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文檔簡介
增強生物除磷系統的研究進展及發展趨勢
陳銀廣
污染控制與資源化研究國家重點實驗室
同濟大學1主要內容增強生物除磷(EBPR)的特征EBPR系統中的微生物研究
EBPR微生物代謝的生物化學和化學計量學EBPR系統中聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)的代謝特征兩種調節EBPR系統中PAO和GAO方法的介紹
碳源優化
pH控制EBPR研究的發展趨勢資源化利用污泥有機物作為EBPR的優質碳源降低能耗2內容(1)增強生物除磷(EBPR)的特征EBPR系統中的微生物研究
EBPR微生物代謝的生物化學和化學計量學EBPR系統中聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)的代謝特征兩種調節EBPR系統中PAO和GAO方法的介紹
碳源優化
pH控制EBPR研究的發展趨勢資源化利用污泥有機物作為EBPR的優質碳源降低能耗3經過先厭氧、后好氧的過程;厭氧時有明顯的磷釋放,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生的能量吸收污水中的生物易降解有機物(例如,短鏈脂肪酸SCFAs),并在微生物體內合成聚羥基烷酸(PHAs),同時發生糖原(Glycogen)的降解;在好氧時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。45TypicalfeaturesofEBPR(quotedfromWaterRes.,2004,byChenetal.)6內容(2)增強生物除磷(EBPR)的特征EBPR系統中的微生物研究
EBPR微生物代謝的生物化學和化學計量學EBPR系統中聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)的代謝特征兩種調節EBPR系統中PAO和GAO方法的介紹
碳源優化
pH控制EBPR研究的發展趨勢資源化利用污泥有機物作為EBPR的優質碳源降低能耗7不動桿菌Acinetobacter是EBPR系統主要微生物嗎?1975年FuhsandChen報道,Acinetobacterspp.是生物除磷系統中的主要微生物。此后,特別是在90年代,國內外有大量類似的報道。現在多篇文獻證實Acinetobacter不是EBPR系統中主要微生物。這是因為:(i)它的量在
EBPR系統中少于10%;(ii)在EBPR的污泥中占主導地位的呼吸醌是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被認為是EBPR系統中對除磷起主要貢獻的微生物,它們的含量占90%。到現在為止,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系統中具有除磷功能的一類微生物統稱為聚磷菌(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內容(3)增強生物除磷(EBPR)的特征EBPR系統中的微生物研究
EBPR微生物代謝的生物化學和化學計量學EBPR系統中聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)的代謝特征兩種調節EBPR系統中PAO和GAO方法的介紹
碳源優化
pH控制EBPR研究的發展趨勢資源化利用污泥有機物作為EBPR的優質碳源降低能耗11為何在厭氧階段要合成PHAs?污水中的有機物被微生物大量吸收后會對微生物產生毒性并且體積很大,因此需將其轉化為對微生物沒有毒性且容積小的物質。合成的PHA可以作為好氧條件下的能源和碳源物質,以維持外界環境沒有碳源時的細胞生長、代謝。好氧條件下磷的吸收、糖原的合成和細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的合成發生。12在合成PHA時為何需要還原力?因為PHA是比污水有機物,例如短鏈脂肪酸SCFA的還原性更強。EBPR系統中如何產生還原力?通過三羧酸(TCA)循環(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文獻報道的化學計量學系數(厭氧P-release/SCFA-uptake)18文獻報道的化學計量學系數(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內容(4)增強生物除磷(EBPR)的特征EBPR系統中的微生物研究
EBPR微生物代謝的生物化學和化學計量學EBPR系統中聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)的代謝特征兩種調節EBPR系統中PAO和GAO方法的介紹
碳源優化
pH控制EBPR研究的發展趨勢資源化利用污泥有機物作為EBPR的優質碳源降低能耗21PAO與GAO的相同點
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
PAO:厭氧時主要靠聚磷分解產生能量用于吸收污水碳源,因而出現磷的釋放;好氧時將PHA氧化產生的能量用于吸收磷,因而表現為體系溶液中磷的減少。
GAO:厭氧時依靠糖原的分解產生的能量用于吸收污水碳源,因而沒有磷的釋放;好氧時將PHA氧化產生的能量用于合成糖原,因而溶液中磷不會明顯被吸收。
22PHA聚磷菌和聚糖菌代謝過程比較SCFANADH2Poly-PglycogenATPPiPHANADH2glycogenPoly-PATPCellgrowthPiH2O+CO2O2AnaerobicAerobic23內容(5)增強生物除磷(EBPR)的特征EBPR系統中的微生物研究
EBPR微生物代謝的生物化學和化學計量學EBPR系統中聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)的代謝特征兩種調節EBPR系統中PAO和GAO方法的介紹
碳源優化
pH控制EBPR研究的發展趨勢資源化利用污泥有機物作為EBPR的優質碳源降低能耗24
丙酸/乙酸調節污水生物處理系統中的PAO和GAO25丙酸/乙酸比例對SCFA代謝速率常數的影響
乙酸丙酸PAO0.00240.0051GAO0.00430.002826丙酸/乙酸比例對糖原代謝的影響
PAOGAO27SOP釋放和吸收比較SOP好氧末濃度及去除率比較丙酸/乙酸對污水處理系統中SOP轉化和去除的影響
281mol-C丙酸→0mol-CPHB+1.21mol-C(PHV+PH2MV)1mol-C乙酸→0.65mol-CPHB+0.33mol-C(PHV+PH2MV)
PAO系統中丙酸/乙酸與PHA及PHA組成與磷去除關系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PAOs富集系統好氧動力學影響30PHA、SOP和糖原好氧代謝過程模擬
PHASOPGly31
pH調節污水生物處理系統中的PAO和GAO32
pH對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對糖原轉化影響
PAOGAO34PAOGAOpH對PHA代謝的影響
35pH與Gly-syn/PHA-deg的關系pH與Gly-syn/PHA-deg的關系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SOP釋放和吸收的影響pH對SOP好氧末濃度和去除率的影響pH對污水處理系統SOP轉化影響
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PAOs富集系統好氧動力學影響
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理模式GlycogenPHAPoly-PNADH2ATPATPH2PO4-H++HPO42-H++HPO42-SCFAOH-40上述研究結果已發表在
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內容(6)增強生物除磷(EBPR)的特征EBPR系統中的微生物研究
EBPR微生物代謝的生物化學和化學計量學EBPR系統中聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)的代謝特征兩種調節EBPR系統中PAO和GAO方法的介紹
碳源優化
pH控制EBPR研究的發展趨勢資源化利用污泥有機物作為EBPR的優質碳源降低能耗
42資源化利用污泥有機物作為EBPR的優質碳源43本研究室的結果表明,污泥在pH10、厭氧作用8天的條件下,污泥中生物易降解有機物中有80%以上可轉化為可溶性COD,污泥VSS減少10%左右;可溶性COD中有約67%轉化為有機酸;有機酸的產量提高4倍左右;有機酸中乙酸和丙酸占了50-60%。44產生的有機酸用于增強生物除磷的研究采用有效容積3.5L的2個SBR1#SBR:乙酸(COD215mg/L)2#SBR:發酵液(有機酸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SBR反應器內VFA的變化462個SBR反應器的處理效果濃度(mg/L)正磷總磷氨氮硝氮1#2#1#2#1#2#1#2#進水11.3511.1411.4911.49
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