脱氮微生物及脱氮工艺研究进展

脱氮是大部分污水处理系统中不可缺少的一环。由于具有经济高效、工艺简单和无二次污染等显著优势,生物脱氮工艺在最近数十年中备受关注。根据脱氮微生物的生理特性和脱氮机制不同,文中分类综述了近年来生物脱氮工艺的研究进展,重点对比分析了硝化菌、反硝化菌和厌氧氨氧化菌以及以这些菌为基础的不同生物脱氮工艺的优缺点,为复杂污水环境的脱氮工艺选择提供参考。基于微生物脱氮机制,通过合成生物学技术开发高效脱氮菌株,结合不同工艺优点并应用自动化模拟最佳条件,从而建立经济高效的脱氮工艺将是未来发展的重要方向。     

生物强化技术在废水脱氮中的应用

废水脱氮,主要是将污水中过量的营养物质转化为N2和N2O等排放到大气中。从市政和工业污水中脱氮最普遍,有效的方法是生物法,包括传统自养硝化-缺氧反硝化,异养硝化-好氧反硝化,短程硝化和厌氧氨氧化相结合等。目前,氮污染是个很严重的问题。从脱氮方式来说,有传统自养硝化-缺氧反硝化脱氮,异养硝化-好氧反硝化脱氮、厌氧氨氧化脱氮等。本文综述了这几种脱氮方式的生物强化技术的研究进展与实际应用,并对其发展方向进行了展望。     

废水自养生物脱氮技术研究进展

基于短程硝化和厌氧氨氧化的自养脱氮工艺是生物脱氮领域研究的热点,它的发现为低碳氮比废水的处理提供了新的思路。近些年来,人们陆续开发了SHARON、ANAMMOX、CANON、OLAND等自养生物脱氮工艺,进一步推动了高效、低耗脱氮技术的开发和研究。本文从工艺原理、特点等方面,对自养生物脱氮工艺的国内外研究状况进行了总结和对比,并提出了存在的问题及发展方向。     

异养硝化-好氧反硝化菌脱氮相关酶系及其编码基因的研究进展

水体氮素污染日益严重,如何经济、高效地去除水体氮素已成为研究热点。近年来,研究人员已从不同环境中分离到许多同时具有异养硝化和好氧反硝化功能的菌株,此类菌生长迅速,可在好氧条件下同时实现硝化和反硝化的过程,并可用于脱除有机污染物,是一类应用潜力巨大的脱氮菌。目前,异养硝化-好氧反硝化菌的脱氮途径和机制主要是通过测定氮循环中间产物或终产物、测定相关酶活性、注释部分氮循环相关基因及参考自养硝化菌和缺氧反硝化菌的氮循环途径等进行研究,其完整的氮素转化途径和氮代谢机制还需要进一步明确。总结了目前异养硝化-好养反硝化菌的脱氮相关酶系及其编码基因的研究进展,以期为异养硝化-好氧反硝化菌的理论研究及其在污水脱氮处理上的应用提供参考。     

异养硝化细菌的生物脱氮

正氮类污染物是造成水体污染和富营养化的主要原因,水体中氮的去除对于清洁水体有着重要的意义~([1-2])。因此,高效与便捷地去除污水中的氮是污水处理中的关键问题,而生物脱氮又被认为是目前废水脱氮中最经济有效的方法之一~([3])。最初研究者们认为只有自养硝化细菌才能进行高效的硝化作用,近年来研究表明,异养硝化微生物同样在生物硝化过程中起着不可忽视的作用~([4])。异养硝化微生物相比传统的自养微生物在废水生物脱氮中占有明显优势,具有良好的应用前景。     

反硝化细菌在污水脱氮中的作用

反硝化是在反硝化细菌的作用下,以硝酸盐作为最终电子受体而进行的无氧呼吸过程。从污水脱氮的角度论述反硝化在污水脱氮中的作用、污水脱氮的机理、污水脱氮过程中反硝化作用的影响因素等。从反硝化的角度出发,论述了反硝化细菌的类群、反硝化作用的机理、反硝化细菌细胞中参与反硝化过程的关键酶。另外,还论述了近年来发现的有氧反硝化细菌、自养反硝化细菌及反硝化除磷细菌等方面的研究进展。     

好氧反硝化菌脱氮特性研究进展

好氧反硝化菌的发现,是对传统反硝化理论的丰富与突破. 由于其在脱氮方面的独特优势,已成为目前废水生物脱氮领域研究的热点. 好氧反硝化菌能够在有氧条件下,利用有机碳源生长的同时将含氮化合物反硝化生成N2等气态氮化物,多数还能同时进行异养硝化作用,将铵态氮直接转化为含氮气体. 本文从电子理论、反硝化酶系等方面对目前已分离出的一些好氧反硝化菌的脱氮特性及其脱氮机理进行探讨,分析了溶解氧、碳源类型及C/N等环境条件对其脱氮作用的影响,介绍了好氧反硝化菌的筛选方法及应用现状,对其应用前景和发展方向进行了展望.     

好氧反硝化生物脱氮技术的研究进展

好氧反硝化生物脱氮技术自提出以来,凭借能实现同步硝化反硝化、节省基建投资及运行费用等诸多优点,受到国内外环境领域学者的广泛关注。本文首先总结了近年来好氧反硝化菌种的筛选分离情况,以及环境因子对好氧反硝化菌脱氮效能的影响,包括溶解氧(dissolved oxygen,DO)、碳氮比(C/N)、温度等。然后深入探讨了好氧反硝化生物脱氮技术的原理,好氧反硝化过程中的关键功能基因及酶,同时介绍了分子生物技术在好氧反硝化研究过程中的应用,以及好氧反硝化生物脱氮技术在实际应用方面的研究现状。最后,基于目前的研究瓶颈问题,对未来好氧反硝化生物脱氮技术的研究方向提出了科学展望。     

反硝化聚磷菌及其脱氮除磷机理研究进展

水体富营养化是当前水环境保护工作的重点关注问题,微生物修复富营养化水体具有高效、低耗且不产生二次污染等特点,已经成为富营养化水体生态修复的一种重要方式。近年来,对反硝化聚磷菌的研究及其在污水处理工艺中的应用越来越广泛。不同于传统的反硝化细菌联合聚磷菌去除氮磷工艺,反硝化聚磷菌在交替厌氧、缺氧/好氧条件下能同时进行脱氮除磷而被广泛关注与研究。值得注意的是,近几年报道的部分微生物仅在好氧条件下就可进行同时脱氮除磷,但是其脱氮除磷机理仍未理清。基于此,文中总结了目前发现的反硝化聚磷菌和同时硝化反硝化聚磷微生物的种类及特点,并对其脱氮与除磷的关系及其机理进行了系统性分析,对目前反硝化除磷存在的问题进行了梳理,最后对今后的研究方向进行了展望,以期为完善反硝化聚磷菌的脱氮除磷机理及工艺改进提供参考。     

全程自养脱氮反应系统的微生物区系分析

在建立全程自养脱氮反应器的基础上,以活性污泥为对照,分析了脱氮反应器内真菌、细菌和放线菌的数量、种类（类群）、种（株系）数和优势种（株系或类群）,及硝化菌和业硝化菌的数量变化。研究结果表明,与活性污泥相比,全程自养脱氮反应器内微生物数量、种类和区系组成发生很大变化。自养脱氮反应器内亚硝化菌数量显著增加,说明亚硝化菌的积累是全程自养脱氮系统的一个显著特点。     

4种水生植物对富营养化水体氮磷去除效果的研究

以灯心草、水田芥、菹草和轮藻为试验对象,研究了其在两种不同程度富营养化水体中的生长状况及对水体中总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH4+-N)和化学耗氧量(COD)的净化效果。结果表明,在轻度富营养化水体中水田芥效果最好,培养20 d后的水田芥对总氮、总磷、氨氮和化学耗氧量的吸收率分别为75.28%、93.00%、76.35%和83.74%,其它3种水生植物对水体也都有较好的净化效果;在重度富营养化水体中灯心草效果最好,培养20天后的灯心草对总氮、总磷、氨氮和化学耗氧量的吸收率分别为89.30%、83.11%、83.41%和78.56%,但水田芥和轮藻的净化效果相对较差。     

微生物降解有机磷农药污染的研究进展

有机磷农药严重污染生态环境,微生物降解是治理有机磷农药污染的新技术,综述了降解有机磷农药污染的微生物种类、降解的机理、应用、存在的问题及今后研究方向。     

氨氮降解菌株的筛选及降解性能研究

为解决氨氮积累导致水体污染的问题,从北京南宫垃圾堆肥厂的垃圾渗滤液中筛选出1株具有氨氮降解能力的菌株Z-5。通过对该菌株的形态观察以及ITS基因序列同源性对比分析,鉴定该菌株为褐红篮状菌（Talaromyces pinophilus）,命名为褐红篮状菌Z-5。进一步分析筛选菌株Z-5在不同培养条件（接种量、氨氮初始浓度、碳源、pH）下各单因素以及多因素对氨氮降解性能的影响,并进行了二元分布和三因素三水平的正交试验。结果表明,当接种量为1%、氨氮初始浓度为100 mg·L^-1、碳源为红糖以及pH为7.0时,氨氮去除率达到了94.75%,效果最佳。研究结果为垃圾废水处理中氨氮的去除奠定了基础。     

不同基因型水生植物对铵态氮和硝态氮吸收动力学特性研究

针对不同营养状况的富营养化水体修复而选择吸收养分效率较强的水生植物,采用改进常规耗竭法比较研究了6种不同基因型水生植物凤眼莲(Eichhornia crassipes Solms)、黄花水龙(Jussiaea stipulacea Ohwi)、再力花(Thalia dealbata Fraser)、美人蕉(Canna glauca L.)、水芹[Oenanthe javanica(Bl).DC]和豆瓣菜(Nasturtium officinaleR.Br.)对铵态氮和硝态氮吸收动力学特性。结果表明,不同基因型水生植物吸收铵态氮和硝态氮的动力学特性可用Michaelis-Menten方程来描述。在低浓度培养下,不同基因型水生植物对NH4+-N和NO3--N吸收的动力学参数Imax和Km差异较大,其吸收NH4+-N和NO3--N的Imax最大是水芹,其次是豆瓣菜;Km值最小的是水芹,其次是豆瓣菜;且水芹对NH4+-N和NO3--N不仅具有较强的亲和力,还具有较高的离子吸收速率。结果还表明,当介质中氮浓度较低时,水芹有优先吸收硝态氮的趋势,而豆瓣菜和再力花有优先吸收铵态氮的趋势。     

New Aspects of Microbial Nitrogen Transformations in the Context of Wastewater Treatment – A Review

Over the past few years, new technologies for nitrogen removal have been developed mainly because of the increasing financial costs of the traditional wastewater treatment technologies. Newly discovered pathways, like the anaerobic oxidation of ammonium (ANAMMOX), and uses for nitrogen removal technologies are under discussion. Processes and technologies such as: Partial nitrification; Single reactor systems for High Ammonium Removal Over Nitrite (SHARON); Anammox; Aerobic/anoxic deammonification; Oxygen Limited Autotrophic Nitrification‐Denitrification (OLAND); Completely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite (CANON); wetland based systems, all have a high potential for nitrogen removal. However, the pathways of nitrogen transformation processes are very complex. An understanding of how various environmental factors affect these processes and a sound knowledge of existing, worldwide experience pertaining to these novel technologies are the key if the nitrogen removal rates are to be improved and success is to be realized in full‐scale applications. This review describes the present knowledge of the new treatment technologies for wastewater with high nitrogen loads. Special emphasis is given to the influence of environmental factors and the reactor configuration on the nitrogen transformation process and microbial activity.     

Treatment of effluents polluted by nitrogen with new biological technologies based on autotrophic nitrification-denitrification processes

In recent years, various technologies have been developed for the removal of nitrogen from wastewater that is rich in nitrogen but poor in organic carbon, such as the effluents from anaerobic digesters and from certain industries. These technologies have resulted in several patents. The core of these technologies is some of the processes and patents described in this paper: Aerobic denitrification, Sharon, Anammox, OLAND, CANON, NOx process, DEMON. More specifically, one of the first innovative options described for removing nitrogen include partial nitrification under aerobic conditions (partial Sharon process) followed by autotrophic anaerobic oxidation (Anammox process). The partial Sharon-Anammox process can be performed under alternating oxic and anoxic conditions in the same bioreactor or in two steps in two separate bioreactors. This overview focuses on the technical and biological aspects of these new types of treatment system, and compares them to other technologies. Given the fact that nitrification is a sensitive process, special attention is paid to conditions such as temperature, dissolved oxygen, hydraulic retention time, free ammonia, nitrous acid concentration, and pH. A discussion of the pros and cons of such treatment systems is also included since autotrophic nitrogen removal has advantages as well as drawbacks. The paper concludes with a discussion of future research that could improve these systems by enhancing performance and reducing costs.     

耐高浓度氨氮的异养硝化好氧反硝化菌株U1的鉴定及其脱氮特性

【背景】城市垃圾渗滤液是一种成分复杂的有机废水,含氮量高,如果未经处理直接排放到环境中会造成严重的环境污染。【目的】筛选可以耐受垃圾渗滤液中高浓度氨氮并高效去除污水中氮素的异养硝化好氧反硝化菌株,为解决垃圾渗滤液的氮素污染提供功能菌株。【方法】从垃圾渗滤液中筛选分离能耐受高氨氮浓度的菌株,通过测定各菌株的脱氮能力,筛选到一株脱氮能力最强的菌株,命名为U1,通过测定16S rRNA基因序列和生理生化特性确定该菌株为铜绿假单胞菌。进一步研究了菌株U1在不同初始氨氮浓度、碳源、转速、初始pH、碳氮比等单因素变量下的脱氮能力,并结合L₉（3⁴）正交试验研究了菌株U1的最佳脱氮条件。【结果】分离出一株铜绿假单胞菌并命名为U1。该菌株的最优脱氮条件为:初始氨氮浓度为1 000 mg/L,红糖和柠檬酸三钠的混合碳源,pH 6.0,C/N为10,转速为130 r/min,菌株U1的最大总氮去除率为64.37%,最大氨氮去除率为76.73%。对于总氮和氨氮含量分别是2 345 mg/L和1 473.8 mg/L的垃圾渗滤液,菌株U1最大总氮去除率为27.86%...     

Continuous operation of foamed emulsion bioreactors treating toluene vapors

Continuous operation of a new bioreactor for air pollution control called the foamed emulsion bioreactor (FEBR) has been investigated. The effect of several liquid feeding strategies was explored. The FEBR exhibited high and steady toluene removal performance (removal efficiency of 89%-94%, elimination capacity of 214-226 g/m3h at toluene inlet concentration of 1 g/m3) for up to 360 h, when 20% of the culture was replaced every 24 h by a nutrient solution containing 4 g/L of potassium nitrate as a nitrogen source. This feeding mode supported a high cell activity measured as INT reduction potential and active cell growth without being subject to nitrogen limitation. In comparison, operating the FEBR with the liquid in a closed loop (i.e., batch) resulted in a significant decrease of both the removal efficiency of toluene and INT reduction activity. Operation with feeding active cells resulted in stable and effective treatment, but would require a significant effort for mass culture preparation. Therefore, the continuous process with periodically feeding nutrients was found to be the most practical and effective operating mode. It also allows for stable operation, as was shown during removal of low concentration of toluene or after pollutant starvation. Throughout the study, INT reduction measurements provided insight into the process. INT reduction activity data proved that under normal operating conditions, the FEBR performance was limited by both the kinetics and by mass transfer. Overall, the results illustrate that engineered gas-phase bioreactors can potentially be more effective than conventional biofilters and biotrickling filters for the treatment of air pollutants such as toluene.     

异养硝化⁃好氧反硝化复合菌剂在垃圾渗滤液处理中的应用

垃圾渗滤液中往往含有高浓度的有机物、氨氮等污染物。异养硝化-好氧反硝化型微生物能在脱氮的同时去除部分有机物,但目前对于相关混合菌剂直接应用于垃圾渗滤液处理的研究较少。从垃圾渗滤液中筛选出6株异养硝化-好氧反硝化菌株并组配成复合菌剂F6,探究菌剂在垃圾渗滤液中的脱氮效果。分别以单一菌株和复合菌剂F6为投放原料;以不同碳氮比、活性炭浓度、转速以及微量元素浓度为影响因素,研究复合菌剂对于垃圾渗滤液中氨氮(NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N)、总氮(total nitrogen, TN)、化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)的去除性能。结果表明,提高碳氮比和微量元素浓度能够促进复合菌剂F6的降解效果;当接种量为10%、碳氮比为15%时,F6对NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N、TN、COD的去除率分别为74.69%、89.23%和83.50%,与不添加活性炭的处理相比,分别提高了约18.46%、20.97%和7.98%。复合异养硝化-好氧反硝化菌剂F6对高氨氮垃圾渗滤液去除NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N、TN、COD等方面具有良好的应用前景。     

人工湿地的氮去除机理

湖泊等水环境的富营养化给人类带来诸多损害,如环境、生态和经济等方面的损害。富营养化的原因和控制途径引起了包括中国在内的很多国家的关注。我国针对水环境的富营养化问题开展了大量的工作。氮是引发水环境富营养化的主要营养物之一。外源氮负荷（分点源和非点源两部分）是水环境污染负荷的重要组成部分。传统污水处理技术应用于收集系统欠缺的非点源污染的治理时成本过高。人工湿地是有效削减水环境中外源氮负荷的重要技术手段,在处理非点源污染源带来的氮负荷时更是如此。人工湿地具有氮去除效果好、耐冲击负荷能力强、投资低和生态环境友好等优点。因此人工湿地非常适合于水环境富营养化的防治。阐明人工湿地中氮的去除机理对水环境的富营养化等具有重要的意义。防渗人工湿地的氮去除机理主要包括挥发、氨化、硝化／反硝化、植物摄取和基质吸附。未防渗的人工湿地中,周围水体与人工湿地的氮交换影响着人工湿地中氮的去除。一般情况下,人工湿地中硝化／反硝化是最主要的氮去除机理。pH值小于7．5时,氨挥发可忽略。pH值在9．3以上时,氨挥发很显著。处理生活污水的人工湿地中氮的去除主要是依靠微生物的硝化／反硝化作用。在进水负荷低、气候适宜、植物物种适宜和收割频率与时机适宜的条件下,植物收割可能成为主要的去氮途径。人工合理导向的湿地的氮去除效果通常优于天然湿地。合理的设计（填料的搭配、植物物种的配置以及布水和集水的优化）对人工湿地系统中氮去除的改善有重要影响。合理的运行,如有效的水位控制,正确的植物培育、合理的植物收割等,能有效地改善湿地中的氮去除。