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。     

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.     

聚磷菌发生代谢迁移的环境因子及机理分析

聚磷菌(PAOs)是强化生物除磷工艺中发挥除磷作用的主要功能微生物,其代谢行为决定了除磷系统的稳定性及最终除磷效果.为了适应外界环境变化,聚磷菌会发生由聚磷代谢模式向聚糖代谢模式的代谢迁移.本文阐述了PAOs代谢迁移的机理,对可能引起聚磷菌代谢迁移的环境因子如进水磷浓度、金属离子、p H值、温度等进行了总结,并分类叙述了不同类型的PAOs种类发生代谢迁移的差异化原因,以期为PAOs在强化生物除磷工艺中的应用提供参考.     

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。     

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.     

聚磷菌与聚糖菌竞争影响因素的研究进展

根据国内外文献的有关报道,综述了在强化生物除磷系统中聚糖菌与聚磷菌相互竞争的有关影响因素,并指出了今后的研究方向。     

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。     

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%.     

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.     

不同乙酸浓度对聚磷菌厌氧释磷的影响

采用SBR工艺培养生物强化除磷活性污泥,通过厌氧批式试验对反应器中的高效除磷好氧颗粒污泥进行厌氧乙酸吸收动力学研究。结果表明：聚磷菌对乙酸吸收速率不受乙酸浓度影响,但受胞内聚磷浓度影响。当胞内聚磷浓度低于60mg—P／g—VSS时,乙酸吸收速率与聚磷浓度呈Monod关系。进而求出了聚磷菌吸收乙酸的动力学方程,其中最大乙酸吸收速率为3mg—HAe／g—VSS·min,胞内聚磷的饱和系数为20mg—P／g—Vss。另外,在pH为中性条件下,每吸收1mg乙酸,聚磷菌释放约0．5mg磷。     

Monitoring microbial community structure and succession of an A/O SBR during start-up period using PCR-DGGE

Polymerase chain reaction (PCR) - denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) protocol was employed for revealing microbial community structure and succession in a sequential anaerobic and aerobic reactor performing enhanced biological phosphorus removal (EBPR) during start-up period.High phosphorus removal was achieved after 15 d.On day 30, phosphorus removal efficiency reached to 83.2% and the start-up was finished.DGGE profiles of periodical sludge samples showed that dominant microbial species were 19 OTUs (operational taxonomy unit ).Unweighted pair-group method using Arithmetic averages (UPGMA clustering analysis revealed that rapid community succession correlated to lower phosphorus removal rate and higher phosphorus removal efficiency reflected on steady community structure.Sequencing results indicated that determined sequences (12 OTUs) belonged to proteobacterium, Actinobacteria, Gemmatimonadales and unaffiliate group.Proteobacterium, Tetrasphaera elongate and Gemmatimonas aurantiaca may act important roles in phosphorus removal.With little amount as known glycogen accumulating organisms, Candidatus Competibacter phosphatis still at accumulating-phase had limited influence on microbial community structure.When climax community was obtained, dominant microbes were 14 OTUs.Microbes in a large amount were uncultured bacterium, Thauera sp., uncultured γ-Proteobacterium and Tetrasphaera elongata.     

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。     

MUCT-MBR工艺反硝化除磷脱氮研究

自行设计的双反应器MUCT-MBR简化了MUCT工艺,将反应池由5个简化到2个,减小了工艺占地面积,并且采用膜过滤取代二沉池出水,操作简单,出水安全可靠.针对MUCT-MBR工艺脱氮除磷性能,尤其是反硝化除磷功能进行研究.结果表明,当进水C/N/P比在33.3/5/1～25/5.5/1范围内,整个实验过程中COD、 TN和TP平均去除率分别达到89.3%、 75.4%、 79.2%;且膜出水不受污泥沉降性的影响.缺氧段的反硝化吸磷是MUCT-MBR工艺除磷的关键,系统运行至第58 d,系统中反硝化除磷菌（DPAOs）所占比例达84.2%,反硝化除磷占系统总磷去除的67.07%.     

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.     

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.     

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.     

进水C/P对SNEDPR系统脱氮除磷性能的影响

为了解不同进水C/P条件下同步硝化内源反硝化除磷(SNEDPR)的脱氮除磷特性.以实际城市污水为处理对象,采用延时厌氧(180 min)/低氧(溶解氧0.5~1.0 mg·L~(-1))运行的序批式反应器(SBR),考察了进水C/P(分别为60、30、20、15、10)对系统C、N、P去除特性的影响.结果表明:适当降低进水C/P(由60降至30)有利于提高系统内PAOs竞争优势.当C/P为30时系统除磷性能最高,厌氧段释磷速率(PRR)和好氧段吸磷速率(PUR,以P/MLSS计,下同)分别高达3.5mg·(g·h)-1和4.2 mg·(g·h)-1,出水PO3-4-P浓度均低于0.3 mg·L~(-1),且PPAO,An高达88.1%;但进一步降低进水C/P至10时,PO3-4-P去除率和PPAO,An分别由38.1%和82.4%降低至3.1%和5.3%,PRR和PUR分别仅为0.2 mg·(g·h)-1和0.24mg·(g·h)-1,系统表现出较差的除磷性能.降低C/P对系统COD去除性能没有影响,COD去除率稳定在85%左右.此外,当C/P由60降低至20时,系统硝化性能变差,表现为出水NH+4-N和NO-2-N浓度分别由0和6.9 mg·L~(-1)升高至5.1 mg·L~(-1)和16.2 mg·L~(-1);而当C/P进一步降低至10时,系统硝化性能得以恢复,但亚硝积累特性遭到破坏,表现为出水NH+4-N和NO-2-N浓度逐渐降低为0,但出水NO-3-N浓度由0.08 mg·L~(-1)升高至14.1 mg·L~(-1).SNED率先由62.1%降低为36.4%后又逐渐提高至56.4%.C/P低于15时,有利于提高GAOs的竞争优势,且C/P由20降至10时系统脱氮性能得以恢复,原因在于GAOs内源反硝化作用的增强.     

进水C/N对SNEDPR系统脱氮除磷的影响

为了解同步硝化内源反硝化系统(SNEDPR)脱氮除磷性能,采用延时厌氧(180 min)/低氧(溶解氧0. 5～2. 0 mg·L~(-1))运行的SBR反应器,以人工配置的模拟废水为处理对象,先采用恒定进水C/N(为10),以实现SNEDPR的启动和聚磷菌(PAOs)的富集培养,再调控进水C/N值(分别为10、7. 5、5和2. 5),考察不同C/N对系统的脱氮除磷性能的影响.结果表明,当进水C/N为10,可实现SNEDPR的启动与深度脱氮除磷,出水PO3-4-P和总氮(TN)浓度分别平均为0. 1 mg·L~(-1)和8. 1mg·L~(-1),PO3-4-P去除率、TN去除率和SNED率平均值分别为99. 79%、89. 38%和58. 0%.当进水C/N由5提高至10时,系统维持良好的脱氮除磷性能,释磷量(PRA)和SNED率分别由16. 0 mg·L~(-1)和48. 0%提高至24. 4 mg·L~(-1)和69. 2%;当C/N为10时,TN和PO3-4-P去除率最高达94. 5%和100%;当C/N为2. 5时,系统失去脱氮、除磷性能,PRA和SNED率仅为1. 36 mg·L~(-1)和10%.在系统稳定运行阶段(C/N为10、7. 5和5),SNED率达85. 9%,出水NH_4~+-N、NO-x-N和PO3-4-P浓度平均为0、8. 1和0. 1 mg·L~(-1).