螺旋霉素废水处理过程中菌群结构、水质特征及抗性基因之间关系分析

抗生素制药废水常含有大量抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes,ARG）,传播抗性污染的风险高于城市污水,但目前人们对抗生素制药废水处理过程中ARG转归影响机制研究尚有不足.本研究采用高通量测序考察某螺旋霉素制药废水厂A²O工艺过程中菌群结构变化,并通过多种统计学分析方法考察菌群结构、水质特征及ARG之间的相互关系.结果表明,生物处理单元中污泥的菌群结构受进水水质影响较小,其中厌氧和缺氧池中均以产甲烷菌与硫酸盐还原菌为优势菌,好氧池和二沉池中优势菌群的功能较为复杂;A²O系统对常规污染物去除效果较好,但不能稳定削减潜在致病菌丰度.水质特征、菌群结构和ARG之间存在显著相互影响关系,其中废水处理过程中生物量、NH₄⁺-N和化学需氧量（chemical oxygen demand,COD）与ARG和可移动遗传元件（mobile genetic elements,MGE）的分布密切相关.在水相和泥相中对ARG和MGE产生显著影响的菌属不同,而且泥相中有更多的潜在致病菌与ARG显著相关性,即污泥中微生物同时获得耐药性和致病性的可能性比水相中高.本研究可为今后抗生素制药废水处理过程的抗性污染控制提供科学参考.     

投加颗粒活性炭和二氧化锰对剩余污泥厌氧消化的影响

厌氧系统添加碳和金属纳米材料是强化厌氧消化的有效策略.为考察投加GAC和MnO₂对剩余污泥厌氧消化过程的影响,设置了空白组（R0）、GAC组（R1）、MnO₂组（R2）以及GAC/MnO₂组（R3）4组间歇实验,研究GAC和MnO₂的投加对剩余污泥厌氧消化效率、微生物活性和微生物群落结构的影响.结果表明,反应器运行28 d后,与R0相比,R1和R3的产CH₄速率分别提高了68.18%和51.35%,R2的产CH₄量降低了21.25%.GAC和MnO₂的单独或者混合投加,对厌氧发酵过程均有促进作用.Mn²⁺与剩余污泥释放的磷酸盐生成磷酸盐沉淀对厌氧代谢通道的阻塞作用,造成R2产CH₄效率变低.GAC优良导电性、吸附能力和MnO₂/Mn²⁺的催化作用是R3产CH₄效率增强的主要原因.正常代谢条件下,投加GAC、MnO₂和GAC/MnO₂均可以提高污泥厌氧消化系统微生物活性.微生物群落分析表明,GAC和MnO₂促进了产甲烷菌Methanobacterium和Methanosaeta的富集,强化了发酵细菌和产甲烷菌的种间电子传递,促进了剩余污泥厌氧发酵过程和CH₄的产生.     

厌氧水解酸化-好氧氧化A1/A2/O工艺剩余污泥减量

在碱减量印染废水A₁/A₂/O生物处理系统,通过污泥回流、把剩余污泥回流到A₁段,利用A段污泥的水解、酸化和O段微生物的好氧氧化作用可有效实现对回流剩余污泥的减量,同时O段好氧污泥的表观产率系数下降,系统产生的剩余污泥量减少.厌氧水解酸化-好氧氧化A₁/A₂/O工艺实现污泥减量由3段共同完成:A₁段实现回流剩余污泥的“液化”和惰性化;A₂段对系统污泥减量起到了强化作用;而O段微生物的合成作用在逐渐减弱.6个月连续运行的动态试验表明,在A₁段的容积负荷(COD_Cr)为2.54 kg·(m³·d)^-1、水力停留时间为7.56h条件下,A₁段利用水解酸化作用对回流剩余污泥的减量达到67.87%,系统O段好氧污泥的表观产率系数也下降到试验初始时的45.5%.在A₁/A₂/O污泥减量系统中,各段污泥性状发生了变化,A₁段污泥[MLVSS/MLSS]值从试验开始时的0.718 2下降到0.592 2,A₂段污泥[MLVSS/MLSS]值从0.667 3下降到0.526 7,剩余污泥的减量是活性污泥逐渐惰性化过程,污泥的粒度分析也证明了这一点.     

城市污水厂活性污泥强化自养反硝化菌研究

采集北京高碑店城市污水厂的反硝化污泥样品,以硫磺作为电子供体进行驯化培养. 测定污泥的增长率来确定污泥活性,分别测定NO^-₃-N、SO^2-₄浓度来确定硝酸盐的去除效率和硫酸盐生成速率. 当硝酸盐去除率达到90%以上时,提取污泥中微生物总DNA,构建16S rRNA基因片段克隆文库来分析细菌群落结构. 结果表明,污泥的增长率为0.177 g/(L·d),污泥中硝酸盐浓度与时间的关系符合一级反应. 污泥中细菌类群主要为Beta-Proteobacteria、Deta-Proteobacteria、Gamma-Proteobacteria和Unclassified bacteria,其中Beta-Proteobacteria类细菌占主导地位. 在成熟的反硝化污泥中,自养反硝化菌Thiobacillus denitrificans占所占比例高达48.65%. 此外,反应器中还存在Denitratisoma sp.、Curvibacter sp.、Thermomonas sp.、Geobacter sp.等细菌. 对自养反硝化污泥中细菌多样性的研究有利于优化反应条件,从而提高污泥的硝酸盐去除率.     

污泥性质对微波预处理-厌氧消化的影响及古菌群落结构分析

污泥性质对预处理强化厌氧消化工艺的效果有较大影响.本研究对比了某实际污水厂A~2O工艺和A~2O-MBR工艺产生的剩余污泥在微波预处理-厌氧消化过程中污泥性质的变化与产气效果,并考察了在预处理和厌氧消化过程中污泥的古菌群落结构变化.结果表明,A~2O工艺剩余污泥有机质含量比A~2O-MBR污泥高出16. 4%(分别为66. 4%和50. 0%),SCOD、溶解性蛋白质和多糖分别为后者1. 24、2. 02和4. 84倍,具有更好的可生物降解性.虽然预处理对生物降解性差的A~2O-MBR污泥有机物释放效果更好,但A~2O污泥在微波预处理-厌氧消化后产甲烷量比相应处理后的A~2O-MBR污泥多26. 1%.两种剩余污泥的古菌群落结构差异较大,A~2O-MBR污泥中甲烷丝菌属和甲烷八叠球菌属丰度分别比A~2O污泥多3. 68%和19. 73%.预处理对古菌群落的丰富度和均匀度影响相对较小,但厌氧消化后波动较大.污泥中有机组分不同是引起古菌群落结构变化的重要影响因素.     

厌氧水解酸化-好氧氧化A1/A2/O工艺剩余污泥减量影响因素

厌氧水解酸化-好氧氧化工艺实现剩余污泥减量,不需要高温、高压、强氧化剂或强碱性等破坏微生物细胞结构的强化措施,可操作性和经济性良好.污泥减量系统的主要目的是实现对污染物的降解,系统污泥减量效果与系统的有机负荷、水力停留时间、温度等因素有关,并受这些因素影响.在碱减量印染废水A₁/A₂/O生物处理系统,把剩余污泥回流到A₁段、利用水解酸化和好氧氧化工艺实现对剩余污泥减量的试验表明:A₁段容积负荷(COD)在2.54kg·(m³.d)^-1、水力停留时间为7.56h、温度在25℃～40℃,系统在长期运行可以实现对系统污泥的有效减量和对废水处理达标排放要求(GB8978-96一级标准).污泥回流到A1段进行减量,细胞中N、P的释放可以有效克服碱减量印染废水中N、P不足的缺点,大大降低向系统添加N、P营养物的费用.     

限NH4+和限NO2-厌氧氨氧化系统的运行特性及微生物种群特征

在控制进水TN浓度<50 mg·L^-1、水力停留时间为2.0 h和水温为20℃条件下,采用连续流完全混合式反应器对比研究了限NH₄⁺和限NO₂^-厌氧氨氧化系统的脱氮效能及微生物种群特征.结果表明,尽管两厌氧氨氧化反应器维持了类似的TN去除负荷［0.45~0.5 kg·（m³·d）^-1］和TN去除率（70%左右）,但限NH₄⁺厌氧氨氧化反应器中ΔNO₃^-/ΔNH₄⁺呈现更快的上升趋势.批式试验及高通量测序结果表明,限NH₄⁺厌氧氨氧化反应器比限NO₂^-反应器具有更为显著的功能及微生物种群空间异质性.Candidatus_Brocadia是两反应器中的优势厌氧氨氧化菌属,限NH₄⁺条件下Candidatus_Brocadia在大粒径颗粒污泥中的富集水平（53.9%）显著高于絮体污泥（19.1%）;而在限NO₂^-条件下颗粒污泥与絮体污泥中Candidatus_Brocadia的相对丰度差别不大,分别为28.1%和21.3%.两反应器中均有Nitrospira存在且主要生存于絮体污泥中,对O₂的需求应是驱动Nitrospira于絮体污泥中生长的关键因素;此外,限NH₄⁺（即NO₂^-富余）环境可以促进Nitrospira的生长繁殖.综上,提出了基于选择性排泥的限NH₄⁺厌氧氨氧化系统优化运行策略.     

零价铁对污泥厌氧消化过程中四环素抗性基因水平转移的作用影响

细菌抗药性问题已成为全球生态环境安全和人体健康领域的一个关注焦点.污水处理剩余污泥是抗生素抗性基因（ARGs）的一个重要储存库和排放源,采用荧光定量PCR方法检测分析了四环素抗性基因（TC-ARGs,包括tetA、tetC、tetG、tetM、tetO、tetW和tetX）及第一类整合子 intI1基因丰度在污泥厌氧消化过程中的变化特征,考察了不同投加量零价铁（Fe⁰）对目标基因的消长影响,初步分析了质粒DNA接合作用对TC-ARGs水平转移的作用影响,并探讨了TC-ARGs与 intI1基因之间的相关关系.结果表明,污泥厌氧消化过程对TC-ARGs和intI1基因丰度具有不同程度的削减作用,其中tetX基因丰度降幅可达2.4个数量级.Fe⁰的加入对TC-ARGs和intI1基因丰度削减不显著,并且随着Fe⁰投加量的增加,TC-ARGs和intI1基因丰度相比对照组出现逐渐升高的趋势.通过对质粒组DNA所携带的TC-ARGs基因丰度进行检测分析发现,质粒DNA接合作用对TC-ARGs的水平转移具有促进作用.相关性分析结果显示,tetG与intI1基因之间具有显著正相关关系,表明intI1基因在污泥厌氧消化过程中可能对tetG基因的演变过程具有重要影响.     

底物类型对厌氧消化过程中胞内外抗生素抗性基因归趋的影响研究

厌氧消化（anaerobic digestion,AD）是畜禽粪污和剩余污泥重要的处理处置方式,其在能源回收和消减抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes,ARGs）中具有重要的应用前景.底物类型及预处理是影响厌氧消化过程的重要因素,其对ARGs归趋特征的影响尚不明确.本研究针对猪粪、鸡粪和剩余污泥3种典型的环境ARGs源为研究对象,明确不同底物类型对厌氧消化中ARGs归趋的影响特征,结合胞内ARGs （Intracellular ARGs,iARGs）和胞外ARGs （Extracellular ARGs,eARGs）及其微生物群落结构演替的差异,探讨不同底物类型在厌氧消化过程中ARGs的响应特征.结果表明,底物类型对厌氧消化过程中的胞内外ARGs的变化具有显著的影响.高压蒸汽灭菌（120℃,30 min）预处理底物对厌氧消化结束时的总累积甲烷产气量没有显著的提高,鸡粪组中出现产气抑制的现象,这与之前的研究一致.不同底物类型样品中DNA浓度与DNA中16S rRNA基因的丰度之间存在显著相关性（R²=0.663,p<0.05）.底物中微生物对厌氧消化中iARGs和eARGs的转归贡献率较小,剩余污泥中的eARG在总ARGs中的比例最高（5.47%）.在不同底物类型中iARG和eARGs的变化均显著不同.     

采用厌氧发酵和冷冻微波联合处理剩余污泥并回收氮磷

为了实现从剩余污泥中高品位回收鸟粪石（MAP,MgNH₄PO₄·6H₂O）,本研究考察了厌氧发酵、冷冻+微波两种污泥预处理方式促进污泥中氮、磷的释放及回收效果.试验结果表明：污泥厌氧发酵在温度30℃、pH=12、发酵时间4 d时,PO₄^3--P和HN₄⁺-N的最大释放量分别为224.50 mg·L^-1（即7.24 mmol·L^-1）和278.17 mg·L^-1（即19.87 mmol·L^-1）,PO₄^3--P物质的量浓度远小于HN₄⁺-N物质的量浓度.冷冻+微波联合预处理在冷冻温度-20℃、冷冻时间48 h、微波初始pH=3、微波时间9 min时,PO₄^3--P和HN₄⁺-N的最大释放量分别为1011.84 mg·L^-1（即32.64 mmol·L^-1）和220.82 mg·L^-1（即15.77 mmol·L^-1）,PO₄^3--P物质的量浓度高于HN₄⁺-N物质的量浓度.根据污泥上清液中的氮、磷含量,将厌氧发酵与冷冻+微波两种污泥预处理后的上清液按体积比1：9进行混合,使Mg：N：P物质的量比为1.6：1.4：1时,PO₄^3--P的最高回收率为99.11%,HN₄⁺-N的最高回收率为73.46%.X射线衍射（XRD）结果显示,回收的沉淀物主要为鸟粪石晶体.将两种污泥预处理后的上清液进行混合,有效地解决了污泥上清液中由于氮、磷比例失衡所导致的回收率下降的问题,从而实现以鸟粪石的形式高效回收剩余污泥中的氮、磷.     

热水解时间对污泥厌氧消化系统微生物群落结构影响分析

为评估热水解时间对北京市大兴区某污水处理厂污泥厌氧消化系统微生物群落结构的影响,利用Illumina MiSeq高通量测序方法,分析了不同热水解时间（15、30和45 min）对初沉污泥和剩余活性污泥厌氧消化系统中微生物群落结构及其多样性的影响因素.结果表明,消化污泥优势类群主要分布在厚壁菌门（Firmicutes）、阴沟单胞菌门（Cloacimonadota）、绿弯菌门（Chloroflexi）和同力菌门（Synergistota）,相对丰度之和超过60%,相对丰度最高菌属为W5,占比为20.8%~54.5%,表现为少数优势物种的高丰度特征.热水解污泥厌氧消化过程中,高挥发性脂肪酸和氨氮浓度导致嗜乙酸产甲烷菌相对丰度减少,嗜氢产甲烷途径多于嗜乙酸产甲烷途径.环境因子关联分析结果显示,消化进泥可溶蛋白质、消化进泥pH值、消化出泥氨氮和热水解时间是影响微生物群落结构的4个主要环境因子,其中消化出泥氨氮对产甲烷菌属的影响最大,呈负相关关系.热水解时间与Chao指数和Shannon指数均呈负相关,较长热水解时间不利于提高厌氧消化过程微生物菌群丰富度和多样性.     

基于厌氧膜生物反应器的剩余污泥-餐厨垃圾厌氧共消化性能

采用厌氧膜生物反应器(anaerobic membrane bioreactor,AnMBR)进行剩余污泥与餐厨垃圾的共消化,研究其有机物的去除特性、产气性能和微生物群落组成等运行性能.结果表明,反应器运行过程中有机负荷(organic loading rate,OLR,以VS计)稳定在0.59～0.64 kg·(m~3·d)~(-1),挥发性固体(volatile solids,VS)降解率由单消化17.5%上升至共消化40%,COD截留率为95.3%.消化液含固率提高了3.9倍,最终CH_4体积分数稳定在60%,CH_4产量(以COD_(added)计)为78.7 mL·g~(-1).跨膜压差(transmembrane pressure,TMP)和平均Flux分别维持在-3.1～-2.7 kPa和0.106 L·(m~2·h)~(-1),膜污染较轻.16S rRNA微生物多样性分析表明,AnMBR内部厌氧消化细菌主要是Proteobacteria(变形菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)和Cloacimonetes(阴沟单胞菌门),产甲烷菌中的优势菌科为Methanobacterium(甲烷杆菌科),优势菌属为Methanosaeta(甲烷鬃毛菌属)和Methanolinea(甲烷绳菌属).这将为AnMBR处理污泥及其它高含固率废物流的稳定性和运行性能研究提供有力的理论参考依据,进而为生物质资源化和能源危机提供有效解决途径.     

污水处理厂不同工艺的污泥脱水效能分析及其影响因素研究

污泥脱水是污泥减量的主要手段,直接影响到后续污泥处理处置.本研究以北京某大型污水处理厂A2/O工艺和A2/O-MBR工艺污泥脱水为对象,基于2013年全年的运行数据,分析不同工艺的污泥脱水效果、絮凝剂投配率、污泥脱水电耗和污泥脱水成本,并通过冗余分析(RDA)研究了不同污水处理工艺污泥脱水性能的影响因素.结果表明,污泥脱水性能和絮凝剂投配率均呈现季节性变化特征,冬季污泥较难脱水,絮凝剂消耗大.A2/O-MBR工艺的脱水污泥含水率年均值为(81.92±1.64)%,A2/O工艺为(82.56±1.35)%,污泥脱水絮凝剂消耗(以DS计,下同)分别为(8.70±7.25)kg·t-1和(7.42±2.96)kg·t-1,电耗(以DS计,下同)分别为331.82 k W·h·t-1和121.57 k W·h·t-1.A2/O-MBR工艺的污泥脱水絮凝剂成本(以DS计,下同)为204.76元·t-1,用电成本为231.61元·t-1;A2/O工艺的污泥脱水絮凝剂成本为175.00元·t-1,用电成本为84.86元·t-1.RDA分析表明,水温等季节性因素引起污泥有机质变化是影响污泥脱水性能的关键因素之一,此外,污泥龄也与污泥脱水性能有一定相关性.     

死菌DNA对厌氧消化污泥中抗生素抗性基因及微生物群落分析的干扰

为评估死菌DNA对厌氧消化污泥抗生素抗性基因(ARGs)和微生物群落分析的潜在干扰,本研究对3种不同类型厌氧消化污泥进行叠氮溴化丙锭(PMA)处理,比较在PMA屏蔽死菌DNA PCR扩增情况下污泥ARGs和微生物群落分析结果与未经PMA处理情况下的差异.结果表明,经PMA处理后,剩余污泥自厌氧消化样品和高含固厌氧消化污泥样品中的ARGs丰度分别下降了41%～86%和74%～98%;污泥水解液厌氧消化15 d后的污泥样品中ARGs下降幅度相对较小,但降幅最高也达到34%.PMA处理对3个来源不同的厌氧消化污泥微生物群落组成分析结果呈现不同程度的影响,对高含固厌氧消化污泥的微生物群落结构分析影响最为显著.在经PMA处理与未经PMA处理两种情况下,厌氧消化污泥ARGs与微生物群落组成相关性分析的结果也截然不同.研究证明了死菌DNA对厌氧消化污泥ARGs和微生物群落分析的潜在干扰,采用PMA预处理能够更准确地反映厌氧消化污泥中的微生物群落及菌体携带ARGs的特征.     

乙酸驯化对厌氧污泥微生物群落结构及发酵特性的影响

采用乙酸对厌氧污泥进行逐步驯化,以富集乙酸营养型产甲烷菌群,解决厌氧发酵过程中的酸抑制问题.对驯化前后污泥中的微生物群落结构及其在高酸浓度和低p H值条件下的发酵特性进行了研究.结果表明:驯化后污泥中乙酸营养型产甲烷菌中的甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)得到了明显富集,其相对丰度由原始的4.2%提高到58.1%,成为耐酸污泥中的主导优势古菌群;氢营养型产甲烷菌属的丰度则都有不同程度的下降.污泥中产甲烷菌群由氢营养型为主导转为乙酸营养型和氢营养型共同主导.驯化前后污泥中细菌的优势菌门均为主要降解纤维素和半纤维素的厚壁菌门(Firmicutes)和降解蛋白质的拟杆菌门(Bacteroidetes),其中驯化后Firmicutes的丰度由48.8%提高到61.7%,而Bacteroidetes的丰度则由30.1%降低至16.9%.驯化后的污泥对高VFA浓度和低pH值的耐受性均有较大程度的提高,其在VFA浓度为7500 mg·L~(-1)及pH 6.0条件下仍可以快速产气.     

微波及其组合工艺强化污泥厌氧消化研究

为提高剩余污泥的厌氧消化效能和脱水性能,考察了微波及其组合污泥预处理工艺的强化污泥厌氧消化效果,同时考察了预处理-厌氧消化过程的污泥理化特征及其脱水性能.结果表明,微波及其组合工艺可以强化污泥厌氧消化产甲烷,其中微波-过氧化氢-碱(0.2)的强化效果最为显著,不仅30 d累计产甲烷量比对照组增加了13.34%,而且产甲烷速率也得到了提升.与单独微波处理相比,过氧化氢、碱的投加显著提高了溶解性COD的释放量,这表明微波、过氧化氢、碱之间的协同作用能有效破碎污泥,进而强化厌氧消化效果;微波-酸预处理后的污泥具有良好的脱水性能,毛细吸水时间(CST)只有9.85 s,污泥脱水性能的改善与其表面电性、粒径分布的变化密切相关;不同预处理条件下的污泥经过厌氧消化后,污泥脱水性能较为接近.     

工业有机废水为共基质培养降解五氯酚厌氧颗粒污泥

研究了工业有机废水和五氯酚(PCP)共存条件下,改良UASB反应器中厌氧污泥的颗粒化过程.实验发现降解PCP厌氧颗粒污泥形成可分成污泥驯化、颗粒污泥出现与成熟3个阶段,污泥颗粒化过程中污泥量、污泥活性和厌氧消化3大类群细菌数量与生态分布发生特征性变化,所培养颗粒污泥具有脱氯降解PCP的活性,产甲烷优势菌为杆状或长丝状产甲烷丝菌,在生物结构上形成互营微菌落,但污泥颗粒无明显层次性微结构.作为共基质的有机废水其种类影响着颗粒化进程、颗粒污泥脱氯活性与产甲烷优势菌.