厌氧条件下磷化氢产生机制及其微生物种群的优化控制研究

The biological phosphorus removal technology under anaerobic condition has advantages of low energy consumption and little surplus sludge. But the formation mechanism of phosphide translating into phosphine is only recognized as the result of microbial metabolism. Producing mechanism of phosphine is unclear now which has become a bottleneck of anaerobic biological phosphorus removal technology development and application. This paper is based on improving the stability and efficiency of production of phosphine to study the following characteristic research. (1) Exploring all kinds of biochemical reaction and the biochemical degradation pathway of phosphide in the process of producing phosphine to analyze the metabolism process of producing phosphine bacteria. (2) Study on anaerobic producing phosphine phosphorus removal technology by using ASBR process to determine the advantage growth conditions of target microorganism population and establish the optimal operation scheme of ASBR process. (3)Using molecular biology techniques to trace and determine dynamic characteristics of microbial population structure and quantity of anaerobic phosphine system to analyze the relationship between microbial populations and establish control strategies and control methods for the optimization of the anaerobic microbial populations of anaerobic producing phosphine phosphorus removal technology. The research results can provide the scientific theory for developing new effective energy-saving anaerobic biological phosphorus removal technologies for wastewater treatment.

厌氧产生磷化氢（气态）的生物除磷技术具有能耗低、剩余污泥少等优点，但目前关于磷化物在厌氧条件下转化为磷化氢的形成机制仅能确认为微生物代谢的结果，对磷化氢的产生机理还不清楚，成为厌氧生物除磷技术开发应用的"瓶颈"。本项目立足于提高厌氧产磷化氢的高效性和稳定性，提出以下具有特色的研究内容：（1）探索磷化氢产生过程中的各种生化反应以及磷化物的生化降解途径，解析产磷化氢菌的代谢过程，从反应热力学和反应动力学角度揭示磷化氢产生的生物机制。（2）利用ASBR工艺开展厌氧产磷化氢除磷技术的研究，确定目标微生物种群的优势生长条件，建立工艺的优化运行方案。（3）利用分子生物学技术跟踪测定厌氧产磷化氢系统微生物种群结构和数量的动态变化特征，剖析各微生物种群之间的作用关系，建立面向微生物种群优化的厌氧产磷化氢除磷技术的控制策略和调控方法，为开发高效、节能、减排的污水厌氧生物除磷新技术提供科学理论依据。

目前应用最广泛的除磷方法为强化生物除磷，该方法存在运行操作条件复杂、除磷效果不稳定、脱氮和除磷难以同步实现、污泥产量大和磷回收困难等不足。为有效控制磷污染，开发新型除磷技术，尤其是开发适合高有机物浓度及高含磷工业污水的能耗低、处理效果好的新型除磷方法迫在眉睫。. 磷的气态产物磷化氢及磷酸盐生物还原现象的发现，为我们提供了新的污水除磷技术思路：通过强化这一磷酸盐还原为磷化氢的生物过程，实现污水的气化除磷，从而一定程度上解决以往污水除磷技术的不足。本研究以气化除磷为目的，通过批次及动态试验，主要围绕着以上问题展开研究，取得了以下主要研究结果：. （1）通过长期驯化成功启动了厌氧产磷化氢系统，并取得了稳定的磷化氢产量，发酵气中磷化氢浓度达到2800ng/m3，MBP浓度达到6000ng/kg干泥，为气化除磷研究奠定了基础；微生物种群结构分析表明 ：Methanobacterium甲烷杆菌属、Methanosaeta甲烷丝菌属、Syntrophus互营菌属、Sedimentibacter产氢产乙酸菌、E6、T78、DC129、SHD-231和CadinCA02菌属等新型菌属与产磷化氢有关，是厌氧除磷产磷化氢的优势细菌。. （2）通过静态试验及动态系统研究了产甲烷和产磷化氢的关系，明确了产磷化氢和产甲烷是相似条件下由不同种类微生物主导的两种生化反应，同一体系中产甲烷菌和磷酸盐还原菌为底物竞争关系。在同一厌氧发酵体系中，磷化氢的产生，其浓度不足以对产甲烷作用产生抑制。.. 本研究成功驯化了活性污泥产磷化氢系统，发现碳源、磷源、碳磷比、pH及温度等条件均对磷化氢产生有较大影响，产磷化氢和产甲烷是由不同种类微生物主导的两种生化过程，同一体系中产甲烷菌和磷酸盐还原菌为底物竞争关系。本研究为生物除磷技术开辟了新途径，为气化除磷工艺的开发提供了理论和技术支持，研究具有重要的理论意义和实用价值。