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.     

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。     

Tetrasphaera聚磷菌研究进展及其除磷能力辨析

强化生物除磷（EBPR）工艺在污水脱氮除磷中扮演着重要角色，其机理研究与工程应用也较为成熟.长期以来，Accumulibacter菌属（A菌）作为EBPR工艺最主要的聚磷菌（PAOs）已被广泛接受.同时，具有聚磷能力的Tetrasphaera菌属（T菌）亦被发现，且在某些特定环境下其丰度甚至远高于A菌，进而引发业内一定的关注.本文通过对T菌发现、研究过程的梳理，总结了关于T菌丰度、代谢途径及影响其活性的因素等方面的研究成果.与A菌不同，T菌代谢途径具有多样性，可依赖发酵代谢进行细胞维持和增殖，其发酵产物甚至可以供给A菌利用.T菌可利用大分子有机物（如葡萄糖、氨基酸等）和VFAs（亲和性较低）进行厌氧释磷，继而完成好氧、甚至缺氧吸磷过程.T菌主要菌株（T.elongata）因缺少合成PHA相关酶基因而不能以PHA作为内聚产物在厌氧环境下储能；糖原和游离氨基酸被检测到可作为T菌的能源/碳源内聚物，但亦有结果相左的研究.借助于拉曼光谱技术，一些污水处理厂中T菌与A菌被证实对磷去除的贡献大小相当.总之，目前对T菌的研究还十分有限，现有研究仍不足以证明它们在EBPR中可稳定发挥除磷贡献.今后应在T菌不同代谢途径控制因素及所需环境条件方面进行深入研究，以确认T菌可否持续、稳定地实现除磷作用.     

增强生物除磷系统中微生物及其代谢机制研究进展

阐述了增强生物除磷系统中两种重要微生物——聚磷菌和聚糖菌的厌氧-好氧代谢的基本原理,着重介绍了几种典型的聚磷菌和聚糖菌,以及这两类微生物的生长环境、分离纯化方法和探针序列的最新进展,接着进一步分析了聚磷菌和聚糖菌基于乙酸、丙酸和混合酸作为碳源的厌氧代谢模型及物质转化关系,最后对增强生物除磷的研究方向进行了展望。     

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.     

潮汐流人工湿地中生物蓄磷的强化及其稳定性

通过改进潮汐流人工湿地(TFCW)的运行方式,开展了TFCW中生物蓄磷作用的强化及其稳定性研究.结果表明,两段进水潮汐流运行方式有利于TFCW中聚磷菌群(PAOs)的富集,进而可强化湿地中的生物蓄磷作用;采用周期性补充碳源的磷移除操作可诱导生物膜中的PAOs充分释磷,避免系统中磷素的过量积累,同时可增加PAOs胞内内源性碳源的含量,强化系统中的生物蓄磷作用并有利于系统除磷效果的稳定;当生物蓄磷/碼移除(PB-PH)周期时长为30d时,TFCW在生物蓄磷过程中的磷素去除率可达96.04%,而其在磷移除过程中的磷素移除率和补充碳源利用率亦分别可达70.45%和98.22%.此时,PAOs的过量吸磷作用成为湿地系统除磷的主要途径.     

高海拔温度变化对活性污泥中磷去除及相关代谢途径的影响

基于高原生境下A²O工艺,探讨不同温度条件下厌氧、缺氧和好氧3个反应器的除磷性能,讨论了优势聚磷酸盐累积生物(PAOs)和糖原累积生物(GAOs)以及相关代谢途径中基因对温度变化的响应情况.结果表明,在20℃时磷去除效果最佳(82.99%～88.39%),但低于平原地区同工艺研究下的除磷性能.通过分析优势微生物PAOs和GAOs群落结构发现,GAOs不具竞争优势,不随温度的升高而增强.在10℃时存在污泥膨胀和在25℃时不利于PAOs生长的环境条件下,不动杆菌属(Acinetobacter)(PAO)、脱氯单胞菌属(Dechloromonas)和氢嗜胞菌属(Hydrogenophaga)(反硝化PAOs)在缺氧反应器中相对丰度较高,对缺氧反应器中的磷去除率的提高具有一定的贡献.此外,研究确定了糖酵解(EMP)是葡萄糖代谢的主要途径.多羟基戊酸盐(PHV)的主要合成途径是Propionyl-Co A.厌氧和好氧反应器所需ATP均主要来源于三羧酸循环(TCA cycle)途径.     

市政污水处理厂生物除磷运行效能与机理分析

选取浙江北部10个污水处理厂,调研污水厂生物除磷的运行效能并开展污泥活性以及微生物分布特征及其除磷机理的研究.通过活性污泥批试验表明,厌氧释磷率和好氧聚磷率(以P计)平均为2.4mg/(g·h)和2.2mg/(g·h);反硝化聚磷菌(DPAOs)占聚磷菌(PAOs)的比例为0.0%～80.1%.荧光原位杂交法(FISH)对活性污泥微生物群落结构分析表明,聚磷菌(PAOs)比例为2.0%～8.7%,聚糖菌(GAOs)比例为1.3%～22.4%.根据调查结果和生物除磷性能研究,可通过调整污水营养成分和设置独立前置反硝化池等方法改善除磷效果.     

游离氨对EBPR系统聚磷菌活性抑制动力学

在强化生物除磷系统中,游离氨(FA)是影响聚磷菌(PAOs)生物除磷效果及微生物种群特性的重要因素之一。该试验以富含PAOs的活性污泥为研究对象,基于批次试验,考察不同FA浓度对EBPR系统除磷性能的影响,同时拟合了3种非基质抑制动力学模型(Andrew模型、Hellinga模型、Vadivelu模型)。试验结果表明：EBPR系统中Ca.Accumulibacter和Tetrasphaera菌属的相对丰度分别为2.65%和1.71%,是PAOs群落中主导的菌属。此外,当0 mg/L≤FA≤0.2 mg/L时,FA对PAOs的释磷过程和吸磷过程产生促进作用,当0.2 mg/L≤FA≤50 mg/L时,FA显著地抑制了PAOs的释磷过程和吸磷过程,且吸磷过程受抑制程度更强。最后,统计学参数分析发现,相对于Andrew和Vadivelu模型,Hellinga模型最适合描述FA对PAOs活性的抑制影响,获得了动力学常数。厌氧释磷过程：最大比释磷速率(r_max,AN)为(17.6±0.5) mg/(g VSS·h),抑制常数(K_I,AN)为(25.6±...     

生物除磷系统的聚磷微生物种群及其检测方法

总结了强化生物除磷(EBPR)系统中的聚磷菌微生物学的研究成果,介绍了聚磷菌所涉及主要菌群的菌属分类情况及其生物特性,阐述了EBPR系统内聚磷菌微生物学研究的各种分离鉴定技术的特点,包括传统的微生物纯培养技术、染色与光学显微镜技术,现代分子及其扩展技术及组合技术等,并分析了各分子生物技术的应用情况。重点介绍了以Accumulibacter为主的聚磷菌形态学和代谢特性方面取得的研究进展,并对今后聚磷菌微生物学的研究和发展方向进行了论述。     

脉冲SBR工艺短程脱氮的实现及对除磷的强化

采用脉冲进水缺好氧交替工艺(SAOSBR)处理低C/N实际生活污水,考察了短程脱氮对于低碳源生活污水同步脱氮除磷效果的强化作用,并分析了短程脱氮强化生物除磷的机理.结果表明,通过短时的饥饿处理配合缺好氧交替的运行方式实现了系统的短程硝化,亚硝酸盐积累率稳定在95%以上.短程的实现还强化了系统的同步脱氮除磷效果,总氮和磷的平均去除率相比于全程脱氮过程分别提高了约6%和36%.分析表明短程强化生物除磷的原因主要是由于残留的NO2-对聚磷菌厌氧释磷的影响较小.静态试验也证实,在碳源不足的条件下,以NO2-为电子受体的反硝化作用相比于NO3-可以减弱反硝化菌与聚磷菌之间的碳源竞争,从而提高聚磷菌的厌氧释磷量和聚羟基烷酸(PHA)的合成量.因此,在处理低C/N生活污水时,短程脱氮的实现更有利于系统的生物除磷.     

A2O工艺和A2O+BCO工艺的脱氮除磷性能比较

以实际低C/N生活污水为研究对象,依次分别采用A²O工艺和A²O+BCO（生物接触氧化）工艺考察系统的脱氮除磷性能.试验在进水负荷和运行参数基本维持不变的情况下运行134d.结果表明,相对于A²O系统,A²O+BCO系统由于采用双污泥工艺,硝化菌和聚磷菌（PAOs）污泥龄分离,同时反硝化除磷"一碳两用",碳源利用率更高,TN和TP去除率分别提高了18%和28%.其次FISH试验表明,在稳定运行的A²O+BCO工艺中,PAOs比例为22%,远远超过A²O中7%的比例,从微生物角度证明了脱氮除磷效果好的原因.     

城市污水处理厂氧化沟工艺微生物种群分析

应用荧光原位杂交技术(fluorescent in situ hybridization,FISH)对我国北方某城市污水处理厂氧化沟工艺中的微生物进行种群分析,考察系统活性污泥中聚磷菌(phosphorus accumulating organisms,PAOs)和聚糖原菌(glycogen accumulatingorganisms,GAOs)的种群结构特点及其空间分布变化关系.结果表明,厌氧池、氧化沟缺氧区和好氧区中PAOs占全菌百分比分别为2.0%±0.6%、3.4%±0.6%和3.5%±1.2%;GAOs所占全菌百分比分别为25.3%±8.7%、30.3%±7.1%和24.4%±6.1%.该厂氧化沟工艺PAOs含量低于已报道其他脱氮除磷系统水平(7%～22%),其除磷性能较差.数据统计分析显示,氧化沟缺氧、好氧区中PAOs含量相对于厌氧池有显著上升,而GAOs含量沿程变化不大.     

富磷污泥厌氧发酵过程中乙酸浓度对磷释放的影响

以强化生物除磷(EBPR)污泥为研究对象,考察了不同初始乙酸浓度条件下富磷污泥厌氧发酵过程中磷及相关指标的变化,并探讨释磷机制.结果表明:初始乙酸浓度对污泥最大释磷量影响不大,(73.1±2.2)%的污泥总磷量(TP)以磷酸盐的形式释放到液相中,其主要来自聚磷的分解.聚磷的分解途径包括:1)聚磷菌(PAOs)通过吸收乙酸贮存聚β-羟基烷酸酯(PHA)的厌氧生物释磷机制释放磷酸盐;2)PAOs的维持作用导致的聚磷直接分解过程.当初始乙酸浓度不充足时,生物释磷过程受限制,聚磷以相对较慢的速率直接分解;随着乙酸浓度的增大,生物释磷速率增快,同时随之增加的PHA含量能促进污泥的水解酸化.上清液中PO43--P和Mg2+浓度在达到最大值后出现了下降的现象,其可能形成鸟粪石等沉淀.根据试验数据,本文提出了从富磷污泥中回收磷的策略,即可在厌氧消化开始前向污泥中投加一定量碳源,并在发酵24h内分离上清液进行磷回收,这样不仅可以快速大量地从上清液中回收磷并减少沉淀引起的管道堵塞等问题,还可消除高浓度磷酸盐对厌氧消化的影响.     

强化生物除磷体系中反硝化聚磷菌的选择与富集

采用SBR反应器 ,对以硝酸盐作为电子受体的反硝化聚磷菌的选择和富集作了研究 .结果表明 ,反硝化聚磷菌存在于传统的强化生物除磷体系之中 .经过 3个阶段的选择和富集 ,反硝化聚磷菌在聚磷菌中的比例从 15 %上升到 73% .稳定运行的强化反硝化生物除磷体系具有良好的强化生物除磷和反硝化脱氮性能 ,缺氧结束时体系中磷浓度小于 1mg L ,除磷和脱氮效率分别大于 94 %和 95 % .     

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.     

微生物聚磷及其酶学调控

本文论述了微生物细胞内磷酸盐转运机制和与聚磷相关的酶—PPK、PPX及两者对微生物聚磷行为的调控,并对今后研究重点做出展望.论文认为对于微生物聚磷的研究应从纯种微生物转移到强化生物除磷系统的混合微生物菌群,运用分子生物学和生物信息学手段分析聚磷优势菌种的PPK和PPX酶的结构特征及其在活性污泥中的变化规律,进一步深入认识生物除磷调控机理,开辟寻求提高系统除磷效率的新途径.     

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。     

生物除磷系统启动期聚磷菌的FISH原位分析与聚磷特性

应用FISH对以乙酸钠为碳源的强化生物除磷 (EBPR) SBR反应器启动期的微生物进行原位分析,考察除磷生态系统形成过程中聚磷菌种群结构、空间分布关系动态变化及其聚磷特性.结果表明,以异养菌为主的活性污泥经过厌氧/好氧驯化后,聚磷菌大量富集,在全菌中的比例由11.5%增加到40.48%.启动过程中,生物系统内菌群竞争持续进行：首先,聚磷菌淘汰异养菌,历时5 d;聚磷菌种群内选择过程历时19 d;经过优势聚磷菌群的二次增长后,共计34 d完成生物除磷系统的启动.富集过程中快速增殖的聚磷菌不能立刻行使除磷能力,要有一段“积累期”形成一定的PHA和poly-P储备.表现为污染物去除效率滞后于聚磷菌的增殖,经过4～8 d的 “积累期”后上升出现峰值.二次增长的优势聚磷菌群也经过“积累期”后才发挥作用.FISH图片显示,快速增殖期的聚磷菌菌体小,菌群结构松散.经过“积累期”之后,菌体不断增大,并开始紧密聚集形成致密的团状,此时反应器处理效率较高.     

强化生物除磷体系中的反硝化除磷

 采用SBR反应器,研究了以硝酸盐作为电子受体的反硝化除磷过程.结果表明,反硝化聚磷菌存在于传统的强化生物除磷体系中.厌氧段磷的释放和COD的消耗成线性关系.通过厌氧/好氧交替运行方式,反硝化聚磷菌在聚磷菌中的比例从13.3%上升到69.4%.稳定运行的厌氧/缺氧SBR反应器具有良好的强化生物除磷和反硝化脱氮性能,缺氧结束时体系中磷浓度小于1mg/L,除磷效率大于89%.