好氧颗粒污泥是微生物通过自凝聚作用形成的一种特殊的生物聚集体,具有结构致密、沉降性能优异、抗冲击负荷能力强、多功能微生物分区定殖等特点,其在废水强化脱氮除磷与难降解有机物去除方面具有明显的技术优势.针对目前工业和养殖废水及城镇生活污水等碳氮比低、处理出水总氮达标压力大等突出问题,综述基于好氧颗粒污泥的全自养、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、短程硝化-厌氧氨氧化、异养硝化-好氧反硝化等强化脱氮工艺,介绍其脱氮机制及技术优势,阐明不同好氧颗粒污泥脱氮工艺的特点与颗粒污泥特性,同时总结各种工艺的启动条件及富集相应功能菌的好氧颗粒污泥的形成因素,评估不同工艺应用于实际废水生物处理的可行性.在此基础上进一步分析进水基质组成(不同碳氮比)、运行模式(连续曝气和间歇曝气)、运行条件(溶解氧浓度、温度和pH)等对好氧颗粒污泥工艺强化脱氮性能与稳定运行的影响.最后提出应进一步优化好氧颗粒污泥强化脱氮工艺的运行参数,解析好氧颗粒污泥微生物菌群功能,揭示好氧颗粒污泥形成与结构稳定的微生物学机理.

群体感应是微生物在繁殖过程中分泌一些特定的信号分子,当信号分子浓度达到一定阈值后,可以调控某些基因表达,从而实现信息交流的现象.群体感应调控着生物膜形成、公共物质合成、基因水平转移等一系列社会性行为,广泛存在于各类微生物信息交流中.活性污泥、生物膜和颗粒污泥等生物聚集体广泛存在群体感应现象,了解和认识群体感应与微生物之间的调控行为,对于废水处理具有重要意义.本文综述了感应信号分子的分类、群体感应调控机制,群体感应在活性污泥、生物膜、好氧颗粒污泥和厌氧颗粒污泥等废水处理中的调控行为的研究进展,并对废水处理中群体感应的研究进行了展望,以期为深入理解废水处理中群体感应调控行为提供参考.

[背景]厌氧产氢颗粒污泥比絮状产氢污泥具有更高的生物量、沉降性与反应效率,对颗粒污泥进行蛋白质组学研究,有助于揭示其代谢调控的分子机制,从而对厌氧代谢过程进行优化调控.目前关于产氢颗粒污泥蛋白质组分析样品制备方法的研究尚未见文献报道.革兰氏阳性菌Ethanoligenens harbinense YUAN-3是自凝集产氢发酵细菌,在间歇和连续流培养中可形成自聚集的厌氧颗粒,由于其全基因组信息清楚,可作为模式研究材料对制备方法进行评估.[目的]针对厌氧产氢颗粒污泥的蛋白质组学研究,比较不同蛋白质提取方法进行优化.[方法]分别利用液氮研磨、超声破碎、匀浆破碎对产氢颗粒污泥破碎,比较这3种方法对总蛋白提取量的影响;通过双向电泳比较三氯乙酸(Trichloroacetic acid,TCA)-丙酮沉淀法与苯酚抽提法对总蛋白提取效果的影响;对总蛋白样品分别进行同位素标记相对和绝对定量标记(Isobaric tags for relative and absolute quantification,iTRAQ)、串联质谱标签(Tandem mass tag,TMT)标记以及质谱鉴定.[结果]液氮研磨、超声破碎、匀浆破碎3种破碎方法下总蛋白的提取量分别是对照样品的2.0、3.9与5.2倍.与TCA-丙酮沉淀法相比,苯酚抽提法总蛋白样品在双向电泳图谱上的蛋白质点明显增多,分布均匀,同时其在碱性蛋白端与小分子量蛋白端的蛋白质点也明显增多.质谱分析发现,iTRAQ标记样品与TMT标记样品中分别鉴定到1 797个与1 644个蛋白,在分子量、等电点、亚细胞定位的各个分布范围内,这些蛋白良好地覆盖了E.harbinense YUAN-3中各个类型的蛋白.[结论]匀浆破碎与苯酚抽提法联用的总蛋白制备方法更适用于厌氧产氢颗粒污泥,该方法有利于后续的蛋白质双向电泳和定量蛋白质组质谱分析,可作为产氢颗粒污泥以及革兰氏阳性菌总蛋白制备的方法参考.

添加导电碳颗粒能够促进厌氧消化过程稳定性、底物降解率以及产沼气品质的同步提高.本文总结了以活性炭和生物炭为代表的导电碳颗粒对城市污泥厌氧消化的影响,探讨了导电碳颗粒促进城市污泥厌氧消化的机理,阐述了导电碳颗粒介导的微生物直接种间电子传递(Direct interspecies electron transfer,DIET)在强化污泥厌氧消化中的作用机制,分析了复杂厌氧消化体系中微生物DIET互营关系的研究现状,同时对导电碳颗粒的物理化学特性及其对污泥厌氧消化产甲烷的影响进行了分析,最后对未来导电碳颗粒促进城市污泥厌氧消化的研究进行了展望.

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(Anaerobic ammonium oxidation 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.

[目的]将厌氧的膜生物反应器(MBR)与微生物燃料电池(MFC)耦合的厌氧电辅助膜生物反应器(E-MBR)应用于实际工业焦化废水处理.[方法]通过正交实验优化了反应器进水的培养条件为PO43-14.3 mg/L、Fe2+ 0.2 mg/L、Fe3+ 0.1 mg/L、Co2+0.1 mg/L和Mn2+ 0.2 mg/L.在此条件下考察了该反应器对系统中有机污染物的去除效率及厌氧污泥的污泥特性、产电性能、胞外聚合物(EPS)、微生物群落结构及膜污染的影响.[结果]结果表明,与未优化的培养条件相比,工业焦化废水COD的去除率提高了23％;污泥浓度(MLSS)、比重、沉降速度增加,污泥体积指数(SVI)降低,表明污泥颗粒化及沉降性能提高;污泥中溶解性EPS (SMP)、松散态EPS (LB-EPS)及紧密结合态EPS (TB-EPS)这3种组分中的蛋白质与多糖的比例(P/C)分别降低0.12、0.25和0.16,表明污泥更易于被降解;厌氧污泥的产电性能增强;高通量分子测序结果表明,反应器中污泥的群落结构发生了明显的变化,优势菌群突出;经扫描电镜(SEM)对比结果表明,反应器阴极膜的污染情况也得到了一定的减缓.[结论]优化进水培养条件可以达到使反应器污水处理效率提高、清理周期缩短和运行更稳定等效果,对于工业废水处理技术的节能环保方面提供一定的理论依据.

在过去的20多年里,好氧颗粒污泥(AeGS)技术在污水生物处理领域得到广泛研究和实际应用.目前,国内外已在AeGS形成机制、工艺参数优化、功能菌群解析、微生物代谢分泌强化等方面取得了研究进展,尤其在揭示颗粒化机理和加速颗粒化过程上成果显著,基于AeGS形成过程的四步理论和三大假说,已能实现AeGS在30 d甚至更短期内的快速培养.但是,实际生产运行中颗粒易失稳的问题始终未得到解决,成为AeGS工艺工程应用长期稳定运行的主要技术瓶颈.围绕AeGS生产运行过程中结构失稳及其影响因素进行了文献考察,从传质阻力、优势微生物结构和功能、EPS分泌与组成、颗粒内聚力等方面开展分析与讨论,总结了强化颗粒结构稳定的主控因子,包括颗粒粒径控制、功能菌群结构优化(通过慢速生长微生物富集、丝状菌及内核厌氧菌抑制)、EPS分泌特性调控、群体感应调控和颗粒内核外源强化(通过添加金属离子、成核剂,接种颗粒污泥或EPS),以期为AeGS工艺实际生产应用的长期稳定运行提供有效的调控策略.未来有必要结合表位表征技术、先进的分子生物学工具以及新型生物化学和生物物理学方法,深入挖掘颗粒失稳诱因和机理,为维持AeGS长期结构稳定指明方向.

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.

为提高巢湖蓝藻的资源化利用率,以巢湖蓝藻为原料与干麦草,装填到厌氧发酵罐中,混合厌氧发酵产沼气.结果表明:干麦草:蓝藻(超声40 min):颗粒污泥为2:7:1时,产气效果最好,挥发性固体产气率为333.78 mL/g(VS),甲烷体积分数也最高,达到57％.对发酵液的pH、COD、NH3-N和产气量指标进行相关性分析,干麦草:蓝藻:颗粒污泥为2:7:1时,产气量与发酵液COD表现显著正相关;干麦草:蓝藻(超声40 min):颗粒污泥为2:7:1时,发酵液COD与发酵液NH3-N呈现显著正相关.研究结果为巢湖蓝藻资源化提供了一条新的解决思路.

自然界中的氮循环与铁循环相互交联,参与氮循环的厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,anammox)菌的生长代谢及活性发挥也与铁元素紧密关联.自然界广泛存在的铁矿物因具有运行成本低廉、稳定性好、二次污染小等优势,在污水处理领域得到广泛应用.在厌氧氨氧化脱氮系统中引入适量铁矿物,不仅有助于促进anammox菌和铁还原菌的富集,提高功能基因丰度和相关酶活性,还可能通过影响污泥浓度、血红素c含量、胞外聚合物含量和颗粒化程度,改善污泥性能和提高厌氧氨氧化系统的稳定性.同时,铁矿物具有促进体系多种氮素转化途径(如anammox、铁自养反硝化、铁氨氧化、异化硝酸盐还原成铵和反硝化)相耦合的潜能,可以提高anammox污水处理系统的总氮去除率.本文基于铁矿物在促进污水生物脱氮方面的良好性能及其在anammox系统中的变化,从脱氮效能、污泥特性、微生物特征及酶活性等方面,系统综述了铁矿物对厌氧氨氧化系统的强化作用机制,并从anammox菌对铁矿物的利用及铁元素的摄取角度展望了后续的研究方向,以期为铁矿物强化厌氧氨氧化系统的实际应用提供理论和技术指导.