厌氧氨氧化工艺的微生物学特性

厌氧氨氧化工艺是废水生物脱氮研究领域里近年来出现的新工艺,有良好的应用前景。本文就该研究领域里的一些最新进展做一简要介绍。主要内容包括相关微生物的分离及鉴定,工艺机理以及应用前景。     

厌氧氨氧化组合脱氮工艺研究进展

厌氧氨氧化工艺是一项高效、低耗的生物脱氮工艺,但受限于底物类型、硝氮积累等问题,其在主流应用中仍然面临一些挑战。近些年来,针对上述问题,厌氧氨氧化组合工艺得到了广泛关注。通过对近年来所开发的厌氧氨氧化组合工艺,从工艺原理、优缺点、影响因素、工艺拓展性及其在推广应用中存在的关键瓶颈等角度进行探讨,并结合课题组相关工作,展望了厌氧氨氧化组合工艺在城市生活污水处理中的发展前景。     

氨的厌氧氧化

氨的厌氧氧化王建龙（清华大学环境工程系、环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京１０００８４）关键词氨氧化废水脱氮工业排放的含氮废水和农业施用的氮肥随雨水冲刷入江河、湖泊,生活污水排入受纳水体等,对环境造成的污染越来越严重,已引起人们的普遍关注。这...     

厌氧氨氧化反应器的启动研究

目的：对UASB-生物膜反应器进行厌氧氨氧化反应的启动研究。方法：以自配含氨氮和亚硝氮的废水为进水,以氧化沟工艺城市污水处理厂回流污泥为接种污泥。结果：反应器内部菌群进行了竞争,在运行至第66d时氨氮、亚硝酸盐氮的去除率分别达到了60.4%、58.7%,同时有硝酸盐氮生成,表明厌氧氨氧化反应已经成为反应器内的主导反应。结论：厌氧氨氧化反应器实现了快速启动。     

厌氧氨氧化生物脱氮技术的研究进展

厌氧氨氧化是指在厌氧条件下,厌氧氨氧化混合菌直接以NH4 为电子供体,以NO3-或NO2-为电子受体,将NH4^ 、NO3-或NO2-转变成N2的过程。厌氧氨氧化作为一种新型的污水处理工艺具有较高的理论意义和良好的应用前景。本文主要阐述了厌氧氨氧化生物脱氮技术原理、厌氧氨氧化的可能途径、方法及其应用现状,并且讨论了厌氧氨氧化反应的微生物学机理和厌氧氨氧化工艺的开发,提出了今后研究的主要方向。     

厌氧氨氧化菌的研究进展

近年来,有关厌氧氨氧化过程这一特殊的生化机制以及微生物类群的研究引起了人们的极大关注,尤其是这类微生物的生态生境可能比人们预想的范围更加广泛,因而在自然界N循环中可能具有重要意义。对这类菌结构特征、系统发育地位以及厌氧氨氧化小体和厌氧氨氧化机制的更深入认识将大大促进它们在污水处理工程中的应用。综述了近年来有关厌氧氨氧化菌的生理特性、生化机制、结构特点、生态生境以及工程应用等方面的最新进展。     

厌氧氨氧化菌的研究进展

厌氧氨氧化技术是一种新型生物脱氮技术,在废水处理中具有广泛的应用前途,对全球海洋的氮循环起着重要作用。由于反应中不需另加有机物、不消耗氧气、不会产生二次污染等优点,厌氧氨氧化技术受到格外关注。通常认为,厌氧氨氧化的机理在于厌氧氨氧化菌使氨和亚硝酸反应生成氮气。通过16SrRNA分子生物学方法已鉴定出该菌群属于分枝很深的浮霉菌,由于至今未能成功分离到纯的菌株,未正式命名,对其微生态环境以及生理生化特征也未能取得一致的意见。本文综述了国内外对厌氧氨氧化微生物的作用、分布、种类、生理生化特征等研究进展,认为厌氧氨氧化菌的分离纯化、生物特性、小生境等是今后的主要研究方向。     

厌氧氨氧化菌驱动脱氮途径的研究进展

厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonia-oxidizing bacteria, AnAOB)的代谢多样性,使得该菌群能够在海洋、湿地和陆地等不同的自然生态系统中广泛分布,甚至在一些极热和极寒环境中也检测到了该菌群的存在。本文回顾并总结了厌氧氨氧化菌在不同生态系统中的发现、分布及脱氮贡献等方面的研究,分析了厌氧氨氧化菌分布的主要环境影响因素。该综述将帮助我们更好地理解全球氮循环中厌氧氨氧化菌的实际角色和功能,并基于厌氧氨氧化(anaerobicammoniaoxidation,anammox)过程,探究能与其进行协作的新型生物脱氮工艺,以期为这些工艺的研发和推广提供生态学基础和新的思考,从而实现脱氮工艺的技术变革。     

流加菌种对厌氧氨氧化工艺的影响

厌氧氨氧化工艺具有很高的容积氮去除速率,现已成功应用于污泥压滤液等含氨废水的脱氮处理,容积氮去除速率高达9.5 kg/(m3·d)。但由于厌氧氨氧化菌为自养型细菌,生长缓慢,对环境条件敏感,致使厌氧氨氧化工艺启动时间过长,运行容易失稳,并且不适合处理有机含氨废水和毒性含氨废水,极大地限制了该工艺的进一步推广应用。为了克服厌氧氨氧化工艺实际应用中存在的问题,结合发酵工业中常用的菌种流加技术,提出了一种新型的菌种流加式厌氧氨氧化工艺,研究了该新型工艺在厌氧氨氧化工艺的启动过程、稳定运行以及处理有机含氨废水和毒性含氨废水等方面的应用情况。结果表明,通过向反应器内补加优质厌氧氨氧化菌种,可提高厌氧氨氧化菌数量及其在菌群中的比例,强化厌氧氨氧化功能。据此研发的菌种流加式厌氧氨氧化工艺不仅可以实现快速启动,而且可以稳定运行,并突破了有机物和毒物所致的运行障碍,拓展了厌氧氨氧化工艺的应用范围。     

厌氧氨氧化污泥中效应菌的分子生物学研究

对具有厌氧氨氧化作用的细菌进行更深入的分析和了解有助于该新型生物脱氮过程在实践中的应用,采用分子生物学方法从已培养的具有厌氧氨氧化活性的污泥中提取细菌总DNA,经纯化、特异引物PCR扩增、克隆、测序等过程,得到厌氧氨氧化菌部分16S rDNA序列(长度为836bp),少部分克隆具有1～2个碱基的突变。此外,进化分析结果显示培养获得的细菌与已发现的Candidatus Brocadia anammoxidans、Anaerobic ammoniumoxidizing Planctomycete、Uncultured anoxic sludge bacterium KU1细菌在进化上关系较近,但比对分析结果表明所研究的细菌与上述细菌的DNA序列相似度不高,这表明自然环境中还存在一种以前未被发现的可进行厌氧氨氧化的细菌。     

ANAMMOX process start up and stabilization with an anaerobic seed in Anaerobic Membrane Bioreactor (AnMBR)

ANaerobic AMMonium OXidation (ANAMMOX) process, an advanced biological nitrogen removal alternative to traditional nitrification--denitrification removes ammonia using nitrite as the electron acceptor without oxygen. The feasibility of enriching anammox bacteria from anaerobic seed culture to start up an Anaerobic Membrane Bioreactor (AnMBR) for N-removal is reported in this paper. The Anammox activity was established in the AnMBR with anaerobic digester seed culture from a Sewage Treatment Plant in batch mode with recirculation followed by semi continuous process and continuous modes of operation. The AnMBR performance under varying Nitrogen Loading Rates (NLR) and HRTs is reported for a year, in terms of nitrogen transformations to ammoniacal nitrogen, nitrite and nitrate along with hydrazine and hydroxylamine. Interestingly ANAMMOX process was evident from simultaneous Amm-N and nitrite reduction, consistent nitrate production, hydrazine and hydroxylamine presence, notable organic load reduction and bicarbonate consumption.     

Batch culture enrichment of ANAMMOX populations from anaerobic and aerobic seed cultures

Discharge of nitrate and ammonia rich wastewaters into the natural waters encourage eutrophication, and contribute to aquatic toxicity. Anaerobic ammonium oxidation process (ANAMMOX) is a novel biological nitrogen removal alternative to nitrification-denitrification, that removes ammonia using nitrite as the electron acceptor. The feasibility of enriching the ANAMMOX bacteria from the anaerobic digester sludge of a biomethanation plant treating vegetable waste and aerobic sludge from an activated sludge process treating domestic sewage is reported in this paper. ANAMMOX bacterial activity was monitored and established in terms of nitrogen transformations to ammonia, nitrite and nitrate along with formation of hydrazine and hydroxylamine.     

Performance of cathodic nitrate reduction driven by electricity generated from ANAMMOX sludge in anode

In this study, ANAMMOX sludge was used as anode microbial catalysts to drive electrocatalytic reduction of nitrate in the SnCu-Pd/CFC catalytic cathode with total nitrogen (TN) removal efficiency of ANAMMOX as well as generate electricity without additional carbon and energy source. The system operation with 1.74 Kg·N/m³·d as nitrogen loading rate (NLR) exhibited a TN removal efficiency of 96.3% and obtained the highest nitrogen removal rate (NRR, 1.69 Kg·N/m³·d), increased by 14.9% and 0.30 Kg·N/m³·d compared with open circuit (control group), respectively. Maximum voltage (39.8 mV) and power density (21.20 ± 0.05 mW/m³, standardized to anode surface area) were also observed. Additionally, microbial community analysis revealed community structure of S2_anode had an obvious disparity compared with others as the predominant ANAMMOX bacteria (AnAOB) closed to anode surface was evolved from Candidatus_Kuenenia to Candidatus_Brocadia.     

两株异养硝化细菌的分离鉴定及其脱氮特性

【目的】利用异养硝化培养基,从华中农业大学实验猪场污水中筛选得到2株具有较高脱氮效率的细菌。【方法】通过形态学特征及16S rDNA序列的系统发育分析,对分离菌株进行了鉴定。且对菌株P2和P9降解氨氮的相关特性也作了研究。此外,将菌株单独或混合接种于猪场污水,检测其处理实际污水的脱氮效果。【结果】初步判断菌株P2为副球菌属(Paracoccus sp.),P9为申氏杆菌属(Shinella sp.)。2株细菌能在有机物存在下进行异养硝化作用,经24h培养,菌株P2和P9对氨氮的去除率可达80%左右,同时未发现亚硝酸盐、硝酸盐积累;但菌株P2,P9不能以NO 3-或NO 2-为唯一氮源发生好氧反硝化作用。菌株P2和P9异养硝化的最适碳源为丁二酸钠,最适C/N比为9,且脱氮过程中pH值从6.8到8.9一直呈上升趋势。菌株对小分子碳源具有较强的依赖性,在加入小分子碳源的情况下,其对污水具有较强的脱氮能力,且这两个菌株混合施用较单独作用氨氮去除效果更好。【结论】菌株P2和P9脱氮能力较强,其在污水处理行业具有重要的应用前景。     

污水脱氮功能微生物的组学研究进展

生物脱氮是污水处理厂的核心,掌握生物脱氮过程相关微生物代谢特性,对于探索微生物资源和提高污水处理厂脱氮性能具有重要意义。近年来,分子生物学方法不断发展和改进,已被广泛应用于揭示脱氮微生物群落多样性、组成结构和潜在功能等方面,大幅提升了研究者们对污水生物脱氮系统中微生物,尤其是不可培养微生物的代谢机理、抑制调控原理及新型生物脱氮工艺途径的认识。本文对流行的分子生物学方法(16S rRNA基因测序、实时荧光定量PCR技术、宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学和代谢组学)进行了介绍,综述了其在硝化细菌、反硝化细菌、完全氨氧化细菌、厌氧氨氧化细菌、厌氧铁氨氧化细菌、硫酸盐型厌氧氨氧化细菌及亚硝酸盐/硝酸盐型厌氧甲烷氧化微生物等方面的研究进展,阐明了这些氮素转化微生物在氮循环过程的代谢途径和酶促反应,并从标准测定方法构建、不同方法的联用及跨学科结合和检测方法的简易化这3个方面展望了分子生物学方法的技术突破及其在污水生物处理系统中的应用前景。本综述从系统角度全面认识脱氮微生物群落及其结构,为未来污水处理生物脱氮微生物的研究提供了新方向。     

季节性温度变化对CANON型潮汐流人工湿地脱氮的影响

探究了温度的季节性变化对基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)型潮汐流人工湿地(TFCW)脱氮性能及其微生物特性的影响。CANON型TFCW中的脱氮微生物群落在温度的季节性变化下会发生不同程度的改变,其脱氮途径及性能随之会出现周期性的波动。填料层温度在20.0 ℃以上时对TFCW脱氮性能及其中的优势脱氮菌群无显著影响,CANON作用是系统脱氮的主要途径。当填料层温度低于20.0 ℃时,厌氧氨氧化菌丰度与活性显著降低,在9.3~20.0 ℃时,亚硝酸盐氧化菌(NOB)的增殖及其活性的提高使TFCW中脱氮的主要途径由CANON作用演替为硝化/反硝化作用,系统对总氮(TN)的去除率仅为(34.8±13.0)%;在2.2~9.0 ℃时,TFCW中的厌氧氨氧化菌在受到抑制的同时仍保持着对NOB和反硝化菌群的相对竞争优势,系统脱氮重新依赖于CANON作用,其对TN的去除率为(54.8±4.8)%。该研究可为CANON型TFCW工艺的优化及工程化应用提供参考。     

污水地下渗滤系统脱氮效果及动力学过程

建立了模拟污水地下渗滤过程的中试系统,重点考察了水力负荷对系统脱氮效率的影响情况,建立了描述地下渗滤系统微生物脱氮过程的动力学模型.结果表明:地下渗滤系统脱氮效果好,抗水力负荷冲击能力强,处理最佳水力负荷0.125m3· m-2· d-1,出水中氮浓度低于《城市污水再生利用——景观环境用水水质》标准( GB/T 18921-2002).地下渗滤系统硝化过程符合一级动力学模型NE=Noe-0.4812t,温度是影响硝化速率的主要因素,两者的关系是KT=0.2218×1.035(T-20);出水硝态氮浓度与水力停留时间之间呈负指数关系,可描述为C=16.3475e-0.2548t,碳源是引起反硝化速率变化的主要因子.在基质层垂直深度65 cm处二次补加生活污水,反硝化速率常数由0.0355提高到0.0488.强调地下渗滤系统的污水净化功能而忽视其生态服务功能,是系统运行中普遍存在的认识误区,过高的水力负荷不利于硝化-反硝化反应的顺利进行.地下渗滤系统运行应采取适宜的水力负荷方式,促进硝化-反硝化作用.