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反硝化厌氧甲烷氧化技术应用瓶颈与突破方向

环境污染与防治 2022年第8期44卷 1085-1090页

作者：卢培利黄睿思洪蓉蓉李欣悦丁阿强重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室重庆400045 重庆大学环境与生态学院重庆400045

以甲烷为电子供体、硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体的反硝化厌氧甲烷氧化(DAMO)过程可同时去除甲烷和氮素污染,在废水生物脱氮领域具有较好的应用前景。然而,DAMO微生物存在生长缓慢、富集难度高的问题,且该过程较低的气液传质效率也限制... 详细信息

以甲烷为电子供体、硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体的反硝化厌氧甲烷氧化(DAMO)过程可同时去除甲烷和氮素污染,在废水生物脱氮领域具有较好的应用前景。然而,DAMO微生物存在生长缓慢、富集难度高的问题,且该过程较低的气液传质效率也限制了它的实际应用。阐述了DAMO过程的基本生化反应与DAMO微生物,总结了目前制约DAMO技术工程化应用的关键性问题,并探讨了可能的解决方式与方向。

关键词：反硝化厌氧甲烷氧化富集传质效率应用制约因素

页岩气返排水中的反硝化厌氧甲烷氧化微生物——群落结构与关键影响因子

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中国环境科学 2024年第9期44卷 5303-5312页

作者：李欣悦卢培利刘俊李仕康侯争鸣丁阿强重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学环境与生态学院重庆400045 重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室重庆400045

首次探究了高温高压高盐的页岩气返排水中DAMO(denitrifying anaerobic methane oxidation)微生物存在的证据及其与关键环境因子之间的关联性.结果表明,在所研究的7个页岩气井场返排水中均检测到了DAMO古菌与细菌的存在,且古菌的丰度远... 详细信息

首次探究了高温高压高盐的页岩气返排水中DAMO(denitrifying anaerobic methane oxidation)微生物存在的证据及其与关键环境因子之间的关联性.结果表明,在所研究的7个页岩气井场返排水中均检测到了DAMO古菌与细菌的存在,且古菌的丰度远高于细菌,其16S rRNA基因拷贝数分别为4.32×10^(4)~5.83×10^(5)copies/L和1.16×10^(3)~6.00×10^(3)copies/***古菌与细菌的功能基因mcrA与pomA同样在所有的样品中检出.页岩气返排水中共发现了4个DAMO细菌代表性OTU与1个DAMO古菌代表性OTU,虽然返排水中盐度很高,但检出的DAMO细菌与古菌与已报道的淡水环境中的DAMO微生物亲缘性更近.RDA相关性分析表明,返排水常规理化因子对DAMO微生物的影响并非体现在微生物的丰度上,而是体现在微生物的功能上,其中pmoA基因丰度与TOC含量呈正显著相关,而mcrA基因丰度则与NO_(3)^(-)、NH_(4)^(+)、PO_(4)^(3-)和Cl^(-)浓度呈正相关,Cl^(-)影响最大.研究结果拓展了关于DAMO微生物环境分布的认识,可为缓解返排水中逸散甲烷所导致的温室效应的控制提供理论基础,也有助于加深对深部页岩微生物过程的认知.

关键词：反硝化厌氧甲烷氧化页岩气返排水高盐环境因子群落结构

反硝化厌氧甲烷氧化耦合厌氧氨氧化工艺处理农村污水脱氮性能研究

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反硝化厌氧甲烷氧化耦合厌氧氨氧化工艺处理农村污水脱氮性能研究

作者：蔡芳芳重庆大学

学位级别：硕士

农村污水存在大量含氮污染物,带来了严重的环境污染和对人们健康的威胁。近年来,随着人们对居住环境要求的日益提高,我国在环境保护上也不断加大投入力度,尤其在在污水处理方面更是极为重视。反硝化厌氧甲烷氧化工艺(Denitrifying anaer... 详细信息

农村污水存在大量含氮污染物,带来了严重的环境污染和对人们健康的威胁。近年来,随着人们对居住环境要求的日益提高,我国在环境保护上也不断加大投入力度,尤其在在污水处理方面更是极为重视。反硝化厌氧甲烷氧化工艺(Denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)利用甲烷作为电子供体,在厌氧条件下协助甲烷氧化和硝氮或亚硝氮反硝化,减少温室效应,同时厌氧氨氧化工艺(Anaerobic ammonia oxidation process,Anammox)在厌氧状态下,将污水中氨氮和亚硝氮同步去除,并生成部分硝氮。因而将反硝化厌氧甲烷氧化工艺与厌氧氨氧化工艺(DAMO-Anammox)进行耦合,可减少厌氧氨氧化反应的碳源曝气需求,并利用DAMO微生物可进一步去除Anammox反应生成的硝氮,具有高效节能、运行成本低、减少二次污染等优势,能够同步实现高效脱氮和减少甲烷排放等目的。本研究主要基于膜生物反应器(MBf R)、序批式反应器(SBR),初期先在MBf R启动DAMO反应,后期将DAMO污泥和实验室饥饿状态下的低丰度厌氧氨氧化污泥接种到SBR中进行培养DAMO微生物和厌氧氨氧化菌,分阶段提升进水氮负荷以驯化培养功能微生物;探究了部分环境因子和典型重金属离子对DAMO耦合Anammox工艺脱氮性能的影响,以期为反硝化厌氧甲烷氧化耦合厌氧氨氧化工艺处理农村污水提供部分参考。本文主要研究内容如下:(1)反硝化厌氧甲烷氧化污泥驯化培养研究。以厌氧消化污泥和产甲烷污泥的混合物为接种污泥,前期进水硝氮,通过MBf R驯化培养DAMO微生物,探究DAMO微生物的适宜培养条件;后期构建SBR反应体系,旨在研究不同底物浓度对硝态氮、亚硝态氮还原速率的影响。驯化40天后,MBf R1(对照组M1:不通入甲烷)和MBf R2(试验组M2:通入足量甲烷)的NO-N去除速率分别为11.18mg·L·d、45 mg·L·d;序批式试验95天后,SBR1中的NO-N去除速率为22.67 mg·L·d、SBR2中NO-N为26.76 mg·L·d,均低于MBf R2的脱氮速率。(2)反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化污泥耦合研究。将驯化95天后的DAMO污泥与来自实验室长期饥饿状态下的低丰度厌氧氨氧化污泥耦合,并分别接种到SBR1(R1)、SBR2(R2)反应体系中进行联合培养。将进水NO-N、NH-N比例设为1.25,阶段性改变进水浓度、提高氮负荷,成功构建DAMO耦合Anammox工艺体系。耦合周期内,R1、R2中的TN去除速率随时间和氮负荷增加呈现上升趋势,分别达到176.79 mg·L·d、217.62 mg·L·d。微生物学分析结果表明:DAMO耦合Anammox工艺体系中成功富集到DAMO功能微生物,基于目标序列OUT的系统发育树显示,R2中DAMO微生物均属于NC10门下group A菌群,R1中有1%的DAMO微生物序列与group B菌群相似,99%的序列属于group A菌群。耦合完成时,R1、R2中厌氧氨氧化菌丰度大幅度提升,厌氧氨氧化作用逐步增强,An AOB占比分别为24.55%、48.76%,优势菌种均为Candidatus Brocadia。(3)环境因子对DAMO-Anammox耦合体系的影响特性研究,主要考察温度、p H、DO及盐度等环境条件。单因素试验表明:温度、p H、DO均对反硝化厌氧甲烷氧化耦合厌氧氨氧化体系的脱氮性能产生影响。在短期试验下,结果显示,当温度为35℃、p H为8.0、DO浓度不超过0.2 mg·L时,耦合体系脱氮性能效果最好;通过控制变量保持35℃、p H=8.0、DO=0.2 mg·L,当Na Cl浓度为0g·L时,有利于耦合体系内脱氮性能短暂提高,TN去除速率最大为250.91 mg·L·d。响应面法结果表明:温度对TN去除速率影响极为显著,DO影响一般显著,p H影响不显著,而温度、p H、DO的两两因素交互作用均不显著。(4)重金属离子对DAMO-Anammox耦合体系的影响特性研究,主要考察Cu、Fe、Zn等三种重金属离子对反硝化厌氧甲烷氧化耦合厌氧氨氧化体系的脱氮性能影响。单因素试验结果显示:Cu、Fe、Zn均对耦合体系脱氮性能均产生显著抑制作用。Cu对NO-N、NH-N、TN去除速率的半抑制浓度(IC值)分别为11.64 mg·L、11.64 mg·L、10.22 mg·L;Fe对NO-N、NH-N、TN的IC值分别为16.21 mg·L、14.85 mg·L、13.84 mg·L;Zn对应的NO-N、NH-N、TN去除速率的IC值分别为16.33 mg·L、20.63 mg·L、17.93 mg·L;正交试验结果表明:Cu、Fe、Zn三种重金属离子对耦合体系内

关键词：农村污水反硝化厌氧甲烷氧化厌氧氨氧化脱氮性能耦合体系

反硝化厌氧甲烷氧化耦合厌氧氨氧化体系处理含盐污水脱氮研究

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反硝化厌氧甲烷氧化耦合厌氧氨氧化体系处理含盐污水脱氮研究

作者：陈秀芹青岛大学

学位级别：硕士

反硝化厌氧甲烷氧化(Denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)与厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation,Anammox)工艺的耦合连接了碳和氮的生物地球化学循环,这一过程可以实现甲烷的厌氧氧化与污水中氮的去除。海洋厌氧氨氧... 详细信息

反硝化厌氧甲烷氧化(Denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)与厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation,Anammox)工艺的耦合连接了碳和氮的生物地球化学循环,这一过程可以实现甲烷的厌氧氧化与污水中氮的去除。海洋厌氧氨氧化菌(Marine Anammox bacteria,MAB)是厌氧氨氧化细菌中可耐受高盐度的一个属,在含盐污水处理方面有很大的潜力。本研究的目的是接种MAB活性污泥,在三个曝气频率不同的序批式反应器内,通过间断曝气方式提供甲烷,富集DAMO功能微生物,利用DAMO-Anammox工艺实现含盐(35.0‰)污水的处理,并分析曝气频率对脱氮性能及微生物多样性的影响。经过270 d的运行,成功启动了DAMO-Anammox工艺,实现了含盐污水中氨氮和硝态氮的同步去除。通过不同曝气频率下氨氮和硝态氮的去除效果分析,氨氮去除率与曝气频率呈负相关,而硝态氮去除率与甲烷曝气频率呈正相关。但是,曝气频率为2次/天时,总氮去除率最高(91.70±0.08%),且硝态氮与氨氮去除摩尔比(1.06±0.15)最接近理论值1.06。采用高通量测序技术分析了微生物多样性,结果显示Candidatus Scalindua与Candidatus Methanoperedens的相对丰度随甲烷曝气频率的增加而增加。根据微生物Alpha和Beta多样性分析,高的曝气频率有利于微生物菌群丰富度,但会降低群落多样性,曝气频率对微生物物种丰度多样性的影响更为显著。通过宏基因组测序技术分析了DAMO-Anammox工艺处理含盐污水甲烷和氮素的生物代谢通路,产甲烷代谢模块(13.45%)路径中的关键酶,如甲基-辅酶M还原酶(17580 hits),均具有较高的丰度,说明甲烷主要是通过反向产甲烷代谢路径实现厌氧氧化。反硝化(45.07%)和硝酸盐还原模块(32.93%)中高丰度的硝酸盐还原酶(61623 hits)也为硝态氮还原为亚硝态氮过程的存在提供了有力证据。亚硝酸盐还原酶(19238 hits)、肼合成酶(18622 hits)和肼脱氢酶(8896hits)等Anammox过程的关键酶均有较高的丰度值。DAMO-Anammox工艺处理含盐污水时厌氧甲烷氧化为硝酸盐的还原提供电子,产生的亚硝态氮与污水中的氨氮可直接被MAB转化为氮气最终实现含盐污水脱氮。

关键词：反硝化厌氧甲烷氧化厌氧氨氧化含盐污水生物脱氮宏基因组

大兴安岭多年冻土区反硝化厌氧甲烷氧化菌群落结构特征研究

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大兴安岭多年冻土区反硝化厌氧甲烷氧化菌群落结构特征研究

作者：任璐哈尔滨师范大学

学位级别：硕士

全球气候变暖会加速多年冻土的退化,释放更多的温室气体(CO和CH),从而进一步加剧温室效应。反硝化型厌氧甲烷氧化反应(nitrate/nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,n-damo)是连接生物地球化学碳、氮循环间的关键环节,在缓... 详细信息

全球气候变暖会加速多年冻土的退化,释放更多的温室气体(CO和CH),从而进一步加剧温室效应。反硝化型厌氧甲烷氧化反应(nitrate/nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,n-damo)是连接生物地球化学碳、氮循环间的关键环节,在缓解全球温室气体排放过程中具有重要作用。然而,有关高纬度多年冻土区n-damo菌群落结构和反应速率的研究还鲜见报道。本研究以大兴安岭多年冻土区3种典型森林(兴安落叶松林、白桦林和樟子松林)土壤为研究对象,采用克隆文库、实时荧光定量PCR和C稳定同位素示踪等技术,探明n-damo菌的系统发育、群落组成、多样性、丰度和反应速率,揭示控制n-damo过程的关键环境因子及其影响机制,探讨n-damo菌群在高纬度多年冻土区碳素生物地球化学循环中的重要性。研究结果可为深入理解多年冻土区甲烷循环过程,准确评价多年冻土生态系统对全球碳循环的贡献提供理论依据。研究结果如下:(1)基于16S rRNA基因克隆文库,共获得有效序列638条划分11个OTUs,基于pmoA基因克隆文库,共获得有效序列579条划分8个OTUs。系统发育分析表明,16S rRNA基因序列与“Candidatus Methylomirabilis oxyfera”菌亲缘关系较近为93.8%-97.5%,pmoA基因序列与“Candidatus Methylomirabilis sinic”菌亲缘关系较近为86.1%-96.3%。基于16S rRNA和pmoA基因的n-damo菌多样性指数分析表明,3种林型中多样性指数均为土壤中层(20-40 cm和40-60cm)高于上层(0-20 cm)和深层(60-80 cm和80-100 cm)。相关性分析则表明,调控n-damo菌多样性的环境因子主要为全氮(TN)、硝酸盐(NO-N)和温度(T)。(2)基于16S rRNA和pmoA基因的主坐标(PCoA)分析结果表明,n-damo菌群落组成受土壤深度影响显著,而与森林类型相关性较小。冗余分析(RDA)表明,NO-N和亚硝酸盐(NO-N)是影响n-damo菌群落结构的关键驱动因子。(3)n-damo菌(16S rRNA和pmoA基因)的丰度分别为1.55×10-1.47×10copies·g和1.31×10-3.11×10 copies·g。其中16S rRNA基因丰度在白桦林中最高,pmoA基因丰度在樟子松林中最高,且n-damo菌丰度在3种林型中均随土壤深度增加呈现先增后减的趋势。相关性分析表明,n-damo菌丰度与土壤含水量(SWC)、NO-N和TN呈显著正相关(P<0.05)。(4)C稳定同位素示踪测定结果表明,n-damo菌的反应速率为0-1.26nmol·g·d。3种林型土壤中层(20-40 cm和40-60 cm)的n-damo反应速率显著高于上层(0-20 cm)和深层(60-80 cm和80-100 cm)(P<0.05),且在3种林型中均随土壤深度增加呈现先增后减的趋势。

关键词：反硝化厌氧甲烷氧化多年冻土多样性森林类型反应速率

生物电化学耦合反硝化厌氧甲烷氧化工艺的性能及其强化策略研究

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生物电化学耦合反硝化厌氧甲烷氧化工艺的性能及其强化策略研究

作者：李朝洋重庆大学

学位级别：硕士

作为具有极强增温潜势的温室气体,甲烷的控制是应对气候变化的主要途径之一;与此同时,碳源不足是废水生物脱氮技术发展的局限。协同减污降碳的时代要求对废水处理也提出了新的挑战。由ANME-2d簇古菌和NC10门细菌共同驱动的反硝化厌氧甲... 详细信息

作为具有极强增温潜势的温室气体,甲烷的控制是应对气候变化的主要途径之一;与此同时,碳源不足是废水生物脱氮技术发展的局限。协同减污降碳的时代要求对废水处理也提出了新的挑战。由ANME-2d簇古菌和NC10门细菌共同驱动的反硝化厌氧甲烷氧化(Denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)兼具缓解甲烷温室气体排放和去除氮素污染的双重功效,但面临功能微生物生长时间长、代谢活性低等应用瓶颈。生物电化学系统(Bioelectrochemical system,BES)对微生物生长代谢活性具有良好的促进效果。本研究以DAMO微生物潜在的胞外电子传递为理论出发点,构建以硝酸盐为唯一电子受体的BES-DAMO耦合系统,通过常规理化指标(硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮等)和电化学指标(CV、EIS、输出电压等)测定,考察耦合系统的主要性能;通过微生物群落分析、宏基因组与功能基因分析等技术手段,从DAMO微生物种群互作、介导的碳氮循环及基因表达调控等角度揭示体系耦合作用的可能机制;从接种物和电子介体两个胞外电子传递过程的关键节点探索体系强化调控策略及电子传递路径的响应特征。论文的主要研究结果与结论如下。(1)生物电化学作用可以促进DAMO系统硝酸盐和甲烷的协同去除,在提供外加电压的条件下(MEC状态),体系硝酸盐去除速率较对照组提升2.73倍,甲烷氧化速率提高了1.60倍。生物电化学增强了BES-DAMO系统中微生物的电活性,DAMO微生物和异养反硝化微生物可以作为潜在的电活性微生物,以电子或次级代谢产物为营养底物。在电刺激作用下,微生物形成以甲烷氧化微生物(DAMO古菌、DAMO细菌、Methylocystis及Methylococcus)为核心种属,为异养微生物提供营养来源,以氮代谢相关微生物(Nitrososphaera、Hyphomicrobium、Ignavibacterium和Bradyrhizobium等)为共生种属的互作共生关系。(2)将典型电活性微生物*** MR-1接种至BES-DAMO体系,使得硝酸盐去除速率较对照组提高了30.9%,达到7.837±1.151 mg N/L/d。BES-DAMO体系氧化还原能力及电子转移速率均有显著提升。细菌群落结构多样性有所上升,参与甲烷氧化及反硝化过程的微生物类群增多。ANME-2d古菌的拷贝数略有下降但mcr A基因的拷贝数有所上升,对外源电活性接种物的响应呈现出丰度与活性分化的特征;DAMO细菌变化不显著。在电子传递路径上,经典胞外电子传递基因mtr A和mtr C相对丰度显著上调,表明电子从胞内转移至胞外的这一关键过程可能得到强化。(3)微生物内源电子介体具有特异性,乙酸、乙腈和苯乙酮可能是BES-DAMO体系潜在的内源电子介体。投加外源电子介体核黄素后,BES-DAMO系统中硝酸盐平均去除速率较对照组升高了29.25%,提升至6.253±0.827 mg N/L/d且强化效能稳定;电极生物膜和悬浮污泥中DAMO古菌和细菌的丰度和活性均呈现出增加的趋势。通过宏基因组研究发现,电子传递链上复合体Ⅲ、复合体Ⅳ和ATP合酶的基因表达均有所上调,意味着外源电子介体可以有效的强化体系中电活性微生物的电子传递过程并提高能量产生效率。

关键词：反硝化厌氧甲烷氧化生物电化学系统胞外电子传递电活性微生物电子介体

氮饥饿下反硝化厌氧甲烷氧化膜生物反应器效能及其微生物适应特性

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氮饥饿下反硝化厌氧甲烷氧化膜生物反应器效能及其微生物适应特性

作者：杨涵重庆大学

学位级别：硕士

协同减污降碳是新时期我国环境保护工作的新要求,也为废水处理技术开发提出了新命题。一方面,富营养化控制的需要不断推高废水氮排放标准进而驱动废水深度脱氮,以致将常规生物脱氮技术置于诸如城镇污水处理厂尾水这种低氮废水场景下,面... 详细信息

协同减污降碳是新时期我国环境保护工作的新要求,也为废水处理技术开发提出了新命题。一方面,富营养化控制的需要不断推高废水氮排放标准进而驱动废水深度脱氮,以致将常规生物脱氮技术置于诸如城镇污水处理厂尾水这种低氮废水场景下,面临动力学限制下的低反应速率、碳源消耗的高温室气体排放,以及二者共同导致的低经济性等多重考验。另一方面,以甲烷和二氧化碳为主的温室气体的排放也是废水处理技术必须考虑的问题。尽管反硝化厌氧甲烷氧化（denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO）这一生物氮转化新过程为废水甲烷和氮协同控制技术开发提供了新途径,并且已经展示了工程潜力,但是,长期低氮环境下基于DAMO的废水处理反应器的性能特征、及其中DAMO古菌和细菌以及整个微生物生态系统的适应特性与生理生化机制都是尚未认识的技术和科学问题。因此,本研究以污水处理厂尾水等低浓度含氮废水深度脱氮需求可能会带来的氮饥饿问题为导向,聚焦于基于DAMO过程的废水脱氮反应器在氮元素饥饿下的脱氮性能及功能微生物的适应过程特征与生理生化机制,搭建反硝化厌氧甲烷氧化膜生物反应器（denitrifying anaerobic methane oxidation membrane bioreactor,DAMO-MBR）并考察了DAMO-MBR运行效能、揭示了微生物适应过程的群落和功能等特征,探讨了可能的生理生化适应机制。研究得到的主要结果和结论如下:（1）硝氮浓度从常规的30 mg N·L-1降至深度饥饿的2 mg N·L-1的长期运行过程中,DAMO-MBR平均总氮去除率为97.40%,即使在10 mg N·L-1-2 mg N·L-1的低硝氮浓度下也具有稳定的高脱氮率;尽管在进水硝氮浓度不断降低的过程中,以最大比基质转化速率（即表观最大比反应速率）表征的DAMO功能微生物活性虽然在个别阶段呈现下降,但经更长时间运行至硝氮浓度为5 mg N·L-1及以下之后,活性出现了适应性回升。此外,低基质浓度下运行,意料之中的有利于DAMO-MBR膜污染的缓解。上述实验结果表明,DAMO-MBR在长期低硝氮进水条件下能够维持稳定的高脱氮率,兼具低膜污染的优势,低基质浓度条件下基质浓度的变化并未对DAMO功能微生物基质转化活性造成显著的动力学限制;低进水浓度弱化了由于DAMO过程原本较低的微生物增殖速率和基质反应速率造成的水力停留时间长的不足,基于DAMO的废水处理技术具有低氮废水脱氮协同甲烷减排的应用潜力。（2）随着氮元素饥饿程度的加深,DAMO-MBR中的DAMO微生物通过形态、群落结构及功能的调整,表现出了良好的低氮废水适应能力。具体来说:随着氮元素饥饿程度加深,DAMO-MBR中微生物细胞出现体积缩小、表面纹理特征变化等有利于增大细胞比表面积以提高营养吸收效率的适应性变化;DAMO-MBR微生物群落中DAMO微生物稳定保持优势种的地位;在脱氮除碳功能方面,DAMO细菌核心代谢功能较为稳定,DAMO古菌核心代谢功能虽然总体呈下降趋势但在深度氮饥饿的2 mg N·L-1回升了约60%,这可能意味着DAMO古菌在核心代谢功能方面开始对深度饥饿产生适应。（3）硝氮浓度从常规的30 mg N·L-1降至过渡浓度20 mg N·L-1时DAMO-MBR体系中微生物并未对氮元素饥饿产生明显响应,当基质浓度从20 mg N·L-1下降至5 mg N·L-1时,以DAMO微生物为主的微生物群落启动严紧反应促进基质转运、提高能量供给,同时抑制部分生物质的合成,当基质浓度下降至深度饥饿的2 mg N·L-1时则超出了严紧反应的调控能力范围;在DAMO-MBR系统的微生物群落中,DAMO细菌始终是基质转运、能量供给、生物合成3个功能模块贡献最大的物种,而DAMO古菌是上述功能模块中的贡献度占比前五的物种,此外,虽然两者的贡献度变化趋势不同,但随着饥饿程度的加深DAMO细菌、DAMO古菌的贡献度均保持稳定。上述结果表明,严紧反应是DAMO-MBR中微生物应对氮元素饥饿的主要代谢调控手段,但微生物严紧反应的启动具有一定的滞后性及调控范围限制;虽然DAMO细菌、DAMO古菌在基质转运、能量供应、生物合成各功能模块不同程度饥饿下表现出不同的特性（稳定性、耐受性、竞争优势等）,但总体来说面对氮元素饥饿DAMO微生物在上述各功能模块均表现出较好的适应能力。

关键词：反硝化厌氧甲烷氧化低氮废水生物脱氮适应性严紧反应

SBR和MBR中反硝化厌氧甲烷氧化过程及其强化

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SBR和MBR中反硝化厌氧甲烷氧化过程及其强化

作者：柴风光重庆大学

学位级别：硕士

反硝化厌氧甲烷氧化(Denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)耦联了甲烷氧化和硝酸盐/亚硝酸盐的还原过程,具有脱氮和温室气体减排双重作用,对全球碳氮循环研究,温室气体减排和废水脱氮新技术开发等方面具有重要作用。但是DAM... 详细信息

反硝化厌氧甲烷氧化(Denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)耦联了甲烷氧化和硝酸盐/亚硝酸盐的还原过程,具有脱氮和温室气体减排双重作用,对全球碳氮循环研究,温室气体减排和废水脱氮新技术开发等方面具有重要作用。但是DAMO微生物生长缓慢,脱氮速率低,对其长期培养特性认识不足等问题限制了该过程走向工程应用。本论文通过长期对比运行DAMO微生物反应器,进一步认识SBR中硝酸盐型和亚硝酸型DAMO过程速率和微生物学特性的差异,调查膜生物反应器(Membrane bioreactor,MBR)中的DAMO过程和运行模式对SBR中DAMO过程强化效应。主要取得了以下结论:(1)在相同条件下分别以硝酸盐和亚硝酸盐在SBR中长期运行DAMO,前者微生物优势菌为DAMO古菌和DAMO细菌,后者的微生物优势菌为DAMO细菌;DAMO古菌混合体系达到稳定比DAMO细菌晚150 d,速率上升期比细菌长70 d;DAMO细菌最大脱氮速率达到80.9 mg-N/(L·d),DAMO古菌为32.6 mg-N/(L·d),DAMO古菌最终脱氮速率为DAMO菌的40%左右;反应器中DAMO古菌拷贝数比DAMO细菌低出一个量级。以硝酸盐为电子受体的DAMO体系的微生物富集速率和运行效率的提升仍需进一步研究。(2)DAMO古菌和DAMO细菌混合体系可以长期稳定共存,DAMO古菌可能是混合体系脱氮活性的限制性因素。DAMO古菌和DAMO细菌混合体系速率达到稳定后,培养800 d脱氮活性未下降,反应体系中没有亚硝酸盐的积累。(3)MBR能够稳定培养DAMO细菌,具有一定优势。低速波动时间相较原SBR时间缩短一半,快速提升达到最终稳定的时间较短,动力学参数NO-N半饱和常数Ks为0.62 mg/L,远小于已报道值12.6 mg/L。MBR运行一年未发生严重膜污染。(4)排泥对SBR中亚硝酸盐型DAMO过程的脱氮性能提升和功能微生物群落优化有明显效果:与对照组相比,调控组的脱氮速率明显增加,从调控前的17.00mg-N/(L·d)提升到到70.61 mg-N/(L·d),显示出工程应用潜力;调控组相对比活性提高显著,对比对照组最高提升5.88倍。调控后,实验组DAMO细菌由1.17×10copies/g sed,增长到4.02×10 copies/g sed,提高了3.44倍。DAMO细菌所占比例由38.3%上升到67.7%,纯度提高了1.77倍。

关键词：反硝化厌氧甲烷氧化序批式反应器长期运行膜生物反应器排泥

太湖反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的分布、富集及影响因素研究

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太湖反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的分布、富集及影响因素研究

作者：秦帆苏州科技大学

学位级别：硕士

反硝化厌氧甲烷氧化过程(DAMO)是以甲烷为电子供体、硝酸盐/亚硝酸盐为电子受体的生物化学过程,对于自然环境中的甲烷减排效应起到了不可忽视的作用。同时,相比于传统的污水脱氮工艺(需要外加有机碳源),DAMO过程可以原位利用污泥厌氧消... 详细信息

反硝化厌氧甲烷氧化过程(DAMO)是以甲烷为电子供体、硝酸盐/亚硝酸盐为电子受体的生物化学过程,对于自然环境中的甲烷减排效应起到了不可忽视的作用。同时,相比于传统的污水脱氮工艺(需要外加有机碳源),DAMO过程可以原位利用污泥厌氧消化产生的甲烷、从而实现能源的循环利用。鉴于DAMO过程在自然环境中的生态分布和生态功能还未被完全认识,同时DAMO微生物富集过程较长、且易受外界条件影响,限制了其在污水生物脱氮中的应用;本论文选择中国五大淡水湖泊之一—太湖为研究对象,探究了DAMO微生物在太湖沉积物中的分布特性,分析了DAMO微生物在不同富营养水平湖区中的生存偏好;之后在实验室内搭建反应器,比较碳源和电活性介质添加及不同影响因素对DAMO过程的影响。论文取得的主要研究结果如下:(1)评价了太湖DAMO微生物的生存特性。qPCR和高通量测序结果显示,DAMO细菌在太湖沉积物中的丰度为1.82×10-6.11×10copies g沉积物,在轻度富营养化湖区的D1样品中最高;而DAMO古菌在中度富营养湖区的D7和D8样品中的相对丰度相对较高。构建微生物网络、分析不同富营养化湖区DAMO细菌/古菌与其它甲烷/氮循环微生物相互作用关系时发现,DAMO细菌和DAMO古菌表现出不同的生存策略。DAMO细菌在与其它微生物竞争激烈的环境中获得优势、并在轻度富营养化湖区成为关键种。相较而言,DAMO古菌则更适合在与甲烷/氮循环微生物合作较多的中度富营养化湖区生存。此外,DAMO微生物受到Rhodocyclaceae科微生物和Anammox细菌的拮抗作用,并且DAMO细菌受Anammox细菌的影响显著强于DAMO古菌。结构方程模型分析结果表明,在实际检测范围内,p H、DO、地理空间、亚硝酸盐和硫酸盐对DAMO细菌丰度有积极影响,群落多样性和Anammox细菌对DAMO细菌丰度则会有消极影响;地理空间和硝酸盐对DAMO古菌有显著的正面影响,群落多样性对DAMO古菌有负效应。(2)比较了DAMO微生物在不同条件下的的富集效果。在添加生物炭的R4反应器中,富集菌群含有最高比例的DAMO微生物,并且体系中的r CH/r NO最接近DAMO理论计量;而在添加乙酸钠的反应器(R2和R3)中,DAMO微生物比例也明显高于对照反应器(R1),说明本研究中的生物炭和乙酸钠添加都可以促进DAMO微生物的富集。此外高通量测序显示,R4中的DAMO细菌经历受刺激与恢复阶段后、仅用105天的时间即从0.13%增至7.2%,预示了生物炭在帮助DAMO细菌适应系统环境变化中做出了潜在贡献。同位素活性验证结果表明,乙酸钠与生物炭的添加均能刺激DAMO活性;且生物炭对DAMO微生物活性的刺激效果最为显著,0.1 mmol/L乙酸钠的刺激效果要优于0.5 mmol/L乙酸钠。循环伏安扫描和胞外聚合物分析发现,乙酸钠和生物炭的添加能够提高体系的电化学活性、促进多糖和蛋白质的分泌,从而加速DAMO微生物的富集。此外,结合扫描电镜和傅里叶变换红外光谱分析发现,生物炭的高比表面积和孔隙容量可为微生物提供附着位点,有助于生长缓慢的微生物更好地形成生物膜;而生物炭中的含氧不饱和官能团、特别是碳氧双键在生物炭的电子传递/储存中发挥了重要作用。(3)探究了DAMO微生物在不同影响因素下的活性变化。随着温度的升高(25℃-35℃),n-DAMO活性及DAMO细菌比例显著提高,说明在本实验条件下,DAMO细菌的最适温度为35℃。微量元素Ni对n-DAMO活性无显著影响,Fe则能促进n-DAMO活性;其中,20μmol/L Fe条件下DAMO细菌的反硝化活性最高;与对照组相比,亚硝酸盐的平均消耗速率提高了22.6%。此外在一定范围内,n-DAMO活性随甲烷分压的升高而增加,本实验条件下的最佳甲烷分压为98 k Pa。综上所述,本研究解析了DAMO微生物在太湖沉积物中的分布特性和生存策略,确定了影响DAMO微生物丰度的生物和非生物因子,并通过长期富集实验及短期同位素标记实验、验证了适量生物炭与乙酸钠的添加对DAMO过程具有一定的刺激效果;此外,通过影响因素实验初步探究了DAMO微生物的最佳环境条件。研究结果有助于系统了解DAMO微生物的生态功能,并为DAMO在废水生物脱氮的潜在应用提供理论依据。

关键词：反硝化厌氧甲烷氧化分布特征富集影响因素