（环境工程专业论文）丙酸乙酸比例及ph对聚糖菌富集系统的影响.pdf

摘要 本课题为国家自然科学基金项目“生物除磷系统中聚磷和聚糖微生物生理生 态学与调控方法”( 5 0 4 0 8 0 3 9 ) 的一部分，通过考察不同丙酸，乙酸比例和p h 长 期驯化和短期改变对聚糖菌富集系统的代谢影响规律，确定了不利于聚糖菌生 长和代谢的环境它的研究对于控制生物除磷系统中聚糖菌的生长和代谢，提 高污水处理厂的除磷效果、保持系统运行的稳定性和高效性，具有一定指导意 义 采用丙酸乙酸c - t o o l 比例为0 1 、0 5 、l 、2 、1 0 的合成废水长期驯化富集 聚糖菌( ( 执o s ) 的污泥，研究了丙酸乙酸比例对污泥驯化过程、代谢过程、酶 活性以及化学计量学等方面的影响，得出以下主要结论： 1 ) 在不同丙酸乙酸比例的长期马i f 【化条件下，各反应器厌氧阶段的有机酸浓度随 时间里指数变化规律，且在相同单位微生物的有机酸浓度下，聚糖菌对乙酸有 较快的吸收速率；随着丙酸，乙酸比例的降低，其厌氧聚羟基烷酸 h a ) 的合成嚣 以及好氧p h a 分解量均随之升高，并且聚羟基丁酸f p h b ) 在p h a 中所占的比例 随之增大；厌氧糖原的分解量以及好氧糖原合成量也随着丙酸乙酸比例的降低 而增加；一周期的微生物生长量随着丙酸乙酸比例的提高而减少；丙酸乙酸的 比例不同对污泥的沉降性能无显著影响。 2 ) 在短期改变有机酸比例的情况下，用高丙酸，乙酸比例驯化后的g a o s 可以很 快利用较大量的乙酸进行代谢；而对于经高乙酸丙酸比驯化后的g a o s ，其对 丙酸的吸收速率明显低于长期驯化下的值。 3 ) 随着丙酸，乙酸比例的提高，好氧末脱氢酶活性逐渐降低，表明微生物的合成 能力逐渐下降：好氧始的脱氢酶活性逐渐减少，表明微生物代谢p h a 的能力下 降。 4 ) 通过测定系统中每磷酸葡萄糖脱氢酶的活性发现，g a o s 在以乙酸和丙酸为 基质时，糖原厌氧代谢不是通过e d 途径进行。 在g a o s 富集的s b r 反应器中，在厌氧起始p h 控制为6 4 、6 8 、7 2 、7 6 、 8 0 条件下，由丙酸乙酸c - m o l 比例为1 0 ：l 的合成废水长期驯化污泥，研究了 p h 对富集g a o s 微生物代谢过程、酶活性和化学计量学等方面的影响，得到的 摘蔓 主要结论如下： 1 ) 在不同p h 值长期驯化以及突然改变p h 的试验中，乙酸和丙酸的吸收速率都 随着p h 的升高而降低；微生物的一周期增长量随p h 的升高而减少； 2 ) 在不同p h 值长期驯化条件下，随着p h 的升高，p h a 和糖原的代谢量均随 之升高，并且聚羟基戊酸和2 一甲基聚羟基戊酸的总量( i i - i v + i ) i - 1 2 m v ) 占p h a 的含量随之增加；突然改变p h 的试验结果与长期驯化结果一致 3 ) 随着p h 值的升高，好氧末脱氢酶活性逐渐减小，表明微生物的合成能力逐 渐下降；好氧始脱氢酶活性逐渐减小，表明微生物代谢p h a 的能力下降。 通过对不同丙酸乙酸比例和p h 条件下富集g a 0 s 系统的研究，找到了不 利于g a o s 的生长条件为：丙酸乙酸c t o o l 比例为1 0 ：t ，p h 为8 o 为了验证上述控制g a o s 生长和代谢的策略以及在实际污水生物除磷过程 中的可行性，在厌氧和好氧的序批式反应器中，通过控制投加进水丙酸7 , 酸 c m o l 比例为1 0 ：i 的基质，以及控制起始厌氧起始p h 为8 0 ，可将除磷效果提 高1 5 左右。 关键词：聚糖菌乙酸丙酸p h 增强生物除磷 a b s w a m a b s t r a c t t h i ss u b j e c ti st h eb r a n c ho f p h y s i o l o g i c a la n d e c o l o g y , a n dr e g u l a t i o nm e t h o d s f o r p a o s ( p h o s p h o r u s a c c u m u l a t i o n o r g a n i s m s ) a n dg a o s ( g l y c o g e n a c c u m u l a t i o no r g a n i s m s ) i nb i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a ls y s t e m ( 5 0 4 0 8 0 3 9 ) s u p p o r t e db yn a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a t h ea d v e r s e e n v i r o m e n tf o rl h eg r o w t ha n dm e t a b o l i s mo fg a o sw a sd e t e r m i n e db ys t u d y i n g t h ei n f l u e n c e so fl o n g - t e r mc u l t i v a t i o na n ds h o r t - t e r mc h a n g e su n d e rd i f f e r e n t p r o p i o u l c a c c t i ea c i dr a t i o sa n dp hc o n d i t i o n s ms t u d yh a sac 蛐g u i d i n g s i g n i f i c a n c ef o re n h a n c i n gp h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c yo fw a s t e w a t c rt r e a t m e n t ： p l a n ta n dm a i n t a i n i n gs t a b i l i t ya n dh i g hp e r f o r m a n c eo f s y s t e mo p e r a t i o n s y n t h e t i cw a a t c w a t c ro f d i f f e r e n tp r o p i o n a t e d a c e t a t ec - t o o lr a t i o so f 0 1 o 5 ，1 ，2 a n d1 0w a sa p p l i e df o rl o n g - t e r mc u l t i v a t i o no fe n r i c h e dc u l t u r eo fg a o s ，a n d i n f l u e n c e so f p r o p i o n i c a c e t i ca c i do ns l u d g ec u l t i v a t i o n , m e t a b o l i s m ，e n z y m ea c t i v i t y , a n ds t d i c h i o m e t r yw e r es t u d i e d t h ec o n c l u s i o n sa r e 嬲f o l l o w s ： 1 ) i nt h el o n g t e r mc u l t i v a t i o no fg a o sa ld i f f e r e n tp r o p i o n i c a c e t i ca c i d s ，i tw a s o b s e r v e dt h a tc o n c e n t r a t i o n so f o r g a n i ca c i d si na n a e r o b i cp h a s ei ne a c hr e a c t o rw e r e 枷c h a n g e de x p o n e n t i a l l yw i t ht i m e m e a n w h i l e ，w i t ht h es a m ec o n c e n t r a t i o n so f o r g a n i ca c i d sp e ru n i tm i c r o b e , g a o sh a v ef a s t e ru p t a k er a t eo na c e t a t e w i t ht h e d e c r e a s eo fp r o p i o n i c a c e t i ca c i d , t h es y n t h 船e s _ i _ i sa n dd e g r a d a t i o no fp h aa n dt h e c o n t e n to fp h bi np h ai n c r e a s e d , a n dt h ea n a e r o b i cd e g r a d a t i o na n da e r o b i c s y n t h e s i so f g l y c o g e na l s oi n c r e a s e d m i c r o b i a lg r o w t hd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f p r o p i o n i c a c e t i ca c i d i na d d i t i o n , d i f f e r e n tp r o p i o n i c a c e t i e a c i dr a t i o sh a v en o s i g n i f i c a n te f f e c t s0 1 1s e t t l i n gp e r f o r m a n c eo f m i c r o b e i nt h ec a s oo f s h o r t - t e r mc h a n g e so f o r g a n i ca c i dr a t i o s ，g a o sc u l t i v a t e dw i t hh i g h p r o p i o n i c a c e t i ca c i dc a ni m m e d i a t e l yu p t a k e dl a r g ea m o u n to f a c e t a t ea n d u s e di tf o r m e t a b o l i s m , b u tf o rg a o sc u l t i v a t e d 研t hh i g ha c e t a t e p r o p i o n a t er a t i o ，i t su p t a k e i h r a t eo np r o p i o n a t ew ug r e a t l yl o w e rt h a nt h ev a l u ei n l o n g - t e r m c u l t i v a t i o n e x p e r i m e n t s 3 ) w i t ht h ei n c r e a s eo f p r o p i o n i c a c e t i ca c i d , a c t i v i t yo f d e h y d r o g e n a s ea tt h ee n do f a e r o b i cp h a s eg r a d u a l l yd e c r e a s e d ，i n d i c a t i n gg r a d u a ld e c r e a s i n go fs y n t h e t i ca b i l i t y o fm i c r o b e m e a n w h i l e ，t h ed e c r e a s i n ga c t i v i t yo fd e h y d r o g e n a s ea tt h eb e g i n n i n go f a e r o b i cp h a s ei n d i c a t e dt h ed e c r e a s i n gt h ea b i l i t yo f p h am e t a b o l i s m 4 ) v c h e ng a o s 砸l i z e da c e t a t ea n dp r o p i o n a t ea st h e i rs u b s t r a t e 。t h eg l y c o g e nw a s n o ta n a e r o b i c a l l ym e t a b o l i s e dv i ae dp a t h w a y t h ee f f e c to fi n i t i a lp hv a l u eo fa n a e r o b i cp h a s e0 1 1e d r i c h e dc u l t u r eo fg a o s w e r oa l s oc o n d u c t e da t6 4 ，6 8 ，7 2 ，7 6a n d8 0w i t hp r o p i o n a t e a c e t a t ec - m o lr a t i o o f1 0 a n dt h ec o n c l u s i o n s 黜a sf o l l o w s ： 1 ) i ne x p e r i m e n t so fb o t hl o n g - t e r ma n ds h o r t t e r mc u l t i v a t i o na td i f f e r e n tp h v a l u e s ，i tw a so b s e r v e dt h a tt h eu p t a k er a t e so fa c e t a t ea n dp r o p i o n a t ed e c r e a s e dw i t h t h ei n c r e a s eo f p h ；b u tt h eg r o w t ho f m i c r o b ed e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f p h 2 ) i nt h el o n g - t e r mc u l t i v a t i o nt e s t s ，w i t ht h ei n c r e a s eo fp h ，t h et r a m f o r m a t i o n so f p h aa n dg l y c o g e na sw e l l 躯t h ec o n t e n to fs u mo fo h v + r m m v ) i np h aa l l i n c r e a s e d t h er e s u l t so fu n d e rs u d d e nc h a n g e so fp hv a l u ew a si nc o n f o r m i t yw i t h t h o s eo f l o n g - t e r mc u l t i v a t i o n 3 ) w i t ht h ei n c r e a s eo fp h ，a c t i v i t yo fd c h y d r o g e n a s ea lt h ee n do fa e r o b i cp h a s e g r a d u a l l yd e c r e a s e d , i n d i c a t i n gg r a d u a ld e c r e a s i n go fs y n t h e t i ca b i l i t yo fm i c r o b e m e a n w h i l e ，t h ed e c r e a s i n ga c t i v i t yo fd e h y d r o g e n a s ea tt h eb e g i n n i n go fa e r o b i c p h a s ei n d i c a t e dt h ed e c r e a s i n gm e t a b o l i ca b i l i t yo fp l 九 a c c o r d i n gt ot h ea b o v ei n v e s t i g a t i o n s ，t h ep r o p o s e dc o n d i t i o n sn o ts u i t a b l ef o r g r o w t ha n dm e h s b o l i s mo fg a o sw e r et h er a t i oo fp r o p i o n i c a c e t i ca c i d so f 1 0 ：1 ( c - m o l c - m o da n dp h8 0 i nt h ev e r i f i c a t i o nt e s tw i t hr e a lw a s t e w a t c r ，p h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c yw a s e n h a n c e da p p r o x i m a t e l y1 5 b yt h ea p p l i c a t i o no f t h i sc o n t r o l l i n gs t r a t e g y k e y w o r 由：g a o s ( g l y c o g e na c c u m u l a t i o no r g a n i s m s ) ，a c e t a t e ，p r o p i o n a t e ，p h ， e n h a n c e db i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l ( e b p r ) 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录 检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有关 部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适 当复制论文的部分或全部内容用于学术活动 学位论文作者签名 年厢妙 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：坛 洲年朋影e t 第1 章绪论 引言 第1 章绪论 磷作为生物圈的一种重要营养物质，在水体中可以有多种存在形式，如有 机磷、正磷酸盐、焦磷酸盐以及偏磷酸盐，但是绝大部分水体的磷养分常常不 足，是生长的限制性因子。在合适的条件下，即使磷较平缓地增加，也会引起 一系列的生态问题，包括植物加速生长、藻类过度繁殖、溶解氧不断减少、p h 剧烈变化、湖泊退化、水质恶化以及水生动物死亡等，这种现象被称为水体富 营养化各种污染源排放的磷进入河流，湖泊、湿地和土壤生态系统后，还会 发生复杂的吸附、固定和再释放过程，使污染严重的水体很难治理。 据中国环境状况公报报道，2 0 0 3 年度重点监测的2 8 个湖库中，满足类水 质的湖库有一个，占3 6 ；类水质的湖库有6 个，占2 1 4 ；类水质的湖库 有7 个，占2 5 ；v 类水质的湖库有4 个，占1 4 3 ；劣v 类水质的湖库有1 0 个， 占3 5 7 “三湖”水质均为劣v 类，其中太湖为轻度富营养化，滇池为重度富营 养化，巢湖全湖平均为中度富营养化。在监测的其它l o 个重点大型淡水湖泊中， 洱海、洞庭湖和鄱阳湖为中营养化，洪泽湖、达赉湖和南四湖为轻度富营养。 在城市内湖中，北京的昆明湖和杭州西湖水质为类水质，南京玄武湖为v 类 水质，武汉东湖和济南大明湖为劣v 类水质。而造成上述湖库、淡水湖泊以及 城市内湖的主要污染指标为总氮和总磷【1 1 2 0 0 3 年，我国近岸海域污染依然严重，全年共发生赤潮1 1 9 次，累计面积约 1 4 5 5 0 平方公里，其中发生1 0 0 平方公里的赤潮2 7 次，5 0 0 平方公里以上的赤潮8 次，赤潮频繁发生的海域多是受磷酸盐以及无机氮等污染较严重的海域【2 】。 随着工农业的发展、人民生活水平的提高以及城市化进程的加快，污水排 放总量不断增加，据估计2 0 0 3 年我国年废水排放量达4 6 0 x 1 0 s m 3 ，其中工业废水 排放量为2 1 2 4 , , 1 0 8 m 3 ，比上年增加2 5 ，城镇生活污水排放量为2 4 7 6 1 x 1 0 8 m 3 ， 比上年增加6 6 与欧美各国8 0 9 0 的污水处理率相比，我国的城市污水处 理率依然偏低，大量污水未经处理就直接排入了受纳水体。同时由于各种含磷 洗涤剂和化肥农药的大量使用，使水体污染进一步恶化。 第l 章绪论 废水中的氮、磷营养物质对环境所造成的影响已引起人们的高度重视。水 体中氮、磷含量的高低与水体富营养化密切相关虽然氮磷同为水体中的营养 物质，但是藻类等水生生物对磷更敏感【3 】从藻类对氮磷的需求关系来看，水中 氮的缺乏可由许多固氮微生物( 如蓝藻、绿藻等) 来补充，而磷则必须通过外 界来补充。o e c o 研究的结果表明，8 0 的湖泊富营养化是受磷元素的制约，大 约1 0 的湖泊与氮元素有关，余下1 0 的湖泊与其它因素有关【4 】。因此废水除磷 对防止水体富营养化尤为关键，也是控制水体富营养化的一项基本策略。 1 1 增强生物除磷的研究进展 1 1 1 增强生物除磷的过程 生物除磷法是指微生物对磷进行吸收，磷最终通过剩余污泥的排放得以去 除。微生物对磷的去除可分为两种：一种是用于满足微生物的正常生理需要， 如用于构成核酸、核苷酸、磷脂以及许多辅酶的重要组成成分；另外一种是通 过一类微生物在厌氧和好氧条件下的交替循环中形成“过量”的释磷和摄磷，最终 通过在好氧段形成“超量”的胞内聚合磷酸盐，以剩余污泥的形式排出系统，相对 于普通活性污泥法其除磷量可高达3 7 倍f 5 1 通常人们将此工艺称为增强型生 物除磷( e b p r ) ，并将这类能够超量吸磷的微生物通称为聚磷菌( p a o s ) 。 e b p r 的关键技术是使活性污泥在厌氧，好氧段之间交替循环。其处理过程的 主要组成部分见图1 1 。其处理步骤如下： 厌氧反应器 好氧反应器沉淀池 图1 1e b p r 过程的主要组成部分 f i g u r e1 1 m a i nc o m p o n e n t so f e b p r p i o c e 第1 章绪论 ( 1 ) 进水与回流污泥混合后，首先进入厌氧反应器。在厌氧条件下( 无0 2 、 n 0 3 一等最终电子受体) ，对不具有以水解胞内聚磷作为能量来源的好氧菌和脱氮 菌，由于不能提供三磷酸腺苷( a 四) 作为生命代谢的能量，故在此状态下无法 较好成活，而p a o s 因能分解胞内贮成的聚合物( 主要是聚磷，还有部分糖原) 作为能量来源，摄取适宜的有机底物，并以聚p 羟基烷酸酯( p h a ) 等有机颗粒的 形式储存于胞内，从而获得相对竞争优势。由于胞内过多的磷酸盐不能全部用 于进行生物体合成，部分磷酸盐将被相应的载体蛋白通过主动运输的方式排放 到胞外，使主体混合液中的磷酸盐浓度升高，与此同时，金属阳离子也被协同 运输到胞外。 ( 2 ) 随后混合液进入好氧反应器在电子受体( 如0 2 ) 充足的条件下，p a o s 进行氧化磷酸化作用，降解其厌氧时所贮成的p h a ，以吸收混合液中的磷酸盐、 恢复胞内的糖原浓度和进行微生物的自身生长。 ( 3 ) 在沉淀池，混合液进行泥水分离，部分沉淀污泥回流至过程开始区。 与进入厌氧区的进水混合。此过程可保证所有的微生物都能交替经过好氧和厌 氧条件 ( 4 ) 剩余污泥排放。最终通过排放含有高浓度磷的污泥而获得较高的磷去 除率 一些研究报道认为成功运行一套e b p r 工艺必须具备以下几个运行条件： ( 1 ) 好氧区需有可易于降解的有机碳源；( 2 ) 必须限制进入厌氧区的硝酸盐浓 度；( 3 ) 厌氧区必须维持严格的厌氧环境：( 4 ) 活性污泥需在好氧区与厌氧区 之间交替循环 6 - 8 1 1 1 2 增强生物除磷的机理模型研究进展 1 1 2 1 以乙酸盐为主要基质的相关机理模型 w 朗a t z e l f i l i p e 等人曾将以乙酸盐为主要基质的e b p r 过程的相关生化机理 模型总结为c o m e a u - w e n t z e l 模型、m i r l o 模型和改进的m i n o 模型 9 - 1 1 】。见图，1 2 1 5 第1 章绪论 囊内 m 儿y “ p d y p r i 、 l 艟 、i i 严 ，一一 、甜 图1 2c o m e a u w e n t z e l 厌氧模型州 注：c h 3 c o o h + 乙酸；a c e t y i - c o a s7 , e m ma lp o l y l ：聚礴；h 2 p o g ：l 黜m + ：阳离子，下同 + 胞内 g 1 y e o g e n k 三三冲 o c 0 2 - j 1 ：= 地了品- 图1 3m i n o 厌氧吸收乙酸模型i i l 】 f i g u r e1 3m i 8 粕的斌i c4 t 唯1 础脚d e l 注：g l y c o g e n ：糖原ie m p ：糖酵解途径ip y r u v a t e ：丙m m 下同 4 一1 飞 ( 苎! 兰堕堡 阼 胞内 o l y c o e = ，肿咂 脚 + p l i p y n i n k 恻“ 卜m 啦、， p h b 图1 4 改进的m i n o 厌氧模型i i e l f i g u r e1 4 m o d i f i e dm i n e sa n a e r o b i cm o d e l 图1 5c o m e a u w e n t z e l ，m i l o 以及改进的m i n o 好氧模型1 1 2 1 f i g u r e1 5 c o m e a u w e m z e l , m i n oa n dm o d i f i e dm j l i oa e r o b i cm o d e l 注：在e n t z e l 模型中无虚线部分内容 第t 章绪论 上述模型均是基于碳源物质的平衡和氧化还原平衡提出的三个模型的好 氧机理近乎一样，均认为在好氧阶段，以氧作为电子受体，利用厌氧阶段所贮 存的p h b 作为碳源和能源，通过氧化磷酸化作用产生a t p ，进行正常的好氧代 谢：其差别在于在m i n o 及其改进的模型中有部分p h b 被用于合成糖原但它 们的厌氧机理模型则有一定差异，其相似之处是；均认为在厌氧阶段，乙酸( 以 非离解形式) 通过被动扩散穿过细胞膜，一旦进入到胞内，即与聚磷水解反应 耦合，并被活化为乙酰辅酶a ，同时产生a d p ；聚磷水解产生a t p 时会增加胞 内的无机磷酸盐浓度，无机磷酸盐与阳离子一起被排放到主体溶液中。以维持 电荷平衡。其不同点则主要在于：( 1 ) 由乙酰辅酶a 合成p h b 的还原力的来源 问题，c o m e a u - w e n t z e l 模型认为，进入胞内的乙酸盐有部分直接通过t c a 循环 以提供p i - i b 合成所需的还原力【i o ”】；而m i n o 模型与改进的m i n o 模型均认为 p h b 合成所需的还原力来自于糖原的分解，但所采用的途径不同。在m i n o 模型 中，还原力被认为是通过糖酵解途径将糖原转化为丙酮酸而产生的，而改进的 m i i l o 模型则认为，用于p h b 合成的还原力是通过e 1 ) 途径分解胞内糖原产生的 【1 们。将改进的m i n o 模型所拟定的还原力产生方式与m j n o 模型所拟定的方式相 比较，其对摄取单位乙酸盐的磷释放置的影响是很明显的，因为通过e d 途径降 解i 摩尔糖原单体产生2 摩尔的a t p ，而通过e m p 途径降解则提供了3 摩尔的 a t p ，所以前者转化乙酸盐为乙酰辅酶需要更多的聚磷分解以提供更多的能量， 相应的p a o s 需要在好氧条件下合成更多的聚磷以维持其在特定环境中的代谢 方式闭。( 2 ) 每吸收单位乙酸的磷酸盐释放量和p h b 的合成量不同，在 c o m e a u w e n t z e l 中每吸收单位乙酸的磷酸盐释放量为( o 5 乜l ) p - m o l i c - m o l 乙酸 ( 其中a i 为混合液中p h 的函数) ，同时p h b 的合成量为0 8 9 c - t o o l - p h b i c t 0 0 1 乙酸。而在m i n o 模型和改进的m i n o 模型中其每吸收单位乙酸的磷酸盐释放量 分别为( o 2 乜i ) p - m o l l c - m o l 乙酸和( o 3 3 + a t ) p m o f i c t 0 0 1 乙酸，p h b 的合成量 为1 3 3 c t 0 0 1 p h b i c t o o l 乙酸【i o l 。 m i n o 等人曾研究认为：通常t c a 循环只能在好氧或缺氧条件下进行，因为 在t c a 循环中氧化琥珀酸到延胡索酸所需最终电子受体的电位要比琥珀酸延 胡索酸( + 3 2 m v ) 高，而此种情况只有在存在0 2 、n 0 3 和n 0 2 的条件下发生，除 非存在一些厌氧宾细菌或者古细菌，该类微生物能利用硫代硫酸盐、硫和硫酸 盐作为最终电子受体，可将乙酸盐通过t c a 途径完全氧化为c 0 2 p 一| 。该学者 在基于其他一些学者的实验结果u 5 悸l 的基础上分析认为，在p h a 合成中大多 6 第1 章绪论 数还原力是由糖代谢提供而非由t c a 途径所提供目前许多研究结果也充分表 明：在e b p r 系统中糖原扮演着一个关键“角色”，从而使m i n o 模型成为一个更 被广泛接受的机理模型0 9 1 。 二 然而另外一个事实是，p e r e i r a 等人在用c u 的乙酸示踪剂试验中发现，在 p h a 的合成中有3 0 的还原力来之于t c a 途径，7 0 来自于e 1 ) 途径。基于上 述事实 2 0 l ，有关学者认为：单独的糖原降解并不能满足p h a 合成所需的全部还 原力，余下部分仍需由t c a 途径来提供【她2 1 1 另外还有一些学者认为部分磷酸 戊糖途径( h m p ) 在厌氧阶段起到了作用，其可能的生化途径包括糖原降解、t c a 循环以及i - i m p 途径田】 1 1 2 2 非乙酸盐为主要基质的相关机理模型 目前就非乙酸盐的相关机理模型在文献中少有报道。w a n g 等人曾以葡萄糖 为主要基质并有效地运行了e b p r ，其研究结果表明：和传统的以乙酸盐为主要 基质的生物除磷系统相比，厌氧条件下磷酸盐的释放量较少，并且p h a 的组成 成份中主要是以p h v 为主，据此该学者建立了葡萄糖引导的生化机理模型( 见 图1 6 ) ，并提出了相应的假说认为，p h v 主要是平衡厌氧条件下细胞内的氧化 还原平衡，糖原是通过e d 途径代谢，聚磷水解提供摄取葡萄糖的能量【2 3 】。 j e o n 等人也曾发现：以葡萄糖为基质的e b p r 系统是由两类不同的细菌来 完成的，即产乳酸菌( l p o s ) 和p a o s 。首先l p o s 在细胞内积累葡萄糖为糖原， 此时的能量来源为糖类物质的乳酸发酵而不是聚磷的水解，积累的糖原在厌氧 阶段转化为胞内贮存物，其中部分为p h a ；其次是p a o s 转化l p o s 产生的乳酸 盐为p h a ，此过程的能量来源为聚磷菌的水解【2 4 1 也有一些学者以谷氨酸和天 冬氨酸为唯一基质，结果表明，并不是所有的谷氨酸都转化为p h a ，有些在胞 内还形成了多肽的贮存物【2 5 】 7 第l 章绪论 1 m o l 葡萄糖 l l o l 磷酸盐 2 l 乳酸 l m o l 聚磷 图i 6 葡萄糖为基质的厌氧机理模型1 f i g u r e1 6a n a e r o b i cl n e c b a n i s mm o d e lw i 也g l u e , o s ea ss u b s l r a t e 1 2 聚糖菌及其与聚磷菌竞争因素的研究进展 1 2 1 聚糖菌 有关研究表明，在e b p r 系统中，即使在有机碳源充足以及其它外部条件 均满足生物除磷要求( 如厌氧区无溶解氧、硝态氮、搅拌不剧烈) 的条件下，系统 的除磷效率仍然不是很高 2 6 - 2 引c e c h 等人曾以葡萄糖和乙酸为基质，采用s b r 处理工艺，观察到即使有机物被吸收也未发现磷的释放现象，同时对系统中的 微生物进行研究，发现存在着大量的革兰氏阳性和革兰氏阴性球状菌，并通常 成四分体排列，且该类微生物大量贮存糖原，但不过量贮存磷。c e c h 等人有鉴 于该类微生物在e b p r 系统的生长过程中聚集糖原的生长特性，而将之取名为 聚糖菌( g a o s ) ，且一直沿用至今【2 6 _ “随后其他研究者同样观察到g a o s 引起 e b p r 失效的现象f 邓】。最近s a u n d e r s 等人通过调查6 个实际运行的污水处理厂， 发现其中5 个明显存在着o a o s ，其中一个g a o s 类群的数量高达1 2 ，这说明 o a o s 不仅只是在实验室中的发现，它也广泛存在于实际运行的e b p r 污水处理 第1 章绪论 厂中p 司另外，从目前聚糖菌的定义来看，其命名是按照其代谢的显形特征而 非其形态特征，在某种意义上将与p a o s 相混淆，因为根据p a o s 的有关代谢机 理( 见上述) ，它也能在厌氧阶段分解糖原而在好氧阶段合成糖原 早期，c e c h 等人曾对所分离的g a o s 的一个菌种( g 1 7 ) 进行过详细的分 析鉴定并发现：该细菌的直径在l 2 肛m 之间；长度在2 3 p m 之间；不运动： 革兰氏染色为阴性，而经k o h 处理后，革兰氏染色呈阳性；可利用甲酸、乙酸 和葡萄塘作为基质，但不能利用柠檬酸盐；能将硝酸盐还原为亚硝酸盐；不能 水解淀粉和明胶【2 1 1 随后，m 勰z 黝等人对所分离的四个菌株进行过相似的鉴 定，发现该四个菌株均能代谢不同的糖类和多羟基化合物，但是 b e n l 0 3 ”不能 代谢乙酸， b e n l 0 2 ”和 b e n l 0 4 均不能代谢丙酸；四个菌株均不能运动，除 b e n l 0 2 夕 均产生尿酶；并且只有 b e n l 0 1 ”能还原硝酸盐；它们在温度2 0 3 0 和p h 值6 9 的范围内均能生长p ”。 随着现代分子生物学技术的发展，1 6 s r d n a 、荧光分子探针、激光共聚焦 扫描电镜、微量放射自显影术、活体核磁共振光谱等一些先进的检测方法被引 入到g a o s 的种属以及种系发生亲缘关系的鉴定中来。n i e l s e n 等人通过分子生 物技术对f i l i p e 等人运行的失效e b p r 系统的微生物进行了广泛的研究。改性梯 度凝胶电泳色谱( d g g e ) 的分析显示，7 5 的微生物组成了一类新的种属，该种 属来自于蛋白菌属( p r o t e o b a c t e r i a ) 的y 亚纲，再对这些微生物进行探针实验， 群落中的3 5 显示了杂交阳性。这些群落中也包含了p r o t e o b a c t e r i a 的a 亚纲以 及p r o t e o b a c t e r i a1 r 亚纲的l e o n e l l a 种 3 8 1 。o e h m e n 等人通过原位荧光分子杂交 ( h s h ) 技术，对以丙酸为唯一碳源的g a o s 的富集活性污泥进行研究中发现， 其主要种属为a - p r o t e o b a c t e r i a 菌属p 9 1 。其它的相关报道见表1 1 。 此外，z e n g 等人在厌氧一缺氧的交替环境中，以乙酸为主要基质，富集驯 化出一种具有脱氦功能的聚糖菌( d g a o s ) 1 4 7 】。 9 第1 章绪论 b - t f 0 1 j - p r o t e o b a e t e r i a 大球杆菌 ( 4 2 】 1 2 2 聚糖菌与聚磷菌竞争因素的研究进展 当前，国内外对污水生物除磷的主角一聚磷菌及其竞争微生物聚糖菌本身 的研究远远落后于工艺过程的研究，而就影响g a o s 与p a o s 相互竞争和转化的 外部因素的研究也并不十分清楚和全面【嘏】。目前的主要研究热点集中在以下几 个方面。 1 2 2 1 温度 通常而言，温度是影响活性微生物的一个基本因素，它影响着酶催化反应 速率以及基质扩散进入细胞内的速率在废水生物强化除磷系统中，存在着嗜 寒菌、嗜热菌以及嗜中温菌等异养微生物。这些微生物均有不同的最佳生长温 度值，故而混合液温度对它们在群落中的组成数量有较大影响。在过去2 0 年里， 有关学者曾就温度对强化生物除磷系统的处理率以及动力学参数进行了广泛的 研究，但所得结论相互矛盾。早期的文献曾报道在温度5 2 4 范围内，较低温 度时的除磷效率要比较高温度时的处理率要高【4 9 】而m c c l i n t o e k 等人报道了相 反的实例，他们发现在温度为1 0 ( 2 、泥龄( s r t ) 为5 天时，强化除磷功能很差； 然而在泥龄为1 5 天时，温度同样是i o c 除磷效果较好【5 们然而一些学者同时又 指出在强化生物除磷系统中，如果其生物群落不变，则其反应速率将随温度降 1 0 第1 章绪论 低而变慢【5 1 4 3 为了探究先前有关报道所出现的相互矛盾的结果，e r d a l 等人【5 4 1 通过一组实验室规模的u c t 工艺来研究温度对p a o s 与g a o s 竞争的影响，并 发现随着温度的降低( 从2 0 c 逐渐降到5 c ) ，短期温度效应使系统的除磷效率 下降，在温度达到5 1 2 时，一开始几乎没有观测到净磷的去除，并且p h a 在厌 氧区的产生量在1 0 c 和5 分剐下降了4 9 8 和6 2 ( 相对于2 0 c ) ，糖原在厌 氧区的降解和好氧区的合成随温度下降而急剧减少【卅而当系统在5 c 稳定之 后，系统磷的去除量可达7 4 m g l ，比2 0 c 时要多出5 0 m g l ，同时污泥中的磷含 量占v s s 含量的3 7 ，p h a 的生成量要比2 0 c 时高出2 3 9 ；污泥中p h v 的 含量则由2 0 时的1 8 降低到5 时的4 。通过上述实验现象，e r d a l 等人【5 4 】 认为：( 1 ) 在温度降低到5 时，系统除磷效果的降低和升高现象，是由于微生 物对温度变化的适应性引起的随着系统的温度降低，活性污泥中的微生物能 逐渐适应温度的改变。( 2 ) 相对于2 0 0 ，在5 c 时，活性污泥微生物群落中更加 富含p a o s ，而非p a o s 的含量则更少，并可合理地认为在2 0 ( 2 时，系统除磷效 果下降的原因是由于在厌氧条件下非p a o s 微生物对基质的竞争中取得优势而 引起的，且在2 0 1 2 时，污泥中较高的糖原( 1 3 v s s ) 和p h v 的含量的现象表 明了有g a o s 存在的可能性( 因为在5 1 2 时，污泥中的糖原和p h v 的含量均较 低) 。( 3 ) p a d s 是耐寒性微生物，温度低于1 0 c 时，使它相对于其它非聚磷微 生物具有竞争优势( g a o s 是非耐寒性微生物或者在低温条件下其生长速率很 低) 5 4 】最近，w - h a n g 等人通过两组s b r 反应器考察了温度对p a o s 与g a o s 的影响，发现当温度达到3 0 c 时，系统的除磷效率急剧下降( 此时进水磷浓度 为t o m g l ，出水磷浓度为8 8 m g l ) ，同时污泥含磷量小于1 ，但是厌氧阶段 仍然出现乙酸的大量吸收和p h a 的合成，经镜检发现微生物大多成四分体排列， 上述现象也表明了该系统中富集了g a o s 5 5 l 。该学者进一步比较了在1 0 ( 2 、2 0 c 和3 0 时g a o s 与p _ a o s 对乙酸的吸收速率结果，见表1 2 。同时，根据实验结 果认为在2