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.     

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.     

乙酸/丙酸作为EBPR碳源的动力学模型研究(Ⅲ)——模型的应用

采用基于SCFAs代谢的动力学模型,模拟了不同碳源类型和不同m(P)/m(COD)对聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)竞争的影响.结果表明,以乙酸作为唯一碳源时,EBPR中的微生物种群结构基本保持反应器初始状态的生物组成,PAO或GAO都无法取得明显的竞争优势.但是,在进水中添加丙酸有利于PAO成为优势微生物,当丙酸占总酸的质量分数达到33%以上时,EBPR趋于稳定.当m(P)/m(COD)<0.01时,即使丙酸作为EBPR的碳源,GAO仍占(PAO+GAO)总量的95%以上.为了使PAO占有优势,进水m(P)/m(COD)应该控制在0.04～0.10之间.     

常温厌氧好氧环境下聚磷菌PAO Ⅱ的除磷特性及污泥特征

在常温厌氧好氧环境下,使用实验室规模的SBR强化生物除磷反应器,高度富集了聚磷菌子类PAO Ⅱ,深入研究了高度富集PAO Ⅱ反应器的除磷特性、代谢特征以及污泥特征。结果表明:富集96%PAO Ⅱ的污泥厌氧磷释放与乙酸摄取比为0.25,仅为经典PAO代谢模型中报道值的1/2;污泥为不规则、相对松散、粒径细小的颗粒状;污泥颗粒的刚度为30 m N,Maxwell模型对机械力变化情况拟合较好。试验结果有助于深入研究不同聚磷菌子类的特征及代谢性能,传统PAO代谢模型应针对不同PAO子类进一步修正和完善。     

生物除磷机理与数学模型的探讨

概述了生物除磷在厌氧、缺氧和好氧条件下的反应机理，并基于对反硝化聚磷力的认识将现有除磷数学模型发展划分为两个阶段。基于除磷数学模拟所包含的涉磷组分、计量学参数、动力学参数以及生物衰减理论等对两阶段模型进行了较为详细的介绍和比较，认为Delft模型是现有模型中比较完善的，并提出今后发展除磷数学模型应重点解决的问题。     

倒置AAO工艺聚磷微生物的吸磷行为

采用人工配水和市政污水研究了“缺氧-厌氧-好氧”(倒置AAO)脱氮除磷工艺中,聚磷微生物(PAOs)在低碳源、高硝酸盐环境下的释磷和吸磷行为.结果表明,在低碳源、高氮和磷环境中,尽管PAOs在缺氧厌氧段释磷程度低,如果适当延长厌氧段和好氧段的HRT、且好氧曝气较充分,仍能超量吸收磷.PAOs过量吸磷的能量来源不仅仅是厌氧段吸收与合成的胞内聚合物在好氧段的氧化,还来自好氧环境正常代谢过程中多余的能量.外加碳源的投加时间点对PAOs吸磷的影响不显著.PAOs在厌氧段后期出现过量吸磷现象,推测是细胞内有机物厌氧降解产生的ATP通过某种代谢途径被用于无机磷的吸收.     

O_2、NO_3~-、NO_2~-为电子受体的生物除磷比较

通过平行运行3个分别以O2、NO-3、NO-2为电子受体的SBR除磷系统,探讨了反硝化除磷区别于好氧除磷的工艺特征及其内在微生物竞争机制.NO-2不会对经驯化后反硝化聚磷菌(DPAO)的缺氧吸磷产生直接抑制作用,但其作为反硝化除磷电子受体的效能远低于NO-3;具备利用NO-3而缺乏NO-2反硝化酶系的DPAO(DPAO5)流失及聚糖菌(GAO)增殖是根本原因.而NO-3是一种高效电子受体,其反硝化除磷效能与以O2为受体的好氧除磷系统相当,两者在除磷计量学和功能菌群构成上十分接近.作为聚磷菌(PAO)的竞争者,GAO在3个研究系统中均大量存在.基于对不同电子受体的利用能力,PAO包含PO、PN、Pn、PNn、PON、PONn等6个种类.PON和PONn等兼性PAO是生物除磷的主体,其在污泥中比例越高,系统的除磷负荷也越大,即SBRo＞SBRn5＞SBRn3.     

厌氧消化1号模型(ADM1)简介

介绍了2002年2月国际水质学会(IWA)推出的厌氧消化1号模型(ADM1).该模型主要描述了厌氧消化中的生化和物化过程,共涉及厌氧体系中的七大类微生物、19个生化动力学过程、3个气液传质动力学过程,共有26个组分和8个隐式代数变量,能够对厌氧生物处理工艺进行较好的预测和模拟.ADM1还提供了开放的建模平台以及与活性污泥模型(ASM)的接口,可广泛应用于对各种厌氧-好氧组合工艺的过程模拟.      

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。     

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.     

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.      

污染物双氯芬酸对生物除磷的潜在影响及机理分析

双氯芬酸(DFC)作为消炎止痛药物被广泛使用,从而在环境中大量释放。探究了DFC对生物除磷的影响及其机理。结果表明低浓度DFC对生物除磷影响不明显,而高浓度DFC会严重抑制生物除磷。当ρ(DFC)为5 mg/L时,生物除磷效率仅为51%。研究发现高浓度DFC可抑制厌氧释磷,好氧吸磷以及胞内聚合物聚羟基烷酸酯(PHA)的合成。此外,高浓度DFC对生物除磷关键酶具有严重抑制作用。当ρ(DFC)为5 mg/L,反应系统中聚磷菌(PAO)的相对比例仅为19%,远小于空白实验组。     

好氧颗粒污泥同时脱氮除磷实时控制的研究

为实现以厌氧/好氧方式处理生活污水常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥(AGS)工艺的实时控制,研究了冬季低温条件下磷负荷变化对系统同时脱氮除磷的影响及DO、pH值和ORP的变化规律;并通过静态实验研究了同时脱氮除磷AGS中聚磷菌(PAO)的组成.结果表明,DO、pH值和ORP的特征点对应反硝化结束、厌氧放磷结束、吸磷结束以及硝化结束等阶段,可以作为AGS同时脱氮除磷的实时控制参数.同时脱氮除磷AGS中,以氧作为电子受体的PAO能够去除总磷酸盐的14.19%;以氧和NO3--N作为电子受体的PAO能够去除总磷酸盐的74.32%;以氧、NO3--N和NO2--N作为电子受体的PAO能够去除总磷酸盐的11.47%.在好氧条件下AGS可以实现同时硝化、反硝化、好氧吸磷和反硝化吸磷.     

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.     

温度对聚磷菌活性及基质竞争的影响

本研究以30℃高温条件下稳定运行的强化生物除磷(EBPR)反应器的污泥为对象,探讨温度对高温聚磷菌(PAOHT)活性及基质竞争能力的影响.结果表明,在15~30℃温度范围内,PAOHT的活性以及对基质的竞争能力随温度升高不断增强,当温度为30℃时,PAOHT的厌氧释磷(以P/VSS计)、好氧吸磷(以P/VSS计)以及乙酸吸收速率(以HAc/VSS计)分别为239.46、79.90、357.47 mg·(g·h)~(-1),对应的ΔP/ΔHAc为0.628,均高于常温PAO.利用简化的阿伦尼乌斯公式对不同温度下试验污泥的厌氧释磷、好氧吸磷和乙酸吸收速率进行拟合,得出其温度系数分别为1.08、1.07和1.05.     

聚磷菌厌氧时吸收乙酸和丙酸的代谢模型

水体中存在过多的磷是造成水体富营养化的重要原因之一,聚磷菌（polyphosphate accumulating organisms）因为能过量吸收磷而倍受关注。厌氧时,聚磷菌能大量吸收污水中的挥发性脂肪酸,经过一系列的生化反应,为好氧吸磷做准备。经过总结在厌氧条件下,聚磷菌Accumulibacter吸收乙酸和丙酸代谢转化的化学计量方程,并对模型中系数、还原力的产生、糖原降解途径以及厌氧条件下最终产物PHA的组成进行了讨论,得出挥发酸是通过主动运输进入细胞,且糖原经过ED途径提供还原力,多聚磷酸盐水解提供ATP和释放磷酸盐于体外,最终产生PHA的假设过程。但是,经过众多模型试验,一些假设仍没有得到最后的结论,所以应该进一步用富集程度较高的污泥进行精确研究。本文最终希望利用聚磷菌的代谢模型在工程运用中发挥最大效用。     

Ni~(2+)对生物除磷性能及微生物的影响

在序批式反应器中探究了污染物Ni~(2+)对生物除磷性能及微生物的影响。结果表明:Ni~(2+)对生物除磷性能的影响与Ni~(2+)的浓度有关,低浓度Ni~(2+)对生物除磷性能影响不明显,而高浓度Ni~(2+)抑制生物除磷。当Ni~(2+)的浓度由0增加至10.0 mg/L时,生物除磷效率由92.3%下降至12.5%。此外,Ni~(2+)同样抑制厌氧释磷、好氧吸磷、有机质去除和内聚物合成。微生物种群分析表明,Ni~(2+)能够减少聚磷菌(PAO)的相对丰度,增加聚糖菌(GAO)的相对丰度。     

强化生物除磷过程中厌氧合成PHA代谢机制的最新研究进展

聚羟基链烷酸酯(PHA)是许多微生物在不平衡生长条件下合成的一类可作为细胞碳源和能源的物质。PHA代谢已被证明是影响生物脱氮除磷尤其是强化生物除磷功能的一个关键过程。本文综述了强化生物除磷系统中厌氧合成PHA代谢机制的最新研究进展。首先,重点介绍了聚磷菌和聚糖菌利用不同碳源厌氧合成PHA的代谢机制以及合成PHA的还原力和能量来源问题;然后对聚磷菌和聚糖菌合成PHA的代谢机理及其化学计量学进行了对比分析;最后,针对强化生物除磷机理和PHA厌氧代谢机制研究进展缓慢这一现状,指出了今后PHA还原力和能量产生机制的研究可能是完善强化生物除磷机理的关键点和突破口之一。     

同步反硝化聚磷的试验研究

采用SBR反应器和人工合成废水研究了同步反硝化聚磷的条件和影响因素.试验结果表明,厌氧/好氧方式下驯养的生物除磷污泥,在厌氧期之后供给硝酸盐,则污泥可以很快实现同步反硝化聚磷.聚磷前厌氧阶段的存在是实现反硝化聚磷必不可少的重要前提.在没有NO₃^-干扰而且乙酸钠为唯一碳源下,最佳厌氧时间为60min.先于缺氧期微生物接触硝酸盐,会使反硝化聚磷减弱甚至丧失.缺氧段NO₃^--浓度是影响反硝化聚磷效果的因素之一.在厌氧(2h)-缺氧(1h)-好氧(2h)的试验条件下,当NO₃^--N浓度由5mg/L上升至20mg/L时,其反硝化聚磷效率由11.9%上升至48.7%.但NO₃^--N浓度提高到了20mg/L以上时,其效率提高得不很明显.好氧段的存在不会使诱导形成的反硝化聚磷消失,但缩短好氧时间有助于提高DNPA在除磷中的比例.     

不同电子受体生物除磷系统的运行效能对比

通过平行运行2个分别以O2、NO-3为电子受体的SBR除磷系统,探讨了反硝化除磷区别于好氧除磷的工艺特征、菌群特征和污泥产率系数。通过批次试验分别考察了SBR o(厌氧/好氧)污泥和SBR n5(厌氧/缺氧)污泥吸磷特性。根据所用电子受体的不同,P O、P N、P Nn、P ON、P ONn等不同PAO被两个SBR系统筛选和富集;各系统根据自身电子受体不同而生长专一性强的PAO种类,其中P ON和P ONn等兼性PAO是SBR o系统中生物除磷的主体,P N、P Nn是SBR n5系统中生物除磷的主体;系统中兼性PAO比例越高、PAO种类越丰富,越利于除磷系统的稳定,除磷容量也越高;实验结果表明,在不同的电子受体(O2、NO-3)条件下,真实产率Y H具有显著的不同,SBR o和SBR n5的Y H分别是0.61,0.52 mg/mg,这是由于不同电子受体需要不同的微生物种群,其细胞产率不同。不过其表观产率Yobs的差异并不显著,这是由于好氧污泥的内源呼吸作用更强,有更多的污泥衰减。