厌氧氨氧化颗粒污泥研究进展

厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation,Anammox)工艺是一种新的生物脱氮技术。一经问世即得到人们青睐,现已成为废水脱氮的升级技术。厌氧氨氧化菌(Anaerobicammoniumoxidation bacteria,AnAOB)是Anammox工艺的功能之源。以颗粒污泥形态存在的AnAOB是Anammox颗粒污泥床脱氮系统的重要支柱。由于AnAOB生长缓慢且对环境条件变化敏感,Anammox脱氮系统不仅启动缓慢,而且运行极易失稳甚至崩溃。值得庆幸的是,AnAOB可自主选择、组合和固定功能菌群落而形成Anammox颗粒污泥,并通过其优良的重力沉降性能和高效的基质转化性能保障Anammox脱氮系统的持续工作。本文综述了AnAOB的种类和特性及Anammox颗粒污泥的组成、结构和功能,以期为Anammox工艺的优化和拓展提供参考。     

厌氧氨氧化颗粒污泥聚集机制研究进展

厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,anammox)工艺被认为是当前污水生物脱氮领域最经济的处理工艺,有利于实现污水处理厂的能源自给。厌氧氨氧化菌是该工艺的核心功能微生物。以厌氧氨氧化菌为主导微生物形成的厌氧氨氧化颗粒污泥具有沉速大、污泥持留能力强及对不利环境抵抗能力强等突出优势,是实现厌氧氨氧化工艺最有前景的污泥形态。本论文围绕厌氧氨氧化颗粒,介绍了厌氧氨氧化菌的特性、种类及代谢途径,综述了厌氧氨氧化颗粒污泥的形成假说及与厌氧氨氧化颗粒污泥聚集密切相关的胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)和群体感应研究现状,并对今后厌氧氨氧化颗粒的研究进行了展望,以期为后续厌氧氨氧化颗粒的研究及厌氧氨氧化颗粒工艺的优化提供参考。     

厌氧氨氧化菌内含物——糖原颗粒

厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonium-oxidizing bacteria, AnAOB)是分类学上新近建立的细菌类群。由于生长缓慢,培养困难,迄今没有获得纯培物。与已知细菌类群相比,AnAOB具有诸多特异性细胞结构和功能。AnAOB是化能自养型细菌,但在其细胞内经常可见贮藏性的内含物——糖原颗粒。探讨这种糖原颗粒的性状与动态,可深化人们对AnAOB的认识。本文结合文献报道及前期研究基础,对厌氧氨氧化菌糖原颗粒的结构、代谢和功能特性进行了探讨,分析认为AnAOB糖原颗粒分布于核糖细胞质内,且处于多途径合成与多位点消耗的动态平衡中;此外,糖原颗粒具有提供能量、碳架和应激保护等能力,对逆境下AnAOB的生存具有重要意义。本综述可为厌氧氨氧化菌的深入研究和工程应用提供支撑。     

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。     

厌氧氨氧化膨胀床反应器的运行性能

试验研究了以竹炭为载体的厌氧氨氧化膨胀床反应器的运行性能.接种反硝化污泥,用模拟废水可成功启动该反应器:运行至144 d时,容积总氮去除率达到3.02 kg N/m3/d.这是国内文献报道的最高水平.动力学分析表明.这种反应器的最大容积总氮去除率可迭12.77 kg N/m3/d.具有很大的脱氮潜能.反应器的启动过程可分为菌体自溶、活性延滞和活性提高三个阶段.与此相应,污泥性状也从黄褐色絮状污泥变为棕灰色颗粒污泥和红色颗粒污泥.红色颗粒污泥以杆茵和球菌为主.厌氧氨氧化活性可达0.56mg TN/(mgprotein)/h,它们是反应器厌氧氨氧化功能的主要承载者.     

pH、温度和癸酸对厌氧颗粒污泥产甲烷毒性关系的研究

在间歇培养中研究了癸酸对UASB反应器厌氧颗粒污泥的产甲烷毒性,并考察了pH、温度和癸酸抑制的关系。结果表明,癸酸对厌氧颗粒污泥产甲烷活性有强烈的抑制,对厌氧颗粒污泥比产甲烷活性产生50％抑制的浓度为1．9mmol/L。pH影响癸酸在液相中的存在形式,pH越低,游离癸酸比例越大,对厌氧颗粒污泥的抑制越严重。高温条件下癸酸使厌氧颗粒污泥的结构变得松散,对厌氧颗粒污泥产甲烷毒性较中温和低温条件下严重。     

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。     

利用PCR-DGGE分析有机物对厌氧氨氧化菌群的影响

为了研究有机物对Anammox菌群的影响,以及微生物与脱氮的关系,为工艺改进提供依据。使用SBR厌氧氨氧化反应器,从反应器不同TOC/NH_4~+-N阶段采集活性污泥样品,利用聚合酶链式反应—变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术,分析了样品中微生物种群结构。结果表明反应器中主要微生物包含变形菌门(Proteobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和绿菌门(Chlorobi);其中变形菌门(β-变形菌和γ-变形菌)为优势菌群。TOC/NH_4~+-N从0逐渐增加至2.0的过程中,反应器中的反硝化菌(变形菌门)不断增长,Anammox菌群在TOC/NH_4~+-N为0.4阶段得到最大程度的富集,此时反应器内部微生物多样性也最高;随着有机物含量增加,Anammox菌生长受到严重抑制,反应器微生物物种多样性也逐渐下降。荧光定量(qPCR)分析表明Anammox菌含量从1.30×10~(11) copies/mL下降至3.18×10~9 copies/mL,而DB含量从1.57×10~9copies/mL增加至3.74×10~(10) copies/mL。说明随着C/N的增加,反应器脱氮能力逐渐从Anammox过渡到反硝化过程。通过测定反应器内壁附着污泥,还发现其微生物丰度和含量均高于同时期反应器内部活性污泥样品,推测厌氧微生物菌群更适宜在静态基质生长。     

Heterogeneous diffusion in aerobic granular sludge

Aerobic granular sludge (AGS) technology allows simultaneous nitrogen, phosphorus, and carbon removal in compact wastewater treatment processes. To operate, design, and model AGS reactors, it is essential to properly understand the diffusive transport within the granules. In this study, diffusive mass transfer within full-scale and lab-scale AGS was characterized with nuclear magnetic resonance (NMR) methods. Self-diffusion coefficients of water inside the granules were determined with pulsed-field gradient NMR, while the granule structure was visualized with NMR imaging. A reaction-diffusion granule-scale model was set up to evaluate the impact of heterogeneous diffusion on granule performance. The self-diffusion coefficient of water in AGS was ∼70% of the self-diffusion coefficient of free water. There was no significant difference between self-diffusion in AGS from full-scale treatment plants and from lab-scale reactors. The results of the model showed that diffusional heterogeneity did not lead to a major change of flux into the granule (<1%). This study shows that differences between granular sludges and heterogeneity within granules have little impact on the kinetic properties of AGS. Thus, a relatively simple approach is sufficient to describe mass transport by diffusion into the granules.     

Anammox反应器启动过程中颗粒污泥性状变化特性

以厌氧颗粒污泥作为接种物,通过185 d的运行,成功启动了上流式厌氧氨氧化污泥床(Upflow anaerobic sludge blanket,UASB)反应器。反应器的进水氨氮与亚硝氮浓度分别提升至224 mg/L和255 mg/L,容积氮去除速率提升至3.76 kg/(m3·d)。采用红外光谱、扫描电镜和透射电镜等对厌氧氨氧化颗粒污泥的性状进行观察,发现颗粒污泥在启动过程中经历了污泥颗粒裂解到污泥颗粒重组的过程,且厌氧氨氧化颗粒污泥表面含有丰富的官能团,说明厌氧氨氧化颗粒污泥可能具有良好的吸附性能。采用宏基因组测序的方法对启动前后颗粒污泥的生态结构进行分析,发现原接种污泥优势菌群(变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门)丰度大幅减少,厌氧氨氧化菌所属的浮霉状菌门丰度则由1.59%提升到23.24%。     

The granule size distribution in an anammox-based granular sludge reactor affects the conversion--implications for modeling

Mathematical models are useful tools to optimize the performance of granular sludge reactors. In these models, typically a uniform granule size is assumed for the whole reactor, even though in reality the granules follow a size distribution and the granule size as such affects the process performance. This study assesses the effect of the granule size distribution on the performance of a granular sludge reactor in which autotrophic nitrogen removal is realized through one-stage partial nitritation-anammox. A comparison is made between different approaches to deal with particle size distributions in one-dimensional biofilm models, from the use of a single characteristic diameter to applying a multiple compartment model. The results show a clear impact on the conversion efficiency of the way in which particle size distribution is modeled, resulting from the effect of the granule size on the competition between nitrite oxidizing and anammox bacteria and from the interaction between granules of different sizes in terms of the exchange of solutes. Whereas the use of a uniform granule size is sufficient in case only the overall reactor behavior needs to be assessed, taking into account the detailed granule size distribution is required to study the solute exchange between particles of different sizes. For the latter purpose, the application of the widespread software package Aquasim is limited and the development of dedicated software applications is required.