基于OUR-HPR测量在线估计活性污泥合成PHA量

活性污泥工艺是一种具有重要应用前景的工业化生产聚羟基烷酸酯(PHA)的方法.当前PHA测量主要采用离线分析方法,时间滞后、分析操作复杂,不适于PHA生产过程控制.本研究基于活性污泥同时储存生长-溶解性微生物产物模型(SSAG-SMP),认为在饱食(外部有机碳基质充足)期间,聚羟基烷酸酯(PHA)的合成速率与氧利用速率(OUR)及氢离子产生速率(HPR)呈线性关系,建立了一种基于OUR-HPR在线测量数据估计活性污泥合成PHA量的方法.本研究对乙酸作基质的不同浓度情况进行模拟,结果表明OUR及HPR的PHA合成的氧气消耗分数(kPHA,OUR)和质子消耗分数(kPHA,HPR)为常数,分别是0.67和0.57.利用建立的线性关系来预测饱食期PHA含量,结果显示预测值与实测值较为吻合,说明提出的基于OURHPR测量在线估计PHA合成量的方法可行.     

不同丙酸/乙酸长期驯化的活性污泥对EBPR的影响

通过长期驯化的SBR增强生物除磷系统,研究了不同丙酸/乙酸对磷和PHA转化的影响,以及微生物代谢PHA及其组分的计量学.结果表明,随着丙酸/乙酸的升高.系统的除磷能力增强;污水中合适的丙酸/乙酸(C-mol比)为2:1.计量学研究表明,聚磷菌消耗I C-mol乙酸生成0.65 C-mol PHB和0.33 C-mol(PHV PH2MV),消耗I C-mol丙酸生成极小量PHB和1.21C-mol(PHV PH2MV).磷去除率与(PHV PH2MV)代谢有良好的相关性.     

不同丙酸/乙酸对聚糖菌长/短期代谢的影响

在3个SBR反应器(即SBR-A,SBR-C和SBR-E)中,以3种不同比例的丙酸/乙酸中长期驯化活性污泥使之富集聚糖菌,对丙酸/乙酸对聚糖菌的长期和短期代谢的影响进行了研究.结果表明,长期高丙酸/乙酸驯化导致聚糖菌厌氧消耗的糖原量和合成的聚β羟基烷酸酯(poly-β-hydroxyalkanoates, PHA)的量都较少,在好氧段积累的糖原量和降解的PHA的量也较小,并且对聚糖菌的脱氢酶活性、生长速率及对有机酸的利用能力等都有抑制作用.当进水中的丙酸与乙酸的碳摩尔数相同时,单位生物量利用乙酸的速率较丙酸快.不同丙酸/乙酸对聚糖菌代谢的短期影响的研究表明,当进水中乙酸浓度突然提高时,长期以高丙酸/乙酸驯化的聚糖菌可以直接利用乙酸参与代谢,但长期以低丙酸/乙酸驯化的聚糖菌则无法快速利用丙酸.提高进水中丙酸/乙酸有可能成为有效抑制聚糖菌生长并提高增强生物除磷系统稳定性的一种策略.     

活性污泥微生物以乙酸为碳源合成聚羟基烷酸酯的研究

聚羟基烷酸酯(polyhydroxyalkanoate,PHA)是一种生物可降解塑料,利用活性污泥合成PHA具有操作方便的优点.本研究对长期驯化的厌氧-好氧活性污泥工艺在厌氧条件下及好氧活性污泥工艺在好氧条件下利用乙酸合成PHA进行了比较分析,发现好氧活性污泥可以合成较多的PHA.在此基础上,研究了好氧条件下乙酸加入次数、乙酸浓度及硝化抑制剂(丙烯基硫脲,ATU)对PHA合成的影响,结果表明,将乙酸分3次加入到反应器、乙酸浓度为2 925 mg/L及加入6.74 mg/L ATU时,可以使污泥挥发性悬浮固体物中PHA的含量达到56.3%.     

碳源类型对A2O系统脱氮除磷的影响

采用52.5 L的A²O反应器,以乙酸和丙酸分别作为进水唯一碳源,系统研究了进水碳源类型对脱氮除磷和代谢过程的影响.结果表明,在进水COD为250 mg/L左右,NH⁺₄-N为52 mg/L左右的条件下,原水碳源类型对TN的去除影响不大,系统TN去除率均在65%左右.进水碳源类型对TP的去除及相应污泥中PHA的类型、含量和代谢及糖原的变化影响较大.乙酸为唯一碳源时,厌氧区放磷浓度较高,污泥中PHA的成分主要为PHB和PHV,两者在厌氧区的合成量差别不大,PHB在随后的反应过程中变化较大,对除磷代谢过程起主要作用,而PHV的变化较小.丙酸作为进水唯一碳源时,厌氧区的放磷浓度偏低,主要合成PHV,几乎不含PHB,PHV在随后吸磷过程中浓度变化较大,对除磷代谢起主要作用,而且出水TP浓度偏低.碳源类型对污泥中糖原的代谢也有影响,乙酸为碳源时糖原的含量高,变化范围也较大,丙酸为碳源时糖原的变化幅度较小.在同步脱氮除磷系统中,与乙酸相比,丙酸是一种更合适的碳源.     

乙酸丙酸比例对富集聚磷菌生物除磷系统影响研究

通过丙酸/乙酸(以C计)比例为0.1、0.5、1、2、10的合成废水,在SBR反应器(1#～5#)中长期驯化聚磷菌(PAO)富集的污泥,研究了丙酸/乙酸比例对增强生物除磷系统(EBPR)中短链脂肪酸(SCFA)降解、溶解性正磷(SOP)的释放/吸收及其去除率的影响.结果表明,PAO对SCFA的利用符合一级动力学过程,PAO对丙酸的利用速率较乙酸快,因此,增加丙酸/乙酸比例有助于EBPR系统的稳定性.随丙酸/乙酸比例增加,SOP的释放与吸收量减少,SOP的代谢速率降低,但SOP的去除率明显增加.因此,增加丙酸/乙酸比例有助于提高EBPR系统除磷效率.     

聚烃基烷酸转化对强化生物除磷影响研究

通过丙酸和乙酸C-mol比为0.5和2的合成废水驯化微生物的SBR反应器(SBR1和SBR2)批式实验,研究了强化生物除磷系统中聚烃基丁酸(PHB)和聚烃基戊酸(PHV)的转化对磷吸收/释放及去除率的影响.结果显示,磷的释放/吸收和去除率与PHB和PHV的转化有很好的相关性(R²>0.90).回归系数表明,特定废水驯化的污泥,磷的吸收和释放主要受PHB转化的影响,但磷的去除率却主要依赖于PHV的合成与降解;对于不同比例丙酸/乙酸废水驯化污泥,SBR2比SBR1污泥的PHB合成和降解能力增强,PHV合成和降解能力减小,生物除磷效果平均增加16.69%.因此,进水丙酸/乙酸比例及驯化影响聚磷微生物的PHB/PHV转化量,进而影响对磷的吸收/释放和除磷效果,PHB与PHV的转化量应作为生物除磷系统的关键调控因素考虑.     

进水底物浓度对蔗糖废水产酸合成PHA影响研究

混合菌群合成生物可降解塑料(PHA)成为目前研究的热点,三段式PHA合成工艺(水解产酸、产PHA菌富集、PHA合成)被广泛应用.在三段式工艺中,产PHA菌的富集非常关键,只有稳定产生PHA菌才能保障PHA合成的产量.针对产PHA菌富集系统容易出现污泥膨胀的问题,本研究考察了进水底物浓度对产PHA菌富集效率及运行稳定性的影响.在560mg·L-1、1 120 mg·L-1、1 680 mg·L-1这3组不同进水底物浓度的对比实验中,证实了COD 1 120 mg·L-1条件下富集反应器能够在较短污泥龄下稳定富集具有较高污泥浓度的高效产PHA菌,且不会发生污泥膨胀.在94 d的富集期后其批次实验最大PHA含量、PHA转化率(COD/COD)及PHA比合成速率能分别达到50%、0.714 5及0.191 2 mg·(mg·h)-1.研究还同时证实细胞内糖原水平高低与其PHA合成能力密切相关,可采用其作为富集效果的重要检测指标之一.     

热水解污泥酸化液碳氮磷对PHA合成的影响

基于热水解污泥酸化液定向驯化得到了稳定的PHA合成混合菌体系,分析了菌群特征与结构,研究了限制氮、磷、非挥发性脂肪酸(non-VFAs)物质和补料方式对PHA合成率以及相关组分对菌群活性的影响.结果表明,利用热水解污泥酸化液合成PHA的特有混合菌体系中优势菌属短枝单胞菌属(Brachymonas)占45%.限制酸化液中NH₄⁺-N浓度PHA合成率从22wt%提高至25wt%,限制non-VFAs不仅PHA合成率可提升27%同时合成速率也提升了25%.酸化液中的NH₄⁺-N、PC₄^3--P和non-VFAs未对PHA合成菌群活性造成显著影响,但是高浓度挥发性脂肪酸(VFAs)会对菌群活性造成抑制.为降低高浓度VFAs的抑制采取分批补料策略可提高PHA合成率,分批补料(5次)PHA最大合成率较一次补料的28wt%提升至34wt%.因此,通过提高酸化液中VFAs占比及优化补料方式均可提升PHA合成率,热水解污泥酸化液生物合成PHA在未来工业化生产时具有很大发展前...     

碳源类型对A~2O系统脱氮除磷的影响

采用52.5 L的A2O反应器,以乙酸和丙酸分别作为进水唯一碳源,系统研究了进水碳源类型对脱氮除磷和代谢过程的影响.结果表明,在进水COD为250 mg/L左右,NH+4-N为52 mg/L左右的条件下,原水碳源类型对TN的去除影响不大,系统TN去除率均在65%左右.进水碳源类型对TP的去除及相应污泥中PHA的类型、含量和代谢及糖原的变化影响较大.乙酸为唯一碳源时,厌氧区放磷浓度较高,污泥中PHA的成分主要为PHB和PHV,两者在厌氧区的合成量差别不大,PHB在随后的反应过程中变化较大,对除磷代谢过程起主要作用,而PHV的变化较小.丙酸作为进水唯一碳源时,厌氧区的放磷浓度偏低,主要合成PHV,几乎不含PHB,PHV在随后吸磷过程中浓度变化较大,对除磷代谢起主要作用,而且出水TP浓度偏低.碳源类型对污泥中糖原的代谢也有影响,乙酸为碳源时糖原的含量高,变化范围也较大,丙酸为碳源时糖原的变化幅度较小.在同步脱氮除磷系统中,与乙酸相比,丙酸是一种更合适的碳源.     

Comparative study of polyhydroxyalkanoates production from acidified and anaerobically treated brewery wastewater using enriched mixed microbial culture

The production of polyhydroxyalkanoates(PHA) from wastewaters using microbial mixed cultures(MMC) has been attracting increased interest because of PHA's biodegradability characteristics. Production of PHA by an MMC enriched with PHA-accumulating bacteria was compared using anaerobically treated and acidified brewery wastewaters under various feeding strategies, namely pulse and batch feed addition. To obtain an enriched MMC, a sequencing batch reactor was inoculated with activated sludge fed with acetate and subjected to aerobic dynamic feeding. The enriched MMC was able to accumulate PHA up to 72.6% of cell dry weight(CDW) with pulse addition of acetate controlled by the dissolved oxygen(DO) concentration in the reactor. In a batch accumulation experiment with acetate,the PHA content achieved(28.5% CDW) was less than that of the pulse feeding strategy with the same amount of acetate(～2000 mg C/L). Using anaerobically treated and acidified brewery wastewater fed in pulses, the maximum PHA accumulated by the enriched MMC was similar for both wastewaters(45% CDW), in spite of the higher volatile fatty acid concentration in acidified brewery wastewater. The pulse feed addition controlled by the DO concentration was difficult to implement for wastewater as compared to acetate because the difference in DO concentration between substrate availability and depletion was low. For the batch addition of acidified wastewater, a slightly lower PHA content(39%CDW) was obtained. These results show that both brewery wastewaters can be utilized for PHA production with a similar maximum PHA storage capacity.     

混合碳源浓度对单级好氧生物脱氮除磷的影响

以乙酸钠和丙酸钠1:2混合作为碳源,进水COD浓度分别为200,400,600,800mg/L,研究混合碳源浓度对单级好氧生物脱氮除磷的影响,并通过比较微生物体内储能物质的变化,探讨混合碳源浓度对生物脱氮除磷性能影响的机理.结果表明,当进水磷和氨氮浓度分别为12,30mg/L时,随着进水COD由200增加至800mg/L,磷去除率由39.9%提升至86.4%(氮去除率从13.5%提升至96.4%).进水COD为400mg/L时单位挥发性悬浮固体(VSS)的磷和氮去除量达到最高[分别为(4.31±0.08)和(6.15±0.22)mg/g].当进水COD由200增加至400mg/L时生物除磷活性增强,而COD继续增加会使污泥沉降性能变差,脱氮除磷生物活性降低.好氧吸磷和同步硝化反硝化主要由微生物体内储能物质多β羟基烷酸盐(PHA)驱动,当进水COD为400mg/L时单位VSS消耗的PHA最多.混合碳源浓度通过影响碳源的好氧代谢,使微生物体内储能物质的积累/转化量不同,进而影响系统的脱氮除磷性能.     

Dissimilatory Fe(III) reduction characteristics of paddy soil extract cultures treated with glucose or fatty acids

Dissimilatory Fe(Ⅲ) reduction is a universal process with irreplaceable biological and environmental importance in anoxic environments. Our knowledge about Fe(Ⅲ) reduction predominantly comes from pure cultures of dissimilatory Fe(Ⅲ) reducing bacteria (DFRB). The objective of this study was to compare the effects of glucose and a selection of short organic acids (citrate, succinate, pyruvate, propionate, acetate, and formate) on Fe(Ⅲ) reduction via the anaerobic culture of three paddy soil solutions with Fe(OH)3 as the sole electron acceptor. The results showed significant differences in Fe(Ⅲ) reduction among the three paddy soil solutions and suhstrate types. Bacteria from the Sichuan paddy soil responded quickly to substrate supply and showed higher Fe(Ⅲ) reducing activity than the other two soil types. Bacteria in the Jiangxi paddy soil culture solution could not use propionate as a source of electrons for Fe(Ⅲ) reduction. Similarly, bacteria in the Jilin paddy soil culture could not use succinate effectively. Pyruvate was readily used by cultures from all three paddy soil solutions, thus indicating that there were some similarities in substrate utilization by bacteria for Fe(Ⅲ) reduction. The use of glucose and citrate as substrate for dissimilatory Fe(Ⅲ) reduction indicates important ecological implications for this type of anoxic respiration.     

Bulking sludge for PHA production:Energy saving and comparative storage capacity with well-settled sludge

Two acetate-fed sequencing batch reactors (SBR) were operated under an aerobic dynamic feeding (ADF) model (SBR #2) and with anaerobic phase before aerobic phase (SBR #1) to select mixed cultures with a high polyhydroxyalkanoates (PHA) storage response. Although kinetic selection based on storage response should bring about a predominance of floc-formers, a bulking sludge with storage response comparable to well-settled sludge was steadily established. An anaerobic phase was introduced before the aerobic phase in the ADF model to improve the sludge settleability (SBR #1), however, due to the consequent increased feast/famine ratio, the performance of SBR #1, in terms of both the maximum PHB (polyhydroxybutyrate) cell content and ΔPHB, was lower than that of SBR #2. SBR #2 gradually reached a steady state while SBR #1 failed suddenly after 50 days of operation. The maximum specific substrate uptake rate and storage rate for the selected bulking sludge were 0.4 Cmol Ac/(Cmol X.hr) and 0.18 Cmol Ac/(Cmol PHB.hr), respectively, resulting a yield of 0.45 Cmol PHB/(Cmol Ac) in SBR #2 in the culture enrichment phase. A maximum PHB content of 53% of total suspended solids and PHB storage rate of 1.36 Cmol Ac/(Cmol PHB.hr) was achieved at 10.2 hr in batch accumulation tests under nitrogen starvation. The results indicated that it was feasible to utilize filamentous bacteria to accumulate PHA with a rate comparable to well-settled sludge. Furthermore, the lower dissolved oxygen demand of filamentous bacteria would save energy required for aeration in the culture enrichment stage.     

基于GA-BP神经网络的餐厨垃圾合成PHA工艺产量预测

为了预估混合底物碳源条件下活性污泥PHA合成产量预测的准确度,通过引入遗传算法对BP人工神经网络的权值和阈值进行优选,建立基于GA-BP神经网络的餐厨垃圾合成PHA工艺产量预测模型。以餐厨垃圾发酵液为底物碳源,利用活性污泥在ADD模式下进行PHA合成。以实验数据为基础训练神经网络模型,通过实测数据与模型预测数据之间的对比,验证了人工神经网络预测模型的精确度,并对长期PHA合成能力进行了预测。结论表明:基于遗传算法改进的GA-BP网络模型表现出比传统BP神经网络模型更佳的预测准确度,为评估混合菌群PHA最大合成产量的长期发展趋势,确定合理富集时长探索了可行方法。     

不同碳源种类对好氧颗粒污泥合成PHA的影响

影响好氧颗粒污泥稳定性的因素众多,其中碳源种类的不同会造成好氧颗粒污泥合成聚羟基烷酸酯(PHA)的不同,进而影响其稳定性能.采用混合碳源驯化培养的好氧颗粒污泥进行试验.考察了厌氧条件下,乙酸钠等八种碳源对好氧颗粒污泥合成PHA的影响.结果表明,颗粒污泥对乙酸钠和蔗糖具有较好的转化能力,合成PHA的量分别为102.19mgCOD/g·VSS和70.58mgCOD/g·VSS,显著高于其他碳源的PHA合成量(5~26mg/g×VSS).故以蔗糖和乙酸钠作碳源均有利于颗粒污泥稳定性能的维持,而当以甲醇作碳源时好氧颗粒污泥的贮存能力最差.     

A2/O-BCO系统中碳源类型对反硝化除磷及菌群结构的影响

采用厌氧/缺氧/好氧-生物接触氧化(A²/O - BCO)工艺处理低碳氮(C/N)比污水, 考察单因素碳源(阶段Ⅰ: 乙酸钠; 阶段Ⅱ: 乙酸钠+丙酸钠; 阶段Ⅲ: 丙酸钠)对有机物去除以及同步脱氮除磷的影响, 并重点探究乙酸钠、丙酸钠混合碳源条件下内碳源(PHA、Gly)的转化利用以及反硝化除磷(DPR)机理, 同时通过高通量测序对比了不同阶段微生物菌群结构的演变规律.结果表明: 混合碳源提高了有机物、氮、磷的同步去除效率, 厌氧段内碳源转化量为226mg/h, 释磷量高达30.58mg/L, DPR效率稳定在90%以上; 批次试验表明反硝化聚磷菌(DPAOs)占聚磷菌(PAOs)的比例为72.42%, 基本实现了DPAOs的富集; 高通量测序结果表明混合碳源更有利于形成独特的OTUs菌群, PAOs(包括Accumulibacter和Acinetobacter)和DPAOs (包括Dechloromonas和Pseudomonas)总量高达29.13%(> 16.18%(阶段Ⅲ) > 14.34%(阶段Ⅰ)), 有效促进了碳源的高效利用以及反硝化除磷效率; BCO反应器中氨氧化菌(AOB, 包括Nitrosomonas和Nitrosomonadaceae)和亚硝酸盐氧化菌(NOB, 以Nitrospira为主)总量从3.89%(N1)增加到23.09%(N2)、37.23%(N3), 为反硝化除磷提供充足的电子受体; 此外, 建立了基于碳源高效利用的运行调控策略, 以期为A²/O - BCO工艺的推广应用提供理论参考.     

碳源及氮源对紫色非硫光合细菌积累PHB的影响

研究了碳源及氮源对紫色非硫光合细菌积累PHB的影响.结果表明,NH₄⁺-N及有机氮利于菌体积累PHB.一定碳氮比条件下,低碳源浓度下菌体积累PHB较多,但结合菌体生长则高浓度碳源较好.对于不同基质而言,菌体利用丁酸盐利于积累PHB,乙酸盐次之,丙酸盐不利,混合基质以丁酸盐为主时比单一基质利于积累PHB.CO₂浓度(以NaHCO₃代替)对菌体利用乙酸盐或丁酸盐积累PHB有所影响,相比较而言一定浓度的CO₂有利于促进PHB的积累量.