26%.由此可见,Anammox菌通过内源硝酸盐异化还原为铵耦合常规Anammox过程,可以长期稳定地同时去除废水中NH_(4)^(+)和NO_(3)^(-).

废水处理硝酸盐异化还原与厌氧氨氧化/反硝化耦合工艺构建

采用厌氧膨胀颗粒污泥床反应器(EGSB)处理含COD、氨氮和硝氮的模拟废水,旨在高浓度有机废水处理系统中快速构建厌氧氨氧化(Anammox)运行工艺。通过接种少量Anammox污泥和逐步提高氨氮浓度的操作方式,在连续运行58d后,系统成功启动Anammox反应,此时的总氮和COD去除率稳定在97%和98%以上。物料衡算显示,Anammox反应途径对氮的去除贡献逐渐增加,硝酸盐异化还原(DNRA)耦合Anammox和反硝化共同促进了系统的同步脱氮除碳。对微生物群落分析发现,Candidatus Kuenenia相对丰度由0.27%快速升高至35.87%,DNRA菌(Ignavibacterium、Thermogutta)及反硝化菌(Azospira、Gp3)在体系内共存。通过基因注释法,检测出了Anammox、DNRA、硝酸盐还原及亚硝酸盐还原关键基因。运行过程中,颗粒污泥颜色变红且粒径增大;胞外聚合物(EPS)分析表明多糖(PS)和蛋白质(PN)含量增加而PN/PS下降;三维荧光光谱发现腐殖酸类物质增多。研究结果为高浓度有机含氮废水高效处理提供了一种新的工艺途径。

厌氧环境下硫酸盐还原与氨氧化的协同作用

20多年前,人们就发现厌氧环境下氨态氮和硫酸盐的同步转化现象,并提出了硫酸盐型厌氧氨氧化(SRAO)脱氮说。该途径可以在厌氧条件下以废水中固有的硫酸盐为电子受体将氨态氮氧化为氮气,无需额外添加有机物,也不产生二次污染。该文通过对近年来国内外有关文献资料的研究理解,从SRAO研究历程、影响因素及氮硫可能的转化途径等方面进行了总结,理清了SRAO脱氮的发生需要适宜的基质浓度及环境条件,由于反应器内微生物菌群复杂,SRAO菌与SRB、HDB和SAD菌等共存,构成了SRAO现象是反应器内复杂的多反应协同作用的结果。首先,该过程既可以在进水有有机物的条件下启动,也可以在进水没有有机物的条件下启动;启动方式可根据进水中所加入氨态氮的电子受体分为三类:硫酸盐逐步替代亚硝态氮,同时加入亚硝态氮和硫酸盐,仅加入硫酸盐;Anammoxoglobus sulfate和Bacillus benzoevorans为已明确的SRAO功能菌。其次,反应器的类型、种泥来源、进水氮硫比、有机物等因素会对基质转化效率产生一定的影响。对于氨态氮被氧化是否是硫酸盐作用可采用排除法来确定,氨态氮的氧化产物随氮硫摩尔比的变化而变化。虽然SRAO和厌氧产甲烷都是在厌氧条件下进行的,但是在厌氧产甲烷系统中没有发现SRAO现象,主要是首次发现SRAO现象的反应器内多种菌群相互协同代谢但产甲烷菌不占主导地位。目前关于SRAO研究还主要处于实验室规模,之后的研究可从以下几方面展开:(1)缩短启动时间,提高基质的去除效率;(2)探究氨态氮与硫酸盐的转化途径及关键影响因素特征;(3)相关功能菌的鉴别。本文旨在为今后的理论研究提供综合信息并促进其在实际废水处理中的应用。

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。

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。

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。

自养厌氧硫酸盐还原/氨氧化反应器启动特性

引言 化工、味精、制药等工业生产过程中排放出大量含有NH＋4、SO2-4废水。如何高效稳定地处理这类废水,已对废水处理技术提出了极大挑战。生物处理一直被认为是废水处理领域最为经济有效的处理方式。

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。