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.     

乙酸/丙酸作为EBPR碳源的动力学模型研究(Ⅰ) ——模型的建立

以活性污泥ASM2模型为基础,采用混合短链脂肪酸(SCFAs)作为基准物质,建立了增强生物除磷系统中聚磷菌和(PAO)的厌氧/好氧动力学模型.模型的显著特点是厌氧代谢过程中的糖原水解、聚羟基烷酸合成、以及聚磷水解速率由SCFAs的速率方程表示,并考虑了厌氧维持对动力学和计量学的影响.模型建立了过程计量学系数矩阵,包括3个溶解性组分、4个颗粒性组分,同时考虑了pH对代谢动力学的影响.最后,在PAO模型的基础上,建立了GAO的动力学模型,该模型包含7个过程,磷的浓度仅对其好氧生长有影响.     

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.     

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。     

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±...     

水温变化对EBPR系统除磷效果响应机制的数值模拟研究

大量研究表明,水温变化会影响聚磷菌和聚糖菌之间的竞争关系,是造成EBPR系统除磷效果波动的重要因素.温度的逐步升高导致聚磷菌在强化生物除磷(EBPR)系统中逐渐失去优势直至系统崩溃.然而,有关如何利用物理模拟和数值模拟手段恢复升温破坏后的EBPR系统除磷效果及其响应机制的研究甚少.本文基于全耦合活性污泥数学模型(FCASM3),对EBPR系统进行数值建模和模拟试验,研究温度变化对EBPR系统的影响,旨在用模型预测及验证水温变化对EBPR系统除磷效果响应机制及适宜聚磷菌生存的极限条件,通过升温破坏及温度恢复的试验与模拟研究,进一步分析不同温度对EBPR系统中聚磷菌和聚糖菌的影响.通过对比FCASM3与国际水协的除磷代谢模型ASM2d在不同运行温度(20℃,25℃,30℃,35℃)下,对EBPR系统出水COD、PO43--P等污染物质的模拟变化趋势,结果表明FCASM3能更好地模拟EBPR系统中聚磷菌和聚糖菌的行为,且随着温度的升高,EBPR的除磷效率下降.在水温升高和恢复的过程中发现,温度升高到35℃,会导致EBPR的崩溃,短时间内不能恢复升温前的除磷效率.     

O2、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P_O、P_N、P_n、P_Nn、P_ON、P_ONn等6个种类.P_ON和P_ONn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SBR_o＞SBR_n5＞SBR_n3.     

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。     

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。     

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。     

聚糖菌的化学计量学与动力学的研究

根据国内外文献的有关报道,介绍了在强化生物除磷(EBPR)系统中聚糖菌(GAOs)的化学计量学和动力学的特征,并指出了今后研究的重点。     

不同丙酸/乙酸对聚糖菌长/短期代谢的影响

在3个SBR反应器(即SBR-A,SBR-C和SBR-E)中,以3种不同比例的丙酸/乙酸中长期驯化活性污泥使之富集聚糖菌,对丙酸/乙酸对聚糖菌的长期和短期代谢的影响进行了研究.结果表明,长期高丙酸/乙酸驯化导致聚糖菌厌氧消耗的糖原量和合成的聚β羟基烷酸酯(poly-β-hydroxyalkanoates, PHA)的量都较少,在好氧段积累的糖原量和降解的PHA的量也较小,并且对聚糖菌的脱氢酶活性、生长速率及对有机酸的利用能力等都有抑制作用.当进水中的丙酸与乙酸的碳摩尔数相同时,单位生物量利用乙酸的速率较丙酸快.不同丙酸/乙酸对聚糖菌代谢的短期影响的研究表明,当进水中乙酸浓度突然提高时,长期以高丙酸/乙酸驯化的聚糖菌可以直接利用乙酸参与代谢,但长期以低丙酸/乙酸驯化的聚糖菌则无法快速利用丙酸.提高进水中丙酸/乙酸有可能成为有效抑制聚糖菌生长并提高增强生物除磷系统稳定性的一种策略.     

DO浓度对EBPR耦合SND处理低C/N污水的影响

为了解厌氧/好氧运行的序批式反应器（SBR）中,强化生物除磷（EBPR）与同步硝化反硝化（SND）的耦合脱氮除磷特性,以实际低C/N （约为3.5）生活污水为处理对象,先通过调控进水C/N考察其对EBPR启动和聚磷菌（PAOs）富集情况的影响,再通过调控好氧段DO浓度考察其对系统脱氮除磷性能、SND率及碳源转化特性的影响.结果表明,DO浓度为2.0mg/L,当进水C/N由3.2提高至7.5并降至3.8时,反应器出水PO₄^3--P浓度由3.9mg/L逐渐降至0.5mg/L以下,且厌氧释磷量（PRA）由3.3mg/L逐渐升高至约30mg/L.此后,当DO浓度逐渐降至约1.0mg/L时,SND现象愈加明显,且其与EBPR耦合使得系统总氮（TN）和PO₄^3--P去除率分别提高至85%和94%.但当DO浓度约为0.5mg/L时,硝化过程进行不完全,亚硝酸盐积累较为明显,耦合系统中存在同步短程硝化反硝化现象.DO浓度为约1.0mg/L时,系统具有最高的脱氮除磷性能.此外,当DO浓度由2.0mg/L降至0.5mg/L时,PAOs较聚糖菌（GAOs）在厌氧内碳源储存中的贡献逐渐减小（P_PAO,An由30.3%逐渐降至20.2%）,PRA降低约7mg/L.DO浓度为1.0~1.5mg/L最有利于系统厌氧段内碳源PHA的合成.     

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.     

不同丙酸/乙酸长期驯化的活性污泥对EBPR的影响

通过长期驯化的SBR增强生物除磷系统,研究了不同丙酸/乙酸对磷和PHA转化的影响,以及微生物代谢PHA及其组分的计量学.结果表明,随着丙酸/乙酸的升高.系统的除磷能力增强;污水中合适的丙酸/乙酸(C-mol比)为2:1.计量学研究表明,聚磷菌消耗I C-mol乙酸生成0.65 C-mol PHB和0.33 C-mol(PHV PH2MV),消耗I C-mol丙酸生成极小量PHB和1.21C-mol(PHV PH2MV).磷去除率与(PHV PH2MV)代谢有良好的相关性.     

进水氨氮浓度对强化生物除磷(EBPR)系统除磷特性及微生物群落结构的影响

以富集聚磷菌的活性污泥为基础,研究了不同进水氨氮浓度对强化生物除磷(EBPR)系统的除磷效果、微生物胞内聚合物(PHA)代谢过程及微生物群落结构的影响.结果表明,SBR反应器运行6 d后,进水氨氮浓度为1、5、10、15和20 mg·L-1的系统除磷效率最终分别稳定在0、4%、80%、98%和65%左右.试验前后各系统...     

C/P对EBPR系统PAOs与GAOs竞争及PHAs代谢过程影响研究

以富含聚磷菌(PAOs)活性污泥为基础,基于FISH技术研究了SBR工艺不同C/P(25∶1、20∶1、15∶1和10∶1)对EBPR系统中功能菌变化特征与微生物胞内聚合物(PHAs)代谢过程的影响.结果表明,经过10 d运行处理,C/P分别为25∶1、20∶1和15∶1系统磷酸盐去除率88%,而C/P为10∶1系统磷酸盐的去除率为0%.FISH检测结果显示,随着C/P从25∶1下降到10∶1,EBPR系统中PAOs的含量相应从(76.42±1.24)%减少到(10.40±0.97)%,而聚糖菌(GAOs)则从(16.36±3.41)%增加到(34.25±2.59)%.在厌氧段,不同C/P条件下EBPR系统中PHB和PHV的合成动力学系数大小分别为K25∶1K20∶1K15∶1K10∶1和K15∶1K20∶1K25∶1K10∶1.随着C/P从25∶1下降到10∶1,合成PHB在PHAs中所占的比例从85%下降到24%,而PHV则从15%上升到76%;在好氧段,不同C/P系统消耗PHB和PHV的动力学系数大小均为K20∶1K25∶1K15∶1K10∶1,且C/P为25∶1、20∶1和15∶1时系统消耗主要成分是PHB(占PHAs 71%～75%),而C/P为10∶1时系统消耗主要成分是PHV(占PHAs 71%).由此表明,随着C/P的降低,EBPR系统内GAOs增加而PAOs减少,从而导致系统内PHB合成与消耗比例逐渐减少,而PHV合成与消耗比例逐渐增加.     

活性污泥中硝化螺菌(Nitrospira)的富集及其动力学参数

采用连续进水的进水方式对污水处理厂活性污泥系统中的Nitrospira富集培养并对其相关动力学参数进行研究.结果表明,在控制反应器亚硝酸盐浓度不高于2 mg·L~(-1)的条件下可以成功富集出以Nitrospira为优势种属的活性污泥,其最大比亚硝酸盐氧化速率(以N/VSS计)为48.72 mg·(g·h)~(-1).荧光原位杂交结果显示Nitrospira占活性污泥总微生物量的75%左右,而Nitrobacter仅占总微生物的0.1%.此外通过对Nitrospira在20℃时的动力学参数进行测定,结果表明Nitrospira的最适生长温度为30~35℃,温度修正系数τN为1.046,其基质半饱和常数KS和氧半饱和常数KO分别为(0.32±0.03)mg·L~(-1)和(1.52±0.09)mg·L~(-1).Nitrospira动力学参数的研究为污水处理厂的设计运行及工艺优化提供理论参考.     

生态动力学模型在太湖水质模拟中的应用

考察了西澳大利亚大学水研究中心开发的生态动力学模型CAEDYM与三维水动力模型ELCOM的耦合模型在太湖的应用效果,用该模型模拟了2005年5月~6月太湖的水温、总氮、硝氮、氨氮、总磷、磷酸盐、叶绿素a,通过实测数据进行参数率定。并用2005年8月的实测资料作为初始条件,9月的模拟资料与实测资料进行对比,对模型进行了验证。结果显示模型较好地模拟了太湖的水质变化和分布。     

聚磷菌在不同碳源下的反硝化研究

利用SBR系统对聚磷菌进行了培养,并通过荧光原位杂交手段检测了系统中聚磷菌Candidatus Accumulibacter phosphatis的富集程度.聚磷菌也是一种普通异养菌,为了研究它的反硝化能力,排除了聚磷菌的正常释磷和吸磷过程,仅考察在不同碳源下反硝化性能.结果表明,乙酸和PHB都能成为聚磷菌反硝化的电子供体.当以乙酸为外在单一碳源时,其反硝化速率和PHB生成速率与起始硝酸盐浓度无关,但是当起始状态硝酸盐浓度越高时,消耗单位乙酸生成的PHB和硝酸盐还原量越小.以PHB为内在碳源和能源时,聚磷菌的反硝化速率呈现对于基质(硝酸盐)的零级动力学反应,比反硝化速率为0.973 3mg/(g.h),此外PHB平均比消耗速率为(以PHB计)2.462 6 mg/(g.h).