增强生物除磷系统中微生物及其代谢机制研究进展

阐述了增强生物除磷系统中两种重要微生物——聚磷菌和聚糖菌的厌氧-好氧代谢的基本原理,着重介绍了几种典型的聚磷菌和聚糖菌,以及这两类微生物的生长环境、分离纯化方法和探针序列的最新进展,接着进一步分析了聚磷菌和聚糖菌基于乙酸、丙酸和混合酸作为碳源的厌氧代谢模型及物质转化关系,最后对增强生物除磷的研究方向进行了展望。     

生物除磷系统启动期聚磷菌的FISH原位分析与聚磷特性

应用FISH对以乙酸钠为碳源的强化生物除磷 (EBPR) SBR反应器启动期的微生物进行原位分析,考察除磷生态系统形成过程中聚磷菌种群结构、空间分布关系动态变化及其聚磷特性.结果表明,以异养菌为主的活性污泥经过厌氧/好氧驯化后,聚磷菌大量富集,在全菌中的比例由11.5%增加到40.48%.启动过程中,生物系统内菌群竞争持续进行：首先,聚磷菌淘汰异养菌,历时5 d;聚磷菌种群内选择过程历时19 d;经过优势聚磷菌群的二次增长后,共计34 d完成生物除磷系统的启动.富集过程中快速增殖的聚磷菌不能立刻行使除磷能力,要有一段“积累期”形成一定的PHA和poly-P储备.表现为污染物去除效率滞后于聚磷菌的增殖,经过4～8 d的 “积累期”后上升出现峰值.二次增长的优势聚磷菌群也经过“积累期”后才发挥作用.FISH图片显示,快速增殖期的聚磷菌菌体小,菌群结构松散.经过“积累期”之后,菌体不断增大,并开始紧密聚集形成致密的团状,此时反应器处理效率较高.     

改性煤矸石对上覆水磷及底泥磷代谢关键基因的影响

将热活化煤矸石和镧改性煤矸石应用于封闭水体除磷固磷试验,采用16SrRNA高通量测序技术分析底泥微生态群落结构、聚磷细菌和磷代谢功能基因的变化.结果表明：镧改性煤矸石对上覆水TP的去除能力最高,稳定期上覆水TP浓度为0.023~0.028mg/L,较对照组低83.5%以上,热活化煤矸石对上覆水TP的去除能力较差,稳定期上覆水TP浓度为0.15mg/L左右,略低于对照组.热活化煤矸石和镧改性煤矸石均提高了底泥中微生物多样性,变形菌门（Proteobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）为底泥优势菌种.不同处理组底泥中聚磷细菌为Tetrasphaera和Candidatus_Accumulibacter,镧改性煤矸石显著降低了底泥中聚磷细菌的相对丰度.热活化煤矸石和镧改性煤矸石对多聚磷酸盐激酶（PPK）影响不大,但对外切聚磷酸酶（PPX）的抑制较大,热活化煤矸石抑制最大.     

改性煤矸石对上覆水磷及底泥磷代谢关键基因的影响

将热活化煤矸石和镧改性煤矸石应用于封闭水体除磷固磷试验,采用16SrRNA高通量测序技术分析底泥微生态群落结构、聚磷细菌和磷代谢功能基因的变化.结果表明：镧改性煤矸石对上覆水TP的去除能力最高,稳定期上覆水TP浓度为0.023~0.028mg/L,较对照组低83.5%以上,热活化煤矸石对上覆水TP的去除能力较差,稳定期上覆水TP浓度为0.15mg/L左右,略低于对照组.热活化煤矸石和镧改性煤矸石均提高了底泥中微生物多样性,变形菌门（Proteobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）为底泥优势菌种.不同处理组底泥中聚磷细菌为Tetrasphaera和Candidatus_Accumulibacter,镧改性煤矸石显著降低了底泥中聚磷细菌的相对丰度.热活化煤矸石和镧改性煤矸石对多聚磷酸盐激酶（PPK）影响不大,但对外切聚磷酸酶（PPX）的抑制较大,热活化煤矸石抑制最大.     

生物除磷系统的聚磷微生物种群及其检测方法

总结了强化生物除磷(EBPR)系统中的聚磷菌微生物学的研究成果,介绍了聚磷菌所涉及主要菌群的菌属分类情况及其生物特性,阐述了EBPR系统内聚磷菌微生物学研究的各种分离鉴定技术的特点,包括传统的微生物纯培养技术、染色与光学显微镜技术,现代分子及其扩展技术及组合技术等,并分析了各分子生物技术的应用情况。重点介绍了以Accumulibacter为主的聚磷菌形态学和代谢特性方面取得的研究进展,并对今后聚磷菌微生物学的研究和发展方向进行了论述。     

聚烃基烷酸转化对强化生物除磷影响研究

通过丙酸和乙酸C-mol比为0.5和2的合成废水驯化微生物的SBR反应器(SBR1和SBR2)批式实验,研究了强化生物除磷系统中聚烃基丁酸(PHB)和聚烃基戊酸(PHV)的转化对磷吸收/释放及去除率的影响.结果显示,磷的释放/吸收和去除率与PHB和PHV的转化有很好的相关性(R²>0.90).回归系数表明,特定废水驯化的污泥,磷的吸收和释放主要受PHB转化的影响,但磷的去除率却主要依赖于PHV的合成与降解;对于不同比例丙酸/乙酸废水驯化污泥,SBR2比SBR1污泥的PHB合成和降解能力增强,PHV合成和降解能力减小,生物除磷效果平均增加16.69%.因此,进水丙酸/乙酸比例及驯化影响聚磷微生物的PHB/PHV转化量,进而影响对磷的吸收/释放和除磷效果,PHB与PHV的转化量应作为生物除磷系统的关键调控因素考虑.     

强化生物除磷过程中厌氧合成PHA代谢机制的最新研究进展

聚羟基链烷酸酯(PHA)是许多微生物在不平衡生长条件下合成的一类可作为细胞碳源和能源的物质。PHA代谢已被证明是影响生物脱氮除磷尤其是强化生物除磷功能的一个关键过程。本文综述了强化生物除磷系统中厌氧合成PHA代谢机制的最新研究进展。首先,重点介绍了聚磷菌和聚糖菌利用不同碳源厌氧合成PHA的代谢机制以及合成PHA的还原力和能量来源问题;然后对聚磷菌和聚糖菌合成PHA的代谢机理及其化学计量学进行了对比分析;最后,针对强化生物除磷机理和PHA厌氧代谢机制研究进展缓慢这一现状,指出了今后PHA还原力和能量产生机制的研究可能是完善强化生物除磷机理的关键点和突破口之一。     

转聚磷激酶大肠杆菌诱导表达条件及磷浓度对其除磷能力的影响

在优化转聚磷激酶基因的大肠杆菌（BL-PPK）诱导表达条件基础上探讨了外界磷浓度对其除磷能力的影响,发现37℃细胞对数生长早期添加1．5mmol／LIPTG时聚磷激酶的表达活性和细胞除磷效率最高,同时BL—PPK对高达35mg／L的磷酸盐在6．5h内的去除效果达到99％以上,并以聚磷的形式积累在细胞内。     

市政污水处理厂生物除磷运行效能与机理分析

选取浙江北部10个污水处理厂,调研污水厂生物除磷的运行效能并开展污泥活性以及微生物分布特征及其除磷机理的研究.通过活性污泥批试验表明,厌氧释磷率和好氧聚磷率(以P计)平均为2.4mg/(g·h)和2.2mg/(g·h);反硝化聚磷菌(DPAOs)占聚磷菌(PAOs)的比例为0.0%～80.1%.荧光原位杂交法(FISH)对活性污泥微生物群落结构分析表明,聚磷菌(PAOs)比例为2.0%～8.7%,聚糖菌(GAOs)比例为1.3%～22.4%.根据调查结果和生物除磷性能研究,可通过调整污水营养成分和设置独立前置反硝化池等方法改善除磷效果.     

磷回收对厌氧/好氧交替式生物滤池蓄磷/除磷的影响

为能提高生物除磷系统的除磷/回收磷效率,研究采用厌氧/好氧交替式生物滤池(AABF)处理低碳磷比废水,观察利用周期性扩增进水碳源进行磷回收时,生物滤池除磷效率及生物膜内微生物特性的变化.通过分析生物滤池除磷效率变化,生物膜多聚物染色、扫描电镜(SEM)观察以及荧光原位杂交(FISH)技术分析生物滤池系统实施周期性磷回收对生物膜内微生物菌群形态与组成的影响.结果发现,生物滤池在先后经历3次生物蓄磷-磷回收(PB-PR)的运行操作过程中,生物滤池除磷效率分别由磷回收前的60.3%、82.9%、86.6%提高到磷回收后的87.2%、91.2%、93.5%;生物滤池生物膜内优势菌群形态逐渐由大球菌演变为小球菌、杆菌与丝状菌;经过连续3个周期的PB-PR操作,生物滤池底部生物膜中聚磷菌所占比例由43%提高至70%;聚磷菌群在生物膜内混合菌群中的比例随着上流式生物滤池高度的增加而不断提高.结果表明,采用周期性的碳源扩增与回收磷的操作,可以提高生物滤池除磷效率;引起生物滤池生物膜内微生物菌群形态与组成发生变化,促进聚磷菌成为优势菌群.     

The role of glucose in developing enhanced biological phosphorus removal

Sequential batch reactors were operated to study the mechanism of developing enhanced biological phosphorus removal (EBPR) while feeding glucose as the dominant substrate. Initial results indicated that feeding glucose as the dominant substrate caused poor and un-stable EBPR performance, similar to the findings reported by other researchers. The operating procedures for the glucose system were modified to longer anaerobic reaction time, higher glucose concentration in the influent, and shorter aerobic reaction time with a limited DO level. The application of these modified procedures successfully established stable EBPR performance by using glucose as the major substrate. Batch experiments showed that glucose was immediately transported into the bacteria and stored as glycogen and that poly-β-hydroxyvalerate predominated poly-β-hydroxyalkanoate (PHA) during the anaerobic phase. It was also observed that much lower levels of PO₄-P anaerobic release and PHA accumulation occurred in the glucose induced EBPR system than in the acetate induced EBPR system. It is hypothesized that glycogen might replace the essential energy role of polyphosphate under the anaerobic condition, which results in the deterioration of PO₄-P removal unless these modified operating procedures are applied.     

EBPR工艺污泥中聚磷菌多样性与除磷潜力评价方法

自1970年代研究者发现聚磷菌(polyphosphate accumulating organism, PAO)并提出经典的强化生物除磷(enhanced biological phosphorus removal, EBPR)工艺“厌氧释磷-好氧摄磷”机理以来,随着EBPR工艺中PAO新菌株的不断发现和生理生化特征研究的不断深入,研究者们对EBPR机理的认识一直在不断更新. 及时总结近40年来EBPR机理的研究进展,基于活性污泥中PAO菌株信息全面归纳PAO多样性特征,以此为依据客观评价目前活性污泥中PAO除磷潜力评价方法的不足并展望未来重点研究方向,对于推动EBPR工艺优化升级将具有非常重要的理论与实际意义. 本文全面调研了1980—2021年国际期刊相关文献,发现传统EBPR机理中厌氧内碳源合成、厌氧释磷意义等受到了较多质疑,反硝化聚磷新机理已获得广泛认同;活性污泥中PAO具有异常丰富的多样性,包含Acinetobacter(29%)、Pseudomonas(15%)、Tetrasphaera(4%)、Alcaligenes(4%)等42个菌属,部分PAO具有反硝化聚磷和异养硝化能力. 在目前主流的活性污泥PAO除磷潜力评价方法中,荧光原位杂交和定量PCR技术只以Accumulibacter或Acinetobacter属PAO为检测对象,高通量测序和变性梯度凝胶电泳技术基于片面的PAO多样性信息作为分析依据,在此基础上PAO丰度所反映的PAO除磷潜力的准确性尚存在疑问,未来需要加强面向活性污泥PAO多样性的探针或特异性引物的研发. 与传统方法相比,EDTA法胞内多聚磷酸盐颗粒含量检测技术较为先进,但需要以PAO和非PAO菌株为参照深入阐明检测结果的边界.      

EBPR中两类细菌PAOs和GAOs竞争的研究进展

强化生物除磷(EBPR)工艺可以获取高效的除磷效果,已在很多污水处理厂得到广泛应用。但是大型污水处理厂在相当多的条件下,EBPR工艺也会出现周期性除磷效果的波动和不充分。针对这一难题,研究者试图采用许多手段来研究工艺中的主要微生物。文章针对典型的EBPR工艺和碳源、pH值、温度等因素对EBPR工艺中两类细菌聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)竞争的研究进展进行了论述,并展望了未来的研究方向。     

富磷污泥厌氧发酵过程中乙酸浓度对磷释放的影响

以强化生物除磷(EBPR)污泥为研究对象,考察了不同初始乙酸浓度条件下富磷污泥厌氧发酵过程中磷及相关指标的变化,并探讨释磷机制.结果表明:初始乙酸浓度对污泥最大释磷量影响不大,(73.1±2.2)%的污泥总磷量(TP)以磷酸盐的形式释放到液相中,其主要来自聚磷的分解.聚磷的分解途径包括:1)聚磷菌(PAOs)通过吸收乙酸贮存聚β-羟基烷酸酯(PHA)的厌氧生物释磷机制释放磷酸盐;2)PAOs的维持作用导致的聚磷直接分解过程.当初始乙酸浓度不充足时,生物释磷过程受限制,聚磷以相对较慢的速率直接分解;随着乙酸浓度的增大,生物释磷速率增快,同时随之增加的PHA含量能促进污泥的水解酸化.上清液中PO43--P和Mg2+浓度在达到最大值后出现了下降的现象,其可能形成鸟粪石等沉淀.根据试验数据,本文提出了从富磷污泥中回收磷的策略,即可在厌氧消化开始前向污泥中投加一定量碳源,并在发酵24h内分离上清液进行磷回收,这样不仅可以快速大量地从上清液中回收磷并减少沉淀引起的管道堵塞等问题,还可消除高浓度磷酸盐对厌氧消化的影响.     

纳米ZnO浓度对EBPR系统除磷性能的影响

采用SBR工艺接种成熟的强化生物除磷(EBPR)絮状污泥,研究了不同浓度纳米ZnO(ZnO NPs)对颗粒化EBPR系统性能的影响。结果表明:低浓度(≤1 mg/L)ZnO NPs可促进厌氧释磷和好氧吸磷作用;随着ZnO NPs浓度的增加,磷酸盐及COD去除能力受到明显抑制;在厌氧释磷过程中,PAOs对ZnO NPs的毒性更为敏感;与未受ZnO NPs污染的系统相比,ZnO NPs浓度为15 mg/L条件下的释磷速率与吸磷速率分别下降了0.1 mg/(gVSS·min)和0.15 mg/(gVSS·min)。     

系列混合碳源条件下颗粒化EBPR系统菌群结构变化规律研究

在SBR反应器中接种富含聚磷菌的活性污泥,采用一系列不同丙酸/乙酸比例混合的碳源进行EBPR系统污泥的颗粒化培养,并考察了颗粒化进程中的系统菌群结构变化,以及不同混合碳源条件对系统功能菌种竞争的影响.结果表明,污泥颗粒化过程对EBPR系统菌群结构产生了较大的筛选作用.原本在系统中占优势的一类Uncultured bacterium被迅速淘汰;Uncultured Rhodocyclaceae bacterium、部分Candidatus Competibacter phosphatis、部分Denitrifying bacterium、Acinetobacter及部分Uncultured alpha proteobacterium分别逐渐被淘汰.在各个成熟的颗粒化EBPR系统中,除磷微生物主要为Uncultured Chlorobi bacterium与Uncultured alpha proteobacterium.不同混合碳源条件培养的颗粒化EBPR系统菌群结构差异主要表现为Candidatus Competibacter phosphatis(聚糖菌)与Uncultured Chlorobi bacterium(聚磷菌)菌群数量的不同.混合碳源中乙酸比例的提高可造成颗粒化EBPR系统中Candidatus Competibacter phosphatis的增长,使系统的除磷效率下降.而碳源中丙酸比例相对较高的条件有利于Uncultured Chlorobi bacterium增长,从而有助于颗粒化EBPR系统维持较好的除磷效率.     

游离氨对强化生物除磷系统除磷效能及菌群结构的影响

为探究游离氨(FA)影响强化生物除磷(EBPR)系统除磷效能的生物学机制,采用SBR反应器,以EBPR系统的活性污泥为研究对象,探究了FA浓度分别为0,0.2,1,4,10,15,25,50 mg/L对EBPR系统除磷效能及菌群结构的影响。结果显示,FA浓度为0.2 mg/L时,对EBPR系统除磷产生促进作用,当FA浓度为1~50 mg/L时,对EBPR系统除磷产生抑制作用;门水平下,变形杆菌门Proteobacteria的丰度随着FA浓度的升高而升高;纲水平下,γ-变形菌纲Gammaproteobacteria的丰度与FA浓度呈正相关;属水平下,聚磷菌Ca. Accumulibacter与 Tetrasphaera相比,Tetrasphaera的丰度变化趋势更符合FA对除磷性能的影响;LEfSe分析显示低、中、高浓度样品的微生物标记物分别为绿弯菌门Chloroflexi、拟杆菌门Bacteroidetes及β-变形菌纲Betaproteobacteriales。研究结果明确了FA对 EBPR 系统影响的过程,加深了对EBPR系统除磷过程菌群结构的认识,可为深入研究生物除磷的抑制机理提供借鉴。