不同碳源对EBPR启动期聚磷菌的影响研究

以实验室序批式反应器(SBR)为强化生物除磷工艺(EBPR)载体,接种具有初步除磷功能的污泥后,以乙酸∶丙酸=1∶1(按各自折算的COD计)为混合碳源(以下简称混酸),厌氧初始pH 7.6±0.1,富集聚磷菌(PAO)。启动30 d后,EBPR反应器中为PAO和聚糖菌(GAO)的混合菌属,此时从反应器中取泥样进行批式试验,分别考察乙酸、丙酸及混酸对聚磷菌的富集和厌氧释磷的影响。结果表明:在EBPR启动期内,乙酸作为单一碳源时释磷量最大,但混酸碳源释磷效率最高,最有利于PAO富集;丙酸作为单一碳源时降解率最大而释磷量最小,不适合EBPR启动期的PAO富集。     

发酵液作为EBPR碳源的动力学模拟

发酵液是一种优质的碳源,能够提高生物除磷系统(EBPR)的除磷效果.采用基于碳源代谢的修正ASM2模型,能够较好地模拟发酵液作为EBPR碳源的动力学变化规律.发酵液作为EBPR唯一碳源时,系统中的异养菌不仅不对聚磷菌(PAO)的生长构成竞争关系,反而促进PAO的生长.发酵液作为实际污水的补充碳源时,优化了污水中的碳源组成,创造了有利于聚磷菌生长的环境,使EBPR中聚磷菌达到微生物总量的40%以上,比实际污水作为碳源的EBPR中的PAO含量提高了3.3倍.     

乙酸/丙酸作为EBPR碳源的动力学模型研究(Ⅱ)——动力学模拟

以乙酸和丙酸作为混合碳源,采用2组序批式反应器(SBR)研究聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)代谢过程中的物质转化规律.PAO和GAO动力学模型共包含7个计量学参数和24个动力学参数.根据计量学方程,推导了PAO和GAO动力学模型中的计量学参数.结合试验结果,确定了动力学参数的取值.采用Matlab软件积分计算了PAO和GAO胞内物质的变化规律.SBR运行的实际值与模拟值相吻合,表明基于SCFAs代谢的动力学模型能够很好地模拟PAO和GAO的好氧/厌氧代谢过程.     

碳源对EBPR代谢过程及微生物特性的影响

采用SBR反应器,研究了乙酸和丙酸分别作为唯一进水碳源时对EBPR过程物质转化及代表性微生物变化特性的影响,并对不同碳源可能导致不同的微生物代谢过程进行了讨论.SBR的运行模式为：厌氧2 h,好氧5 h,每天运行3个周期,乙酸和丙酸进水的COD均为300 mg/Ｌ,系统先用乙酸作为碳源运行60 d,随后以丙酸作为碳源运行60 d.结果表明,在采用乙酸作为碳源时,厌氧结束放磷和消耗COD的比值为0.35,生成的PHA中以PHB为主,占92.6%,PHV只占到7.4%,没有PH2MV生成.在采用丙酸作为碳源时,厌氧结束放磷和消耗COD的比值稍低,为0.27,生成的PHA中PHV占35.8%,PHB和PH2MV分别占10.2%和54.0%.2种碳源条件下系统都具有良好的EBPR效能,出水PO^3-₄-P均在检出限以下.对不同阶段的污泥进行DGGE分析表明,系统中的微生物发生了变化;扫描电镜图片和PHA染色结果分析表明,在乙酸作为碳源时,系统中的PAOs以球菌形式存在,而在丙酸作为碳源时,系统中的PAOs以杆菌形式存在.不同碳源培养出了不同类型的PAOs,两者代谢途径不同,但都具有较好的EBPR效能.     

丙酸/乙酸比例对生物除磷系统的影响研究

在5个SBR反应器(1#～5#)中,用乙酸、丙酸/乙酸(以C计)比例为0.5、2、10和丙酸的合成废水,通过厌氧/好氧工艺驯化活性污泥使之富集聚磷菌,研究了丙酸/乙酸比例对强化生物除磷系统(EBPR)中COD降解、溶解性正磷酸盐(SOP)的释放、吸收及其去除率的影响。结果表明,PAO对COD的降解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的去除率依次为88.2%,89.8%,92.2%,94.2%和95.2%,去除率增加了7%,因此增加丙酸/乙酸比例有助于提高EBPR系统除磷效率。     

系列混合碳源在EBPR系统颗粒化进程中的影响研究

在SBR反应器中接种富含聚磷菌的活性污泥,以一系列不同比例的丙酸与乙酸混合为碳源条件,进行了EBPR系统颗粒化培养,考察了混合碳源中丙酸所占质量分数(以COD质量浓度计)的提高对EBPR系统颗粒化进程中颗粒粒径生长、污泥沉降性能、系统除磷效率等宏观特性的影响规律.结果表明,EBPR系统污泥颗粒生长速率随碳源中丙酸所占质量分数的增加而提高;碳源中丙酸所占质量分数较高的反应器污泥SVI值相对较高.经90 d培养,碳源中丙酸所占质量分数分别为0%、25%、50%、75%及100%的系统中成熟颗粒体积平均粒径分别为550.64、599.41、642.38、680.99和745.08μm,污泥SVI值分别稳定在30、40、50、60及75 mL.g-1左右.在相同的磷处理负荷下,各试验系统除磷性能产生了显著性差异.0%、25%、50%、75%及100%丙酸碳源系统平均净除磷能力(以MLSS计)分别为0.78、2.29、2.96、3.23及3.77 mg.g-1,平均除磷效率分别为31.5%、56.5%、77.4%、85.9%及97.0%.     

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.     

系列混合碳源条件下颗粒化EBPR系统菌群结构变化规律研究

在SBR反应器中接种富含聚磷菌的活性污泥,采用一系列不同丙酸/乙酸比例混合的碳源进行EBPR系统污泥的颗粒化培养,并考察了颗粒化进程中的系统菌群结构变化,以及不同混合碳源条件对系统功能菌种竞争的影响.结果表明,污泥颗粒化过程对EBPR系统菌群结构产生了较大的筛选作用.原本在系统中占优势的一类Uncultured bacterium被迅速淘汰;Uncultured Rhodocyclaceae bacterium、部分Candidatus Competibacter phosphatis、部分Denitrifying bacterium、Acinetobacter及部分Uncultured alpha proteobacterium分别逐渐被淘汰.在各个成熟的颗粒化EBPR系统中,除磷微生物主要为Uncultured Chlorobi bacterium与Uncultured alpha proteobacterium.不同混合碳源条件培养的颗粒化EBPR系统菌群结构差异主要表现为Candidatus Competibacter phosphatis(聚糖菌)与Uncultured Chlorobi bacterium(聚磷菌)菌群数量的不同.混合碳源中乙酸比例的提高可造成颗粒化EBPR系统中Candidatus Competibacter phosphatis的增长,使系统的除磷效率下降.而碳源中丙酸比例相对较高的条件有利于Uncultured Chlorobi bacterium增长,从而有助于颗粒化EBPR系统维持较好的除磷效率.     

EBPR工艺污泥中聚磷菌多样性与除磷潜力评价方法

自1970年代研究者发现聚磷菌(polyphosphate accumulating organism, PAO)并提出经典的强化生物除磷(enhanced biological phosphorus removal, EBPR)工艺“厌氧释磷-好氧摄磷”机理以来,随着EBPR工艺中PAO新菌株的不断发现和生理生化特征研究的不断深入,研究者们对EBPR机理的认识一直在不断更新. 及时总结近40年来EBPR机理的研究进展,基于活性污泥中PAO菌株信息全面归纳PAO多样性特征,以此为依据客观评价目前活性污泥中PAO除磷潜力评价方法的不足并展望未来重点研究方向,对于推动EBPR工艺优化升级将具有非常重要的理论与实际意义. 本文全面调研了1980—2021年国际期刊相关文献,发现传统EBPR机理中厌氧内碳源合成、厌氧释磷意义等受到了较多质疑,反硝化聚磷新机理已获得广泛认同;活性污泥中PAO具有异常丰富的多样性,包含Acinetobacter(29%)、Pseudomonas(15%)、Tetrasphaera(4%)、Alcaligenes(4%)等42个菌属,部分PAO具有反硝化聚磷和异养硝化能力. 在目前主流的活性污泥PAO除磷潜力评价方法中,荧光原位杂交和定量PCR技术只以Accumulibacter或Acinetobacter属PAO为检测对象,高通量测序和变性梯度凝胶电泳技术基于片面的PAO多样性信息作为分析依据,在此基础上PAO丰度所反映的PAO除磷潜力的准确性尚存在疑问,未来需要加强面向活性污泥PAO多样性的探针或特异性引物的研发. 与传统方法相比,EDTA法胞内多聚磷酸盐颗粒含量检测技术较为先进,但需要以PAO和非PAO菌株为参照深入阐明检测结果的边界.      

富含聚磷菌的好氧颗粒污泥的培养与特性

以实验室SBR反应器为载体.接种普通活性污泥,探讨了富集聚磷菌和培养好氧颗粒污泥同时实现的可行性,以交替负荷的方法培养2个月后,富含聚磷菌的好氧颗粒污泥形成.颗粒形成后逐步改变碳源种类以提供选择压.淘汰系统中存在的聚糖菌.结果表明,与丙酸相比,乙酸更适合富含聚磷菌的好氧颗粒污泥的生存,以乙酸为碳源,系统吸放磷量更多.颗粒平均粒径更大(2 mm),颗粒的性能指标(沉降速度、含水率、呼吸速率、密度、完整度系数)部相对优于以丙酸为碳源时的情况.以工艺检测和分子生物学手段双重检测颗粒形成过程,发现颗粒吸放磷能力的逐渐提高伴随着聚磷菌占微生物总量的比例越来越大.富集培养结束时聚磷菌占总菌的70%左右.实验证明,富含聚磷菌的好氧颗粒污泥具有优异的污染物去除能力,其对COD去除率可达95%以上,对磷的去除可达100%.     

营养物质缺乏引起的好氧颗粒污泥膨胀及其恢复

采用5个相同的序批式反应器(sequencing batch reactor,SBR)研究了不同碳、氮、磷比条件下好氧颗粒污泥形态、沉降性能和有机物去除情况,并根据SVI30值分析了由营养物缺乏引起的好氧颗粒污泥膨胀情况及其恢复方法.结果表明,当进水m(COD)/m(N)/m(P)为100/5.8/1.2时,颗粒污泥结构完整,颗粒密实,SVI30在15～30 mL.g-1之间波动,COD去除率可保持在90%以上,系统总体运行稳定,没有出现污泥膨胀.当进水m(COD)/m(N)/m(P)为100/3/0.6和100/1.9/0.4时,系统中的颗粒污泥出现解体现象,但是SVI30值仍然低于35 mL.g-1,没有发生丝状菌膨胀;在整个试验过程中系统COD去除率在85%以上.当进水m(COD)/m(N)/m(P)为100/0.5/0.1和没有投加任何氮磷物质时,系统SVI30均达到150 mL.g-1,污泥难以沉降,系统发生了丝状菌污泥膨胀.两系统COD去除率差别较大,前者COD去除率在试验后期保持在65%～80%之间,而后者COD去除率从试验前期一直降低,最后达到10%以下,系统完全崩溃.N、P营养物质缺乏引起的膨胀好氧颗粒污泥,通过补充充足营养物质运行48个周期后,2个系统膨胀污泥的沉降性能及有机物降解率完全恢复,但是污泥形态(除污泥颜色)恢复不明显.     

碳源对太湖沉积物中聚磷菌的影响

本文采用4种碳源(乙酸钠、丙酸、葡萄糖、纤维素)在间歇式(SBR)小型反应装置中对采自太湖沉积物中的微生物进行培养富集试验,研究碳源对太湖沉积物中聚磷菌的影响以及聚磷菌在太湖沉积物磷循环中的作用,结果表明:当SBR反应装置的进水COD/P为20、进水采用人工配水、运行周期(包括进水、厌氧阶段、好氧阶段、沉降静置和出水)...     

EBPR中两类细菌PAOs和GAOs竞争的研究进展

强化生物除磷(EBPR)工艺可以获取高效的除磷效果,已在很多污水处理厂得到广泛应用。但是大型污水处理厂在相当多的条件下,EBPR工艺也会出现周期性除磷效果的波动和不充分。针对这一难题,研究者试图采用许多手段来研究工艺中的主要微生物。文章针对典型的EBPR工艺和碳源、pH值、温度等因素对EBPR工艺中两类细菌聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)竞争的研究进展进行了论述,并展望了未来的研究方向。     

COD/SO2-4值对硫酸盐还原率的影响

研究利用UASB反应器考察了COD和硫酸盐浓度的比值对硫酸盐还原的影响,同时分析了硫酸盐还原菌和产甲烷菌对COD的竞争情况.发现在HRT为3.8h,SO2-4负荷为6～7kg·(m3·d)-1,SO2-4浓度为1000mg·L-1条件下:①在COD不足时,SRB与MPB在竞争中占微弱优势;对于产甲烷活性比较好的厌氧污泥要经过较长的时间,SRB才能确立优势菌种的地位.②COD/SO2-4比值决定了SO2-4的去除率.比值等于2时,SO2-4的还原率在95%以上;当比值为1.5时,SO2-4还原率为75%;当比值为1时,SO2-4的还原率为60%.     

荧光定量PCR解析酸性条件下丙酸氧化菌的演替

采用实时荧光定量PCR技术考察了UASB酸性条件下丙酸氧化菌的演替规律.结果表明,至少有3种已鉴定的丙酸氧化菌(Pelotomaculum schinkii,P.propionicum和Smithella propionica)存在于UASB反应器中.在p H值为7.5~7.1时,P.schinkii是主要的丙酸氧化菌群,其数量为(5.0~5.8)×10~3 16SrRNA基因拷贝数/ngDNA,约占检测到丙酸氧化菌总数的90.6%以上.pH从7.1降到6.8导致S.propionica数量显著增加,P.schinkii和S.propionica成为优势菌群,其数量占丙酸氧化菌总数的88.9%.在pH6.5条件下,S.propionica(74.8%)成为优势丙酸氧化菌群.当p H￡6.0时,S.propionica和P.propionicum演替为优势丙酸氧化菌,表明这两种丙酸氧化菌具有较强的耐酸性.当p H￡6.0时,丙酸氧化菌总数随pH降低而明显减少,这可能是厌氧反应器在酸性条件下发生丙酸积累的根本原因之一.     

低浓度Cr(Ⅵ)对颗粒化强化生物除磷(EBPR)系统的影响及系统恢复研究

低浓度Cr(Ⅵ)对颗粒化强化生物除磷(EBPR)系统长期暴露的试验结果表明,Cr(Ⅵ)投加浓度≤0.3 mg·L-1时,系统磷酸盐及COD去除率基本不受影响;而当Cr(Ⅵ)浓度高于0.3 mg·L-1时,系统除磷及除COD能力逐渐丧失.聚磷菌(PAOs)对Cr(Ⅵ)的毒性敏感性大于聚糖菌(GAOs)和其他菌.当Cr(Ⅵ)浓度高于0.3 mg·L-1时,聚磷菌占系统全菌的比例从84.26％下降到38.40％,聚糖菌比例则从8.04％上升为28.16％,其他菌的比例从7.70％上升到33.44％.这说明在Cr(Ⅵ)毒性作用下,聚磷菌的减少是导致颗粒化EBPR系统除磷能力丧失的主要原因.相关性分析结果表明,系统菌体内Cr浓度与系统磷去除及COD去除效率均呈显著负相关关系,说明Cr在菌体内累积是导致颗粒化EBPR系统磷酸盐和COD去除效率下降的重要原因.此外,受到Cr(Ⅵ)冲击的颗粒化EBPR系统,其磷酸盐和COD去除率在15d之内均可恢复至毒性试验前水平,且最终聚磷菌能够重新成为系统内的优势菌群.     

COD/SO_4~(2-)值对硫酸盐还原率的影响

研究利用 UASB反应器考察了 COD和硫酸盐浓度的比值对硫酸盐还原的影响 ,同时分析了硫酸盐还原菌和产甲烷菌对COD的竞争情况 .发现在 HRT为 3.8h,SO2 -4 负荷为 6～ 7kg· ( m3· d) - 1 ,SO2 -4 浓度为 1 0 0 0 mg· L- 1 条件下 :1在 COD不足时 ,SRB与 MPB在竞争中占微弱优势 ;对于产甲烷活性比较好的厌氧污泥要经过较长的时间 ,SRB才能确立优势菌种的地位 .2 COD/ SO2 -4 比值决定了 SO2 -4 的去除率 .比值等于 2时 ,SO2 -4 的还原率在 95%以上 ;当比值为 1 .5时 ,SO2 -4 还原率为 75% ;当比值为 1时 ,SO2 -4 的还原率为 60 % .     

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.     

复合底物对颗粒化EBPR系统除磷特性的影响及优化试验研究

以成熟除磷颗粒污泥为基础,基于获得的最佳混合碳源配比,通过正交试验研究了复合底物[m(C)/m(N)/m(P)]对颗粒化EBPR系统稳定过程除磷特性的影响.结果表明,R2[m(C)/m(N)/m(P)=400∶10∶5]、R3[m(C)/m(N)/m(P)=600∶10∶10]、R5[m(C)/m(N)/m(P)=400∶20∶15]系统发生了丝状菌颗粒污泥膨胀;R6[m(C)/m(N)/m(P)=600∶20∶5]系统因出现大量颗粒碎片导致沉降性能变差,待颗粒碎片排出系统后恢复正常.R3、R8[m(C)/m(N)/m(P)=400∶30∶10]、R9[m(C)/m(N)/m(P)=600∶30∶15]系统的颗粒粒径从初始的0.8 mm逐渐下降至0.3 mm,其余系统则与初始相差不多.R1[m(C)/m(N)/m(P)=200∶10∶15]、R4[m(C)/m(N)/m(P)=200∶20∶10]和R7[m(C)/m(N)/m(P)=200∶30∶5]系统在厌氧段消耗了95%的COD,释磷/吸磷速率分别在60～100 mg·(g·h)-1、60～80 mg·(g·h)-1、40～60 mg·(g·h)-1的范围内波动,且相对稳定,但其余系统的COD由主要在厌氧段消耗逐渐变为在好氧段消耗,释磷/吸磷速率亦逐渐下降,甚至有系统下降至0 mg·(g·h)-1.R1～R9系统的磷酸盐平均去除率分别是83.5%、52.8%、7.1%、96.7%、19.7%、72.2%、79.7%、28.1%和48.7%.对正交试验结果应用方差分析,获得适合颗粒化EBPR系统稳定运行的最佳复合底物条件是m(C)/m(N)/m(P)=200∶20∶15.     

基于聚糖菌和聚磷菌竞争的代谢模型及影响因素

聚糖菌的富集已成为造成EBPR强化生物除磷系统非稳定运行的重要因素之一.本文基于活性污泥数学模型ASM.2D的生物除磷代谢模型,围绕化学计量学和动力学阐述了聚磷菌PAOs胞内糖原的代谢途径以及聚糖菌GAOs在厌氧和好氧条件下的代谢模型,揭示了2类微生物的竞争本质.同时,对比分析了影响代谢模型化学计量学参数的若干因子,如碳源类型、温度、pH条件和污泥龄SRT等;结果发现,这些因素对PAOs和GAOs的代谢模型系数具有重要的影响作用,并进而决定着2类微生物的竞争优势.此外,针对目前对两类微生物的竞争主要集中于厌氧代谢的现状,提出今后的研究重点应放在好氧/缺氧机理方面.