增强生物除磷系统的研究进展及发展趋势

增强生物除磷系统的研究进展及发展趋势

陈银广

污染控制与资源化研究国家重点实验室

同济大学1主要内容增强生物除磷(EBPR)的特征EBPR系统中的微生物研究

EBPR微生物代谢的生物化学和化学计量学EBPR系统中聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)的代谢特征两种调节EBPR系统中PAO和GAO方法的介绍

碳源优化

pH控制EBPR研究的发展趋势资源化利用污泥有机物作为EBPR的优质碳源降低能耗2内容(1)增强生物除磷(EBPR)的特征EBPR系统中的微生物研究

EBPR微生物代谢的生物化学和化学计量学EBPR系统中聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)的代谢特征两种调节EBPR系统中PAO和GAO方法的介绍

碳源优化

pH控制EBPR研究的发展趋势资源化利用污泥有机物作为EBPR的优质碳源降低能耗3经过先厌氧、后好氧的过程；厌氧时有明显的磷释放，好氧有磷吸收，并且后者大于前者，即Puptake>Prelease；在厌氧条件下通过聚磷分解产生的能量吸收污水中的生物易降解有机物(例如，短链脂肪酸SCFAs)，并在微生物体内合成聚羟基烷酸(PHAs)，同时发生糖原(Glycogen)的降解；在好氧时PHAs被氧化，作为磷吸收、微生物生长、糖原合成等的能源和碳源物质。45TypicalfeaturesofEBPR(quotedfromWaterRes.,2004,byChenetal.)6内容(2)增强生物除磷(EBPR)的特征EBPR系统中的微生物研究

EBPR微生物代谢的生物化学和化学计量学EBPR系统中聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)的代谢特征两种调节EBPR系统中PAO和GAO方法的介绍

碳源优化

pH控制EBPR研究的发展趋势资源化利用污泥有机物作为EBPR的优质碳源降低能耗7不动杆菌Acinetobacter是EBPR系统主要微生物吗？1975年FuhsandChen报道，Acinetobacterspp.是生物除磷系统中的主要微生物。此后，特别是在90年代，国内外有大量类似的报道。现在多篇文献证实Acinetobacter不是EBPR系统中主要微生物。这是因为:(i)它的量在

EBPR系统中少于10%;(ii)在EBPR的污泥中占主导地位的呼吸醌是quinone-8(Q-8)andmena-quinone-8(H4)(MK-8(H4),而在Acinetobacter主要是Q-9.8哪种微生物在EBPR中起主要作用?近几年，CandidatusAccumulibacterPhosphatis被认为是EBPR系统中对除磷起主要贡献的微生物，它们的含量占90％。到现在为止，人们还没有能够分离出具有EBPR所有特征的纯种微生物。通常人们将EBPR系统中具有除磷功能的一类微生物统称为聚磷菌(PAOs)。9有哪些研究EBPR微生物的方法?PCR－TGGE、DGGEFISH16SrRNA、16SrDNAQuinone(Ubiquinone/Menaquinone)克隆库方法10内容(3)增强生物除磷(EBPR)的特征EBPR系统中的微生物研究

EBPR微生物代谢的生物化学和化学计量学EBPR系统中聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)的代谢特征两种调节EBPR系统中PAO和GAO方法的介绍

碳源优化

pH控制EBPR研究的发展趋势资源化利用污泥有机物作为EBPR的优质碳源降低能耗11为何在厌氧阶段要合成PHAs?污水中的有机物被微生物大量吸收后会对微生物产生毒性并且体积很大，因此需将其转化为对微生物没有毒性且容积小的物质。合成的PHA可以作为好氧条件下的能源和碳源物质，以维持外界环境没有碳源时的细胞生长、代谢。好氧条件下磷的吸收、糖原的合成和细胞的生长都需要通过PHA的氧化来完成。不管是哪种碳源存在于污水中，EBPR的厌氧阶段都有PHA的合成发生。12在合成PHA时为何需要还原力?因为PHA是比污水有机物，例如短链脂肪酸SCFA的还原性更强。EBPR系统中如何产生还原力?通过三羧酸(TCA)循环(theComeau-Wentzelmodel)or通过糖原降解(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+0.33molPi16三个模型的比较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文献报道的化学计量学系数(厌氧P-release/SCFA-uptake)18文献报道的化学计量学系数(厌氧糖原降解及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内容(4)增强生物除磷(EBPR)的特征EBPR系统中的微生物研究

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碳源优化

pH控制EBPR研究的发展趋势资源化利用污泥有机物作为EBPR的优质碳源降低能耗21PAO与GAO的相同点

厌氧条件下：吸收污水碳源、合成PHA、降解糖原

好氧条件下：分解PHA、合成糖原

PAO与GAO的不同点

PAO：厌氧时主要靠聚磷分解产生能量用于吸收污水碳源，因而出现磷的释放；好氧时将PHA氧化产生的能量用于吸收磷，因而表现为体系溶液中磷的减少。

GAO：厌氧时依靠糖原的分解产生的能量用于吸收污水碳源，因而没有磷的释放；好氧时将PHA氧化产生的能量用于合成糖原，因而溶液中磷不会明显被吸收。

22PHA聚磷菌和聚糖菌代谢过程比较SCFANADH2Poly-PglycogenATPPiPHANADH2glycogenPoly-PATPCellgrowthPiH2O+CO2O2AnaerobicAerobic23内容(5)增强生物除磷(EBPR)的特征EBPR系统中的微生物研究

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碳源优化

pH控制EBPR研究的发展趋势资源化利用污泥有机物作为EBPR的优质碳源降低能耗24

丙酸/乙酸调节污水生物处理系统中的PAO和GAO25丙酸/乙酸比例对SCFA代谢速率常数的影响

乙酸丙酸PAO0.00240.0051GAO0.00430.002826丙酸/乙酸比例对糖原代谢的影响

PAOGAO27SOP释放和吸收比较SOP好氧末浓度及去除率比较丙酸/乙酸对污水处理系统中SOP转化和去除的影响

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

PAO系统中丙酸/乙酸与PHA及PHA组成与磷去除关系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/乙酸比例对PAOs富集系统好氧动力学影响30PHA、SOP和糖原好氧代谢过程模拟

PHASOPGly31

pH调节污水生物处理系统中的PAO和GAO32

pH对SCFA代谢速率的影响

pH代谢速率乙酸丙酸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对糖原转化影响

PAOGAO34PAOGAOpH对PHA代谢的影响

35pH与Gly-syn/PHA-deg的关系pH与Gly-syn/PHA-deg的关系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对SOP释放和吸收的影响pH对SOP好氧末浓度和去除率的影响pH对污水处理系统SOP转化影响

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对PAOs富集系统好氧动力学影响

38PHASOPGlyPHA、SOP和糖原好氧代谢过程模拟

39pH影响的聚磷菌厌氧代谢机理模式GlycogenPHAPoly-PNADH2ATPATPH2PO4-H++HPO42-H++HPO42-SCFAOH-40上述研究结果已发表在

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内容(6)增强生物除磷(EBPR)的特征EBPR系统中的微生物研究

EBPR微生物代谢的生物化学和化学计量学EBPR系统中聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)的代谢特征两种调节EBPR系统中PAO和GAO方法的介绍

碳源优化

pH控制EBPR研究的发展趋势资源化利用污泥有机物作为EBPR的优质碳源降低能耗

42资源化利用污泥有机物作为EBPR的优质碳源43本研究室的结果表明，污泥在pH10、厌氧作用8天的条件下，污泥中生物易降解有机物中有80％以上可转化为可溶性COD，污泥VSS减少10％左右；可溶性COD中有约67％转化为有机酸;有机酸的产量提高4倍左右;有机酸中乙酸和丙酸占了50－60％。44产生的有机酸用于增强生物除磷的研究采用有效容积3.5L的2个SBR1＃SBR：乙酸(COD215mg/L)2＃SBR：发酵液(有机酸COD215mg/L左右)每周期8h－－厌氧2h、好氧3h、沉淀2h、闲置1h每周期更换2.5L新鲜污水45浓度（mg/L）1#2#乙酸乙酸丙酸异丁酸正丁酸异戊酸正戊酸厌氧始203.8076.0145.566.565.038.2911.81厌氧30min0.000.000.000.000.000.000.00表2个SBR反应器内VFA的变化462个SBR反应器的处理效果浓度（mg/L）正磷总磷氨氮硝氮1＃2＃1＃2＃1＃2＃1＃2＃进水11.3511.1411.4911.49