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.      

pH对低温除磷微生物种群与聚磷菌代谢的影响

在5°C条件下通过运行SBR生物除磷反应器和静态实验考察pH对低温生物除磷系统的影响。pH不仅影响生物除磷反应器的性能,而且也会影响生物除磷系统的微生物种群结构。在pH为6的条件下长期运行的生物除磷系统中聚糖菌大量存在;而在中性(pH=7)和弱碱性(pH=8)条件下,聚磷菌在活性污泥中占有优势地位。静态实验结果表明,当pH在6⁸.5之间变化时,聚磷污泥的厌氧释磷能力随pH的升高而提高。pH在68.5之间变化时,聚磷污泥的厌氧释磷能力随pH的升高而提高。pH在6⁸之间变化时,乙酸吸收和PHB的合成能力随着pH升高而加强,当pH升高到8.5时,PHB合成能力下降,从而抑制了好氧段磷酸盐的吸收。pH为8时,生物除磷系统实现了充分的释磷和吸磷,并取得了最好的除磷效果。     

模拟光伏曝气SBR除磷性能及其聚磷菌群落结构

基于村落生活污水排水、日光昼夜变化和SBR(序批式反应器)运行方式的特点及强化生物除磷所需的交替厌氧/好氧环境,采用模拟光伏曝气SBR处理生活污水,考察反应器的除磷效果及机理,并采用PCR(聚合酶链式反应)和TA克隆考察反应器内PAO(聚磷菌)的群落结构. 结果表明,反应器在12 d内成功启动,TP去除率从35.4%逐渐升至98.8%,此后TP去除率一直稳定在97%以上,出水ρ(TP)小于0.1 mg/L. 在反应段末期,反应器污泥中w(TP)达60 mg/g以上,其中w(complex-P)(complex-P为胞内聚合磷)达到55.0 mg/g,而w(EPS-P)(EPS-P为胞外聚合物结合磷)所占比例<10%,表明EPS吸附对除磷的贡献很小,除磷主要通过PAO的释磷/吸磷过程实现. 所有PAO均属于“Candidatus Accumulibacter”世系,Ⅱ型Candidatus Accumulibacter(包括Clade ⅡA-Clade ⅡD)是反应器内主要的PAO,其在3个克隆文库(d30、d60、d90)中所占比例分别为80.0%、80.0%和76.7%.      

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。     

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。     

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.     

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.     

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。     

生物脱氮除磷技术及其发展趋势

文章系统地概述了废水生物脱氮除磷的机理，分析了城市污水生物脱氮除磷的成熟工艺技术，阐明A2／O系列、SBR系列和氧化沟系列的工艺流程和脱氮除磷的作用，探讨了城市污水生物脱氮除磷技术在碳源需求、短程生物脱氮和反硝化聚磷菌等方面的发展趋势。     

生物强化除磷机理的探讨

对生物强化除磷(EBPR)的机理进行了探讨。首先介绍了聚磷菌胞内贮存物(聚磷、PHAs和糖原)的性质和功能,然后对这些贮存物在厌氧和好氧(缺氧)情况下的反应加以分析。旨在从能量转化的角度对EBPR过程加以阐述,加深对生物除磷机理的认识。     

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.     

污染场地地下水抽出处理技术研究

地下水污染控制与修复是场地修复的重点内容。我国在地下水污染控制与修复领域尚处于起步阶段,简述了我国地下水污染场地类型、污染特点以及国外地下水污染控制与修复的主要技术,重点研究整理了国外最为常用的地下水修复技术,即抽出处理技术的技术原理、适用条件、技术优势和限制条件,以及系统设计与运行重点关注内容,为我国的地下水污染控制与修复技术研究和工程实践提供参考。     

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。     

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.     

SPNED-PR系统内PAOs-GAOs的竞争关系及其氮磷去除特性

为研究同步短程硝化内源反硝化除磷（SPNED-PR）系统的脱氮除磷特性及系统内聚磷菌（PAOs）和聚糖菌（GAOs）在氮磷去除的贡献和竞争关系,本研究以实际低C/N比（4左右）生活污水为处理对象,考察了不同浓度的溶解氧（DO）（0.5~2.0mg/L）、NO₂^--N（4.7~39.9mg/L）和NO₃^--N（5.0~40.0mg/L）对延时厌氧（150min）/低氧（180min,溶解氧0.5~0.7mg/L）运行的SPNED-PR系统氮磷去除特性和底物转化特性的影响.结果表明,DO浓度均不影响PAOs和GAOs的好氧代谢活性,且两者之间几乎不存在DO竞争.不同NO₂^--N浓度条件下,GAOs较PAOs更具竞争优势,NO₂^--N主要是通过GAOs去除的（约占58%）;且GAOs所具有的高内源反硝化活性和亚硝耐受力,减弱了高NO₂^--N浓度（26.2~39.9mg/L）对PAOs反硝化吸磷的抑制,保证了系统的脱氮除磷性能.不同NO₃^--N浓度条件下,PAOs较GAOs处于竞争优势,其在NO₃^--N去除中的贡献比例达61.2%.此外,SPNED-PR系统的PUR_DO > PUR_nitrate > PUR_nitrite,PAOs对DO的优先利用保证了低氧条件下系统的高效除磷,且GAOs的内源短程反硝化特性保证了系统的高效脱氮.     

反硝化聚磷菌的筛选及脱氮除磷特性

为进一步研究反硝化聚磷菌的机理和性能,对经过SBR反应器富集驯化后的污泥进行实验研究。采用吸磷实验、硝酸盐还原产气实验、革兰氏染色及异染颗粒染色等方法,筛选得到N10、N17和N20 3株菌株;经过16S r DNA的测序鉴定,建立系统发育树,确定3株菌株均为气单胞菌属。绘制3株菌株的生长曲线,并进行厌氧/缺氧和厌氧/好氧静态实验,发现N10和N17菌株在两组实验中均具有较好的脱氮除磷效果,O2和硝酸盐均可作为电子受体;N20菌株仅在厌氧/缺氧实验中表现出脱氮除磷效果,仅可利用硝酸盐作为电子受体。     

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.     

生物除磷生化代谢模型的研究进展

阐述了在生物除磷过程中生化代谢模型的建立与发展,分别介绍了早期的Comeau/Wentzel模型和Mino模型,在生物除磷代谢模型发展上有重要意义的Smolder模型和Delft模型,以及目前较被关注的反硝化除磷模型和国际水协(IWA)提出的ASM2和ASM2D模型.从而提出将生物除磷模型同化学除磷模型相结合,与在线监测技术发展融合,并且在模型中加入更多的环境因素将是生化除磷模型的主要发展方向.