为提高农村污水工艺选择的科学性和合理性,本研究构建了生命周期可持续性评估(LCSA)和多准则决策分析(MCDA)耦合模型,以人工湿地(CW)、序批式活性污泥法(SBR)、"厌氧-缺氧-好氧"工艺(A2O)、膜生物反应器(MBR)和生物接触氧化(BCO)为研究对象,在出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准的条件下进行评价并提出改进建议.结果表明,各系统在运行阶段贡献了绝大多数环境影响(超过85％)和经济成本(60％以上).CW的环境可持续性和经济可持续性最优,但占地面积较大;MBR环境和经济可持续性最差,但其社会可持续性较好.A2O运行过程中需要较多的能源,使其环境和经济可持续性表现不佳,而SBR和BCO各方面的可持续性较为均衡.针对不同利益相关者进行的MCDA结果表明:MBR、SBR和BCO在不同的偏好下各有优势,CW可持续性最优(0.59～0.70);然而,当占地面积的主观权重达到65％后,CW不再是最优方案.基于评价结果,使用者可以通过优化运行阶段消耗、根据排水去向灵活调整排放标准等方式提升污水处理工艺的可持续性,降低环境、经济和社会维度的负面影响.

从活性污泥中筛选到一株高效的耐低温脱氮菌株W4,评估了该菌株在5、15和25℃下的脱氮性能.结果表明,W4属于假单胞菌属(Pseudomonas),能够在4～42℃、盐度(NaCl)为0～30 g·L-1与pH 6～9条件下生长.在5 ℃条件下,菌株W4能够在72 h内将初始浓度为76.0 mg·L-1的NH4+-N去除74.3％,相应的脱氮平均速率达0.78 mg·L-1·h-1.好氧条件下菌株在5 ℃时可去除42.4％的NO3--N(86.3 mg·L-1)或38.2％的NO2--N(82.2 mg·L-1);在15、25℃条件下菌株脱氮能力进一步提高,对NH4+-N的去除率超过95％,对NO3--N和NO2--N的去除率分别超过66％和69％.菌株W4具有异养硝化-好氧反硝化(HA-ND)代谢活性,在硝化过程中不出现N02--N的积累,在中低温条件下去除无机氮污染具有较好潜力.本研究结果有助于丰富低温脱氮微生物资源并可为HA-ND脱氮工艺提供支撑.

目的:考察两种不同性质的外加碳源(乙酸钠和乙醇)在三种不同的电子受体(溶解氧、硝酸盐和亚硝酸盐)条件下对聚磷菌和异养菌的影响机制.创新点:系统研究了乙酸钠和乙醇这两种外加碳源在溶解氧、硝酸盐和亚硝酸盐三种不同电子受体条件下的释磷、吸磷及反硝化过程.方法:利用具有脱氮除磷功能的活性污泥,开展了一系列一阶段批次试验和两阶段批次试验.一阶段批次试验包括厌氧释磷试验、好氧吸磷试验、硝酸盐及亚硝酸盐利用速率(NUR)试验.两阶段批次试验包括厌氧/好氧试验、厌氧/缺氧试验.通过改变外加碳源的投加条件,如投加类型(乙酸钠和乙醇)、投加环境(厌氧、好氧和缺氧)、缺氧区电子受体(硝酸盐及亚硝酸盐),考察两种不同类型的外加碳源在不同电子受体条件下对除磷和脱氮过程的影响.结论:(1)当乙酸钠作为外加碳源时,在溶解氧、硝酸盐和亚硝酸盐三种不同电子受体条件下均发生了释磷,释磷速率分别为1.70、7.80和3.50 mg P/(g MLVSS·h).当乙醇作为外加碳源时,三种电子受体条件下均未发现有释磷.(2)无论乙酸钠还是乙醇作为外加碳源,未经驯化的活性污泥聚磷菌均不能利用亚硝酸盐作为电子受体,25 mg NO2-N/L的亚硝酸盐完全抑制了吸磷过程的进行.(3)以硝酸盐作为电子受体时,乙酸钠和乙醇的NUR值分别为2.3和1.5 mg N/(g MLVSS·h),比亚硝酸盐作电子受体的NUR值(分别为1.2和1.0 mg N/(g MLVSS·h))分别高出92％和50％.乙酸钠作为碳源的NUR值总是比相同条件下以乙醇作为碳源的NUR值高.

针对膜生物反应器(M BR)较长的污泥龄导致磷的处理效果差的问题,采用铁盐强化除磷,向反应器中投加n(Fe)/n(P)=2.0的FeCl,·6H2O,系统考察膜生物反应器对氮、有机物及磷的去除效果,重点考察膜生物反应器投加铁盐前后运行性能、活性污泥菌群及膜污染速率变化情况.结果显示,在氮、有机物去除方面,投加前后没有发生明显的变化,去除率始终保持在90％左右,在磷去除方面,投加前磷的平均去除率为52％,投加后去除率提高了近40％,去除效果显著提升,实验进一步研究了加入三价铁盐前后对活性污泥优势菌群和生物除磷的影响.铁盐的投加降低了活性污泥菌群多样性及部分已知聚磷菌的相对丰度,对生物除磷造成一定的负面影响.在膜污染方面,通过跨膜压差(TMP)记录分析此浓度的铁盐并没有导致膜生物反应器膜组件膜污染的加剧.本研究表明,该浓度(n(Fe)/n(P)=2.0)的铁盐进入膜生物反应器会对体系内活性污泥聚磷菌的相对丰度及生物除磷效率造成一定程度上的降低,但对膜污染没有明显影响,可以使出水各项指标尤其是磷的尾水排放浓度达标.

从活性污泥样品中分离得到一株能不对称水解(D,L)-N-癸酰草铵膦的革兰氏阴性菌.经过16S rDNA测序分子生物学鉴定,命名该菌株为Pseudomonas sp.zjut126.当(D,L)-N-癸酰草铵膦浓度为8 g/L,湿菌体(含水75％)∶N-癸酰草铵膦=1∶1(w/w),反应24 h,产物L-草铵膦得率为16.3％,eep＞95％.该菌体催化的最适温度为30 ℃,在温度40 ℃以下催化稳定性较好.最适pH为7,pH在6～8之间催化稳定性较好.加入异丙醇有利于N-癸酰草铵膦的溶解,但对细胞催化活性有明显的抑制作用.建立了一条利用Pseudomonas sp.zjut126细胞作催化剂拆分(D,L)-N-癸酰草铵膦制备L-草铵膦的工艺路线,第一步先将(D,L)-草铵膦化学酰化得到(D,L)-N-癸酰草铵膦,然后用菌株选择性水解(D,L)-N-癸酰草铵膦生成L-草铵膦.将未反应的(D)-N-癸酰草铵膦与L-草铵膦进行分离,终产品L-草铵膦的含量是92.0％,ee值为95.2％.

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/NH4+N阶段采集活性污泥样品,利用聚合酶链式反应一变性梯度凝胶电泳(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/NH4+-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/NH4+-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× 1011 copies/mL下降至3.18×109 copies/mL,而DB含量从1.57× 109 copies/mL增加至3.74× 1010 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.

活性污泥是污水处理厂生物处理工艺的功能主体,活性污泥中菌群的种类、数量及活性是提高污水处理能力与效果的重要基础.本文综述了活性污泥处理工艺中的主要功能细菌(絮凝菌、脱氮菌、除磷菌等)生物群落的多样性与生态特征,并对目前主流的菌群鉴定方式进行总结,最后从运行条件、定向驯化及生物强化3个方面对菌群调控进行论述,以期为活性污泥法污水处理工艺提供一些理论指导.

[背景]微生物电化学系统耦合了电化学反应和厌氧消化过程,在处理剩余污泥同时实现能源回收,成为具有应用前景的技术之一.揭示电活性生物膜和活性污泥种群互作机制,有助于进一步调控和强化系统性能.高通量核酸测序技术研究微生物群落具有投入大、耗时长和不可预测的缺点,开展微生物群落动态仿真可以更有效地预测群落结构与功能.[目的]研究厌氧消化和生物电化学系统的微生物种间热力学与动力学的演化规律.在考虑电子供体、电子受体、温度、pH值等生态条件下,分析底物的电子流向及微生物群落结构的动态变化.[方法]通过对剩余污泥处理的微生物电解池(Microbial electrolytic cell,MEC)建立一个多Agent仿真(Multi-agent-based simulation,MAS)模型,评估MEC对底物氧化电子转移的能量效率和传质效率,模拟微生物群落结构实时变化,同时耦合动力学和热力学分析;揭示影响MES运行的电子流向决定性因素及相应的微生物种群,为复杂污染物生物处理系统中种间互作和动力学研究提供基础依据.[结果]通过MAS模拟,确定MEC污泥处理工艺的最佳能量传递效率与传质效率为η=0.2,ε=0.5,MAS结合热力学与动力学参数模拟微生物的群落动态与实验组有较高的吻合性.在长期的运行中,微生物电化学系统中丙酮酸没有积累.[结论]证实了MAS结合热力学与动力学参数可以预测微生物的群落动态,并进行实时监测.研究表明多Agent仿真为微生物群落结构动态变化提供了一种新的研究方法,该方法与高通量核酸测序技术进行校验和联用,为人工和自然生态系统中微生物种群预测与评估研究提供一个新的手段.

活性污泥法由于操作简单、处理效果好被广泛应用于市政污水和工业废水的处理.污泥膨胀和污泥发泡现象影响二次沉淀池的泥水分离过程和生物反应池的微生物量稳定,严重困扰着污水处理厂的正常运行,被称为污水处理厂的“癌症”.本文从污泥膨胀和污泥发泡的定义及分类出发,全面地比较了表征污泥膨胀和污泥发泡的方法、引起污泥膨胀和污泥发泡的丝状细菌种类及控制污泥膨胀和污泥发泡方法的异同,并探讨了污泥膨胀和污泥发泡问题的未来研究方向和控制策略,期望能够为今后污泥膨胀和污泥发泡问题的研究和调控提供有价值的参考.

抗生素抗性在全球范围内的传播扩散严重威胁人类健康.活性污泥是污水处理系统重要的处理工艺,同时也是抗生素抗性及其发生水平基因转移的一个重要储库和热区.目前,随着研究手段和技术的不断更新,活性污泥中抗生素抗性的研究不断增加,但是仍有许多科学问题亟待解决.本文主要针对活性污泥抗生素抗性的5个主要方面进行深入讨论:(1)活性污泥中抗性基因的丰度和分布的影响因素;(2)污泥抗性基因的研究方法;(3)活性污泥抗性基因的传播与扩散;(4)污泥中抗性基因环境风险评估;(5)研究展望.本综述在活性污泥抗生素抗性研究基础上,阐述了驱动抗生素抗性扩散的基本微生物生态过程研究进展,旨在为污水处理工艺的发展和优化及抗性基因控制政策的制定提供科学基础.