增強(qiáng)生物除磷系統(tǒng)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢

增強(qiáng)生物除磷系統(tǒng)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢

陳銀廣

污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

同濟(jì)大學(xué)1主要內(nèi)容增強(qiáng)生物除磷(EBPR)的特征EBPR系統(tǒng)中的微生物研究

EBPR微生物代謝的生物化學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)EBPR系統(tǒng)中聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)的代謝特征兩種調(diào)節(jié)EBPR系統(tǒng)中PAO和GAO方法的介紹

碳源優(yōu)化

pH控制EBPR研究的發(fā)展趨勢資源化利用污泥有機(jī)物作為EBPR的優(yōu)質(zhì)碳源降低能耗2內(nèi)容(1)增強(qiáng)生物除磷(EBPR)的特征EBPR系統(tǒng)中的微生物研究

EBPR微生物代謝的生物化學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)EBPR系統(tǒng)中聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)的代謝特征兩種調(diào)節(jié)EBPR系統(tǒng)中PAO和GAO方法的介紹

碳源優(yōu)化

pH控制EBPR研究的發(fā)展趨勢資源化利用污泥有機(jī)物作為EBPR的優(yōu)質(zhì)碳源降低能耗3經(jīng)過先厭氧、后好氧的過程；厭氧時(shí)有明顯的磷釋放，好氧有磷吸收，并且后者大于前者，即Puptake>Prelease；在厭氧條件下通過聚磷分解產(chǎn)生的能量吸收污水中的生物易降解有機(jī)物(例如，短鏈脂肪酸SCFAs)，并在微生物體內(nèi)合成聚羥基烷酸(PHAs)，同時(shí)發(fā)生糖原(Glycogen)的降解；在好氧時(shí)PHAs被氧化，作為磷吸收、微生物生長、糖原合成等的能源和碳源物質(zhì)。45TypicalfeaturesofEBPR(quotedfromWaterRes.,2004,byChenetal.)6內(nèi)容(2)增強(qiáng)生物除磷(EBPR)的特征EBPR系統(tǒng)中的微生物研究

EBPR微生物代謝的生物化學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)EBPR系統(tǒng)中聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)的代謝特征兩種調(diào)節(jié)EBPR系統(tǒng)中PAO和GAO方法的介紹

碳源優(yōu)化

pH控制EBPR研究的發(fā)展趨勢資源化利用污泥有機(jī)物作為EBPR的優(yōu)質(zhì)碳源降低能耗7不動(dòng)桿菌Acinetobacter是EBPR系統(tǒng)主要微生物嗎？1975年FuhsandChen報(bào)道，Acinetobacterspp.是生物除磷系統(tǒng)中的主要微生物。此后，特別是在90年代，國內(nèi)外有大量類似的報(bào)道?，F(xiàn)在多篇文獻(xiàn)證實(shí)Acinetobacter不是EBPR系統(tǒng)中主要微生物。這是因?yàn)?(i)它的量在

EBPR系統(tǒng)中少于10%;(ii)在EBPR的污泥中占主導(dǎo)地位的呼吸醌是quinone-8(Q-8)andmena-quinone-8(H4)(MK-8(H4),而在Acinetobacter主要是Q-9.8哪種微生物在EBPR中起主要作用?近幾年，CandidatusAccumulibacterPhosphatis被認(rèn)為是EBPR系統(tǒng)中對(duì)除磷起主要貢獻(xiàn)的微生物，它們的含量占90％。到現(xiàn)在為止，人們還沒有能夠分離出具有EBPR所有特征的純種微生物。通常人們將EBPR系統(tǒng)中具有除磷功能的一類微生物統(tǒng)稱為聚磷菌(PAOs)。9有哪些研究EBPR微生物的方法?PCR－TGGE、DGGEFISH16SrRNA、16SrDNAQuinone(Ubiquinone/Menaquinone)克隆庫方法10內(nèi)容(3)增強(qiáng)生物除磷(EBPR)的特征EBPR系統(tǒng)中的微生物研究

EBPR微生物代謝的生物化學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)EBPR系統(tǒng)中聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)的代謝特征兩種調(diào)節(jié)EBPR系統(tǒng)中PAO和GAO方法的介紹

碳源優(yōu)化

pH控制EBPR研究的發(fā)展趨勢資源化利用污泥有機(jī)物作為EBPR的優(yōu)質(zhì)碳源降低能耗11為何在厭氧階段要合成PHAs?污水中的有機(jī)物被微生物大量吸收后會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生毒性并且體積很大，因此需將其轉(zhuǎn)化為對(duì)微生物沒有毒性且容積小的物質(zhì)。合成的PHA可以作為好氧條件下的能源和碳源物質(zhì)，以維持外界環(huán)境沒有碳源時(shí)的細(xì)胞生長、代謝。好氧條件下磷的吸收、糖原的合成和細(xì)胞的生長都需要通過PHA的氧化來完成。不管是哪種碳源存在于污水中，EBPR的厭氧階段都有PHA的合成發(fā)生。12在合成PHA時(shí)為何需要還原力?因?yàn)镻HA是比污水有機(jī)物，例如短鏈脂肪酸SCFA的還原性更強(qiáng)。EBPR系統(tǒng)中如何產(chǎn)生還原力?通過三羧酸(TCA)循環(huán)(theComeau-Wentzelmodel)or通過糖原降解(theMinomodel,andAdaptedMinomodel)13Comeau-WentzelmodelTCAcycletoproduceNADH2

nCH3COOH+nATP+4nNAD→4nNADH2

+nADP+nPi+2nCO2PHBsynthesis2nCH3COOH+2nATP+nNADH2

→(C4H6O2)n+nNAD+2nADP+2nPi+2H2OOverallreaction9nCH3COOH+9nATP→(C4H6O2)4n+9nADP+9nPi+2nCO2Conclusion

1molCH3COOH+1molATP→0.44molPHB+1molPi

or

1mol-CCH3COOH+0.5molATP→0.89mol-CPHB+0.5molPi14MinomodelsGlycogendegradationviaEMPpathway

toproduceNADH2(C6H10O5)n

+3nADP+4nNAD+3nPi+2nCoASH→4nNADH2

+3nATP+2nCH3COCoA+2nCO2PHBsynthesis2nCH3COOH+2nATP+nNDH2

→(C4H6O2)n+nNAD+2nADP+2nPi+2H2OOverallreaction6nCH3COOH+3nATP+(C6H10O5)n

→(C4H6O2)4n+3nADP+3nPi+2nCO2

Conclusions

1molCH3COOH+0.5molATP+0.167mol(C6H10O5)n

→0.67molPHB+

0.5molPi

or

1mol-CCH3COOH+0.25molATP+0.5mol-C(C6H10O5)n

→

1.33mol-CPHB+0.25molPi

15AdaptedMinomodelsGlycogendegradationviaEDpathway

toproduceNADH2(C6H10O5)n

+2nADP+3nNAD+nNADP+2nPi+2nCoASH→3nNADH2+2nATP+nNADPH2+2nCH3COCoA+2nCO2PHBsynthesis2nCH3COOH+2nATP+nNDH2

→(C4H6O2)n+nNAD+2nADP+2nPi+2H2OOverallreaction6nCH3COOH+4nATP+(C6H10O5)n

→(C4H6O2)4n+4nADP+4nPi+2nCO2Conclusions

1molCH3COOH+0.67molATP+

0.167mol(C6H10O5)n

→0.67molPHB+

0.67molPior

1mol-CCH3COOH+0.33molATP+0.5mol-C(C6H10O5)n

→1.33mol-CPHB+0.33molPi16三個(gè)模型的比較Comeau-Wentzelmodel

1mol-CCH3COOH→0.89mol-CPHB+0.5molPiMinomodel

1mol-CCH3COOH+0.5mol-C(C6H10O5)n

→1.33mol-CPHB+0.25molPiAdaptedMinomodel

1mol-CCH3COOH+0.5mol-C(C6H10O5)n

→1.33mol-CPHB+0.33molPi17文獻(xiàn)報(bào)道的化學(xué)計(jì)量學(xué)系數(shù)(厭氧P-release/SCFA-uptake)18文獻(xiàn)報(bào)道的化學(xué)計(jì)量學(xué)系數(shù)(厭氧糖原降解及PHA合成)19(quotedfromChemosphere,2007,66:123-129,byLiuetal.)SOPrel/VFAupt=0.16*pH–0.55Filipeetal.(2001a)SOPrel/VFAupt=0.19*pH–0.85Smoldersetal.(1994a)20內(nèi)容(4)增強(qiáng)生物除磷(EBPR)的特征EBPR系統(tǒng)中的微生物研究

EBPR微生物代謝的生物化學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)EBPR系統(tǒng)中聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)的代謝特征兩種調(diào)節(jié)EBPR系統(tǒng)中PAO和GAO方法的介紹

碳源優(yōu)化

pH控制EBPR研究的發(fā)展趨勢資源化利用污泥有機(jī)物作為EBPR的優(yōu)質(zhì)碳源降低能耗21PAO與GAO的相同點(diǎn)

厭氧條件下：吸收污水碳源、合成PHA、降解糖原

好氧條件下：分解PHA、合成糖原

PAO與GAO的不同點(diǎn)

PAO：厭氧時(shí)主要靠聚磷分解產(chǎn)生能量用于吸收污水碳源，因而出現(xiàn)磷的釋放；好氧時(shí)將PHA氧化產(chǎn)生的能量用于吸收磷，因而表現(xiàn)為體系溶液中磷的減少。

GAO：厭氧時(shí)依靠糖原的分解產(chǎn)生的能量用于吸收污水碳源，因而沒有磷的釋放；好氧時(shí)將PHA氧化產(chǎn)生的能量用于合成糖原，因而溶液中磷不會(huì)明顯被吸收。

22PHA聚磷菌和聚糖菌代謝過程比較SCFANADH2Poly-PglycogenATPPiPHANADH2glycogenPoly-PATPCellgrowthPiH2O+CO2O2AnaerobicAerobic23內(nèi)容(5)增強(qiáng)生物除磷(EBPR)的特征EBPR系統(tǒng)中的微生物研究

EBPR微生物代謝的生物化學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)EBPR系統(tǒng)中聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)的代謝特征兩種調(diào)節(jié)EBPR系統(tǒng)中PAO和GAO方法的介紹

碳源優(yōu)化

pH控制EBPR研究的發(fā)展趨勢資源化利用污泥有機(jī)物作為EBPR的優(yōu)質(zhì)碳源降低能耗24

丙酸/乙酸調(diào)節(jié)污水生物處理系統(tǒng)中的PAO和GAO25丙酸/乙酸比例對(duì)SCFA代謝速率常數(shù)的影響

乙酸丙酸PAO0.00240.0051GAO0.00430.002826丙酸/乙酸比例對(duì)糖原代謝的影響

PAOGAO27SOP釋放和吸收比較SOP好氧末濃度及去除率比較丙酸/乙酸對(duì)污水處理系統(tǒng)中SOP轉(zhuǎn)化和去除的影響

281mol-C丙酸→0mol-CPHB+1.21mol-C（PHV+PH2MV）1mol-C乙酸→0.65mol-CPHB+0.33mol-C（PHV+PH2MV）

PAO系統(tǒng)中丙酸/乙酸與PHA及PHA組成與磷去除關(guān)系29MLVSS△MLVSSPHAYmg/Lmg/（L.cycle）mmol-C/（g-VSScycle）mg-COD/mg-CODSBR1#1793130.005.440.41SBR2#1832102.234.510.38SBR3#181584.013.860.37SBR4#184577.303.790.34SBR5#181973.943.990.31PHA降解Poly-PGlyGrowth丙酸/乙酸比例對(duì)PAOs富集系統(tǒng)好氧動(dòng)力學(xué)影響30PHA、SOP和糖原好氧代謝過程模擬

PHASOPGly31

pH調(diào)節(jié)污水生物處理系統(tǒng)中的PAO和GAO32

pH對(duì)SCFA代謝速率的影響

pH代謝速率乙酸丙酸PAO6.4-8.0r=0.0143(R2=0.971)r=0.0424*pH-0.1981(R2=0.968)GAO6.4-8.0r=-0.0047*pH+0.0457(R2=0.997)r=-0.0308*pH+0.3517(R2=0.994)rPAO=rGAO6.4-8.06.707.5133pH對(duì)糖原轉(zhuǎn)化影響

PAOGAO34PAOGAOpH對(duì)PHA代謝的影響

35pH與Gly-syn/PHA-deg的關(guān)系pH與Gly-syn/PHA-deg的關(guān)系PAOGly-syn/PHA-deg=-0.30*pH+2.85(R2=0.958)GAOGly-syn/PHA-deg=0.12*pH-0.16(R2=0.972)36pH對(duì)SOP釋放和吸收的影響pH對(duì)SOP好氧末濃度和去除率的影響pH對(duì)污水處理系統(tǒng)SOP轉(zhuǎn)化影響

37MLVSS△MLVSSPHAYPAOmg/Lmg/（L.cycle）mmol-C/（g-VSScycle）mg-COD/mg-CODSBR1#185671.023.550.33SBR2#184371.312.840.42SBR3#182681.032.360.58SBR4#184192.432.330.66SBR5#1813119.562.270.89PHA降解Poly-PGlyGrowthpH對(duì)PAOs富集系統(tǒng)好氧動(dòng)力學(xué)影響

38PHASOPGlyPHA、SOP和糖原好氧代謝過程模擬

39pH影響的聚磷菌厭氧代謝機(jī)理模式GlycogenPHAPoly-PNADH2ATPATPH2PO4-H++HPO42-H++HPO42-SCFAOH-40上述研究結(jié)果已發(fā)表在

WaterRes.,2004,38(1):27-36

Biochem.Eng.J,2005,27,24-32

JChem.Tech.Biotech.,2006,81(6):1021-1028

Chemosphere,2007,66:123-129

Chemosphere,2007,69:1713-1721

41內(nèi)容(6)增強(qiáng)生物除磷(EBPR)的特征EBPR系統(tǒng)中的微生物研究

EBPR微生物代謝的生物化學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)EBPR系統(tǒng)中聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)的代謝特征兩種調(diào)節(jié)EBPR系統(tǒng)中PAO和GAO方法的介紹

碳源優(yōu)化

pH控制EBPR研究的發(fā)展趨勢資源化利用污泥有機(jī)物作為EBPR的優(yōu)質(zhì)碳源降低能耗

42資源化利用污泥有機(jī)物作為EBPR的優(yōu)質(zhì)碳源43本研究室的結(jié)果表明，污泥在pH10、厭氧作用8天的條件下，污泥中生物易降解有機(jī)物中有80％以上可轉(zhuǎn)化為可溶性COD，污泥VSS減少10％左右；可溶性COD中有約67％轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸;有機(jī)酸的產(chǎn)量提高4倍左右;有機(jī)酸中乙酸和丙酸占了50－60％。44產(chǎn)生的有機(jī)酸用于增強(qiáng)生物除磷的研究采用有效容積3.5L的2個(gè)SBR1＃SBR：乙酸(COD215mg/L)2＃SBR：發(fā)酵液(有機(jī)酸COD215mg/L左右)每周期8h－－厭氧2h、好氧3h、沉淀2h、閑置1h每周期更換2.5L新鮮污水45濃度（mg/L）1#2#乙酸乙酸丙酸異丁酸正丁酸異戊酸正戊酸厭氧始203.8076.0145.566.565.038.2911.81厭氧30min0.000.000.000.000.000.000.00表2個(gè)SBR反應(yīng)器內(nèi)VFA的變化462個(gè)SBR反應(yīng)器的處理效果濃度（mg/L）正磷總磷氨氮硝氮1＃2＃1＃2＃1＃2＃1＃2＃進(jìn)水11.3511.1411.4911.49