增强生物除磷系统的研究进展

1、1,增强生物除磷系统的研究进展 陈银广污染控制与资源化研究国家重点实验室同济大学,2,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,3,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EBP

2、R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,4,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。,5,6,Typical features of EBPR (quoted from

3、Water Res., 2004, by Chen et al.),7,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,8,不动杆菌Acinetobacter 是EBPR系统主要微生物吗？ 1975 年Fuhs and Chen报道 ，Acinetobacter spp.是生物除磷系统中的主要微生物。 此后，特别是在90年

4、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) and mena-quinone-8 (H4) (MK-8(H4), 而在 Acinetobacter 主要是 Q-9.,9,哪种微生物在 EBPR中起主要作用? 近几年，Candidatus Accumulibacter Phosphatis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EB

5、PR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)。,10,有哪些研究EBPR微生物的方法? PCR TGGE 、DGGE FISH 16S rRNA、16S rDNA Quinone (Ubiquinone/Menaquinone) 克隆库方法,11,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

6、EBPR的优质碳源 降低能耗,12,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。,13,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 (the Co

7、meau-Wentzel model) or 通过糖原降解 (the Mino model, and Adapted Mino model),14,Comeau-Wentzel model TCA cycle to produce NADH2 nCH3COOH + nATP + 4nNAD 4nNADH2 + nADP + nPi + 2nCO2 PHB synthesis 2nCH3COOH + 2nATP + nNADH2 (C4H6O2)n + nNAD + 2nADP + 2nPi + 2H2O Overall reaction 9nCH3COOH + 9nATP (C4H6O2)4n

8、 + 9nADP + 9nPi + 2nCO2 Conclusion 1mol CH3COOH + 1mol ATP 0.44mol PHB + 1mol Pi or 1mol-C CH3COOH + 0.5mol ATP 0.89mol-C PHB + 0.5mol Pi,15,Mino models Glycogen degradation via EMP pathway to produce NADH2 (C6H10O5)n + 3nADP + 4nNAD + 3nPi + 2nCoASH 4nNADH2 + 3nATP + 2nCH3COCoA + 2nCO2 PHB synthesi

9、s 2nCH3COOH + 2nATP + nNDH2 (C4H6O2)n + nNAD + 2nADP + 2nPi + 2H2O Overall reaction 6nCH3COOH + 3nATP + (C6H10O5)n (C4H6O2)4n + 3nADP + 3nPi + 2nCO2 Conclusions 1mol CH3COOH + 0.5mol ATP + 0.167mol (C6H10O5)n 0.67mol PHB + 0.5mol Pi or 1mol-C CH3COOH + 0.25mol ATP + 0.5mol-C (C6H10O5)n 1.33mol-C PHB

10、 + 0.25mol Pi,16,Adapted Mino models Glycogen degradation via ED pathway to produce NADH2 (C6H10O5)n + 2nADP + 3nNAD + nNADP + 2nPi + 2nCoASH 3nNADH2 + 2nATP + nNADPH2 + 2nCH3COCoA + 2nCO2 PHB synthesis 2nCH3COOH + 2nATP + nNDH2 (C4H6O2)n + nNAD + 2nADP + 2nPi + 2H2O Overall reaction 6nCH3COOH + 4nA

11、TP + (C6H10O5)n (C4H6O2)4n + 4nADP + 4nPi + 2nCO2 Conclusions 1mol CH3COOH + 0.67mol ATP + 0.167mol (C6H10O5)n 0.67mol PHB + 0.67mol Pi or 1mol-C CH3COOH + 0.33mol ATP + 0.5mol-C (C6H10O5)n 1.33mol-C PHB + 0.33mol Pi,17,三个模型的比较 Comeau-Wentzel model 1mol-C CH3COOH 0.89mol-C PHB + 0.5mol Pi Mino model

12、 1mol-C CH3COOH + 0.5mol-C (C6H10O5)n 1.33mol-C PHB + 0.25mol Pi Adapted Mino model 1mol-C CH3COOH + 0.5mol-C (C6H10O5)n 1.33mol-C PHB + 0.33mol Pi,18,文献报道的化学计量学系数(厌氧P-release/SCFA-uptake),19,文献报道的化学计量学系数(厌氧糖原降解及PHA合成),20,(quoted from Chemosphere, 2007, 66: 123-129 ,by Liu et al.),21,内 容 (4),增强生物除磷(

13、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,22,PAO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。,23,PHA,聚磷菌和聚糖菌代谢过程比较,SCFA,NADH2,Poly-P,glycogen,ATP,Pi,PHA,NADH2,glycogen,Poly-P,ATP,Cell