反硝化除磷的生物化学代谢模型

1、中国给水排水CH INA WATER & WA STEVAT ER第22卷第6期2006年3月Vol 22 No. 6M ar 2006反硝化除磷的生物化学代谢模型王亚宜12,王淑莹1,彭永臻1(1.北京工业大学 环境与能源学院，北京100022; 2浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州310014)摘 要：基于Delft科技大学和活性污泥法动力学模型(ASM 2D)推出的反硝化除磷生物化学代谢模型，从生物除磷的计量学和动力学两方面介绍了反硝化除磷过程一系列复杂的生化反应 机理。反硝化除磷与传统好氧除磷的生化反应机理非常相似，两种除磷模式的许多化学计量学和动力学方程可以通用；好氧除磷动力

2、学所涉及的一部分参数同时也适用于反硝化除磷动力学；两者最大的区别就是氧化单位NADH 2所吸收的磷酸盐量(P/NADH2)不同。引起两者 P /NADH 2值不同的最根本原因在于：以氧气作为电子受体和以硝态氮作为电子受体，消耗单位 NADH2所产生的ATP量不同。在An /ASBR反硝化除磷系统中，测得该值为1. 0 moATP /moNADH 2,此值较An /OS BR型好氧吸磷系统降低了40%左右。关键词:生物除磷；反硝化吸磷；代谢模型；化学计量学模型；动力学模型中图分类号：X703. 1 文献标识码：B 文章编号：1000- 4602( 2006) 06- 0004- 04M etab

3、olicM odel for D enitrifyi ng B iochem ical Phosphorus R em oval1 211WANGYayi1, WANG Shu yi ng, PENGY on g zhe n(1 School of E nvir onmen tal and E n ergy E ngin eeri ng, Beiji ng Uni versity of Tech no logy,Beijing 100022 China; 2. Schoolof C ivil Engineering and Architecture Zhejiang Universityof

4、Tech no logy, H an gzhou 310014 Chi na )AbstractFrom the aspects of b iological phosphorus rem oval stoichiometry an d dy namic modelthe comp lex b iochem ical reactionmechin ism of den itrify ing phosphorus removalw as ntroduced based on the denitrify ing phosphorus rm ovalm etabolic mode, wh ich w

5、as put forward by the Delft Un versity and A ctivated SludgeM odelNo. 2. Den itrify ng and aerobic metabolism are iden tical except that n itrate or ox yge n is the final acceptor iin the electr on tran sport phosphorylati on process Th ismea ns that the ma jo rity ofm etabolic reactions are identic

6、aJ Some k inetic param eters under aerobic condition can also be used by den itrify ng phosphorus uptake The m ain d iffere nce is the value ofP /NADH 2 ratio in the electro n trans port phosphorylationwith nitra tewhich is caused by the ATP /NADH 2 ratio The ATP /NADH 2 ratio is the ony model param

7、eter that isd ifferent for aerobic and denitrify ing grow th Ratio ofATP /NADH 2 n elec tron transport phosphoylation w ith n itrate in he anaerobic/anoxic sequenciig batch reactors is 1. 0 m oATP /moNADH 2 and is approximately 40% lower thanw ith oxygen n anaerobic( An /OSBR) systenK ey words：b iol

8、ogical phosphorus removal;den itrify ing phosphorus uptake；metabolic mod基金项目：国家自然科学 基金重点项目( 20377003);中国博士后科学基金 资助项目(2005037296);浙江省自然科学 基金资助项目(Y 505031)Q 1994-20" fhiftaJournal rj_c1ronk Pub4sbirng 丨 Ion 理 Allhlkr/Zwwwcnk i net第6期王亚宜，等:反硝化除磷的生物化学代谢模型第22卷els; stoich iom etry m odel dynam ic m o

9、del 1994-2010hina Acadernic Jourr日 1 r.lcctrnhHp:A?wvvxnkiPnei第6期王亚宜，等:反硝化除磷的生物化学代谢模型第22卷 1994-2010hina Acadernic Jourr日 1 r.lcctrnhHp:A?wvvxnkiPnei第6期王亚宜，等:反硝化除磷的生物化学代谢模型第22卷目前已得到广泛认可的A /O法生物除磷模型是由Smoder等 ( 1995)提出的1。该模型涵盖了3个厌氧和5个好氧生化反应过程，其中也包含了聚 磷菌(PAO)体内糖原的代谢反应模式。这个模型 已经被证明能够很好地表述生物除磷过程所涉及的 许多复杂的

10、生化反应机理。随后，Delft科技大学的Kuba和M urnle itner等基于对 An /ASBR(厌氧/缺氧 SBR)反硝化除磷工艺的试验研究，推出了反硝化除磷的代谢模型体系，并给出了相关的化学计量学和 动力学参数,从而使人们对反硝化除磷的机理有了 更深层次的了解23。反硝化除磷生化代谢模型是 在对A /O生物除磷模型做出相应的调整和修改基 础上提出的，通常被称 为A/A除磷模型。在 A/O 和A /A两种除磷模型中，厌氧环境下的代谢模式基 本相同，而后续的好氧或缺氧生化反应阶段只是电 子受体发生了变化，因此它们之间有许多相通之处。 1反硝化除磷代谢模型生物除磷过程的主要生化反应都是基于

11、细胞内 贮物展开的，因此为了较精确地表述除磷代谢模式，必须严格区分活性微生物和细胞内贮物这两种物质。微生物胞内贮存的多聚化合物质(FHB糖原及聚磷颗粒)在代谢模型的阐述过程中都为独立的成 分。细胞干物质中的悬浮物质(SS)可从挥发性悬浮固体物质(VSS)和灰分物质灰分中95%为聚磷 酸物质(KM g) 1 /3 PO3) n 中单独区分开。在工艺运 行过程中，活性污泥中具有活性部分的量通常为常 数,但是细胞内贮存物质(FH B、糖原及聚磷 颗粒)在除磷过程中均会发生变化。1 1厌氧放磷化学计量学A /O和A /A工艺在厌氧阶段所有基于微生物 的生化反应基本相同4，主要包括三个反应过程： 乙酸被

12、PAO吸收并以 FHB的形式贮存于胞内； !聚磷菌分解体内聚磷，并产生能量ATP; ?糖原转 变为 PHB产生 ATP和NADH2。为维持生命体在厌氧 #压抑？环境生长，聚磷微 生物利用分解聚磷产生的ATP，同时将正磷酸盐释放到混合液中(表现为磷的释放)。1 2反硝化吸磷(好氧)化学计量学好氧或反硝化吸磷的所有反应可以通过6个生化反应表述出来，其中4个反应过程因为没有涉及 电子受体，所以无论是好氧吸磷还是缺氧吸磷，其过 程完全相同：聚磷酸盐的形成；！细胞自身生长和 维持(PAO体内多聚磷酸盐的消耗主要被用于微生 物自身的同化作用)；?糖原的形成；三羧酸循环(TCA)过程PHB的消耗；&

13、消耗NADH2产生ATP; ?磷的吸收。其中反应过程&、？依赖于电子受体的类型以及生物膜的扩散作用。就反应过程&而言，以。2作为电子受体：NADH 2+ 1 /202( oATP+ H2O( 1)以NO3作为电子受体：NADH 2 + 2/5HNO3 ( 1/52+ nATP+ 6/5H2O( 2)对于好氧吸磷系统，Smolders等给出的。值为 1. 8而对于反硝化除磷系统，Kuba等根据试验结果2得到的n值为0 9。就反应过程？而言，由于将系统外的磷酸盐运 输到细胞内，需要克服细胞质膜内外的化学渗透浓 度梯度(PMF)，这就需要消耗 NADH2以产生能量。当以O2作为电子受

14、体时：oH3PO4(ou t) +NADH 2+ 1 /2O2(oH 3PQ( in) + H 2O( 3)当以N03作为电子受体时：oH3PO4(out) +NADH 2 + 2/5HNO3 ( nH3PO4( in) + 1/52+ 6/5山0( 4)对于好氧吸磷系统，Smoders等给出 o的推荐 值为7而对于反硝化除磷系统 ，可以通过 Kuba等 推导出的公式计算求得2:nn = o ) (5)o式中的 值在好氧吸磷和反硝化吸磷工艺中分别为1. 8和0 Q2反硝化除磷动力学2 1厌氧放磷动力学厌氧环境中对乙酸盐的吸收动力学为：maxCaCrAC =qAC)CAC7KC) Cx) 1-

15、Cno3/(Cg + K NO3) ( 6)对于好氧吸磷工艺，Smoders等给出的 卡孑值为 1994-2010hina Acadernic Jourr日 1 r.lcctrnhHp:A?wvvxnkiPnei第6期中国给水排水第22卷0 4mmol C/(mm ol CM LSS h)。而在缺氧吸磷系 统中，Kuba等给出的值为0. 2 mmol C/( mmol C M LSS h)。在随后的研究过程中，多采用两者的平 均值(0 3),该值可在缺氧和好氧吸磷反应中通用。Kuba给出的Kac和Kn°3值分别为 1 0 mmol C/L和 0 05mmolNO 3 /L。微生物为维

16、持自身的生长，其放磷反应动力学为：an aerob ican aerob icrp= m p ) Cx Cno3 /( Cno3 + k no3 )(7)在厌氧条件下，微生物维持自身生长的能量来 自体内聚磷颗粒的分解。因此，微生物在厌氧条件 下维持自身生长的内源代谢速率可以通过磷的二次 释放速率 来获得，Kuba等( 1994)推荐该过程的an aerob icm p 值为 0 002 5 mmol P/( mmol CM LSS5h)。在动力学方程的研究过程中，还引入了开关函 数。式(6)、(7)中中括号内的项：Cx/(Kx + Cx)即为 开关函数项，在开关函数中的 Kx通常是个较小值。

17、当Cx浓度较大时，该开关函数值趋近1,表示微生物在含有 Cx环境中的反应动力学符合Mo nod方 程;当Cx浓度较小时，该开关函数值趋于零，表示微 生物生长因Cx浓度低而难以进行。例如，在好氧条 件下，Cno3M度很低，因硝态氮的开关函数值为零，故缺氧反应动力学无法进行。2 2缺氧吸磷动力学在缺氧条件下，微生物细胞的合成、磷的吸收及 糖原的合成这三个动力学方程如式(8)、( 9)和(10)所示，同时还定义了一个微生物菌溶系数公式 (11)。PHB和硝态氮在缺氧条件下的变化速率可 以通过式(8)、(9)和(10)三个动力学方程计算得 到。微生物净增殖动力学方程：den itrirx=k<)

18、fPHB)Cx)CNO 3/( CNO 3+ KNO3 )(8)式中kx的推荐值为 0 05 mol C/( molC MLSS h); fPHB表示胞内 PH B的量占污泥中活性部分数 量的比值，即 mmol C PHB /mmol C MLSS!磷的吸收动力学方程：denitrim axpp = kpp ) fp /( Cp + K p )(1- fpp /f pp )1 /3(fPHB ) Cx ) CNO3 /( CNO3 + KNO 3 )(9)式中 kp値为 Q 1 mol P/( mol C h)，Kp 为 0 1 mmolP/L，f；px为 0. 3 mol P/mol Co

19、方程中的指数 表示与FH B的表面积有关，1/3代表细胞体内 PHB 颗粒的比表面积。当fPHB增加2倍，则比表面积值增加21"。?糖原的合成动力学方程：d en itr imaxrgl= kgl ) ( f gl - fgl ) ) Cx ) Cno3 /(Cno 3 + Kno3 )(10)式中kg值通常为0 8 mol C/( mol C MLSSmax »h)，f gl 为 Q 3molC / molC MLSS。%缺氧条件下FH B的转化速率在研究过 程中，假设没有发生NADH 2和ATP的净积累量，有关PHB所有在缺氧条件下的化学计 量学方程(血)能够利用3个P

20、HB的产率系数(1 / Yphb- x、1 /Yphb- pp、1 /Yphb- gl )及一个微生物生长消耗 的FHB速率(mPHB )，通过下式来表示：-rPHB = ( 1 /Yphb- x ) ) rx + ( 1 /Yphb- pp ) )pp+ ( 1 /Y=HB- gl ) ) rgl + m PHB ) Cx ( 11)其中：1 /Yphb- x =(0 635+ 2 242 5 n + k) /( 2 25 n+ 0 5)1 /Yphb- pp =(n / n + 3 ) /( 2 25 n + 0. 5)1/Yphb- gl =(2 n + 1. 5) /( 25 n +

21、Q 5)m PHB = mATPn/( 2 25 n + 0. 5)式(11)给出了生物增长(rx)、聚磷盐和糖原合成pp和rgl、以及微生物同化作用(mATP )所需要的PHB量;产率系数分别由除磷代谢模式中的系数n、k、3、n和mATPn表示；k表示合成单位 CM LSS 所要消耗的 ATP量，Smolders等给出的值为1 5molATP /mol CM LSS 3表示 合成单 位聚磷 所需 要的 ATP量，Smolders所得到的3 = 1；菌溶系数在生化代谢模型中被定义为mATP，它表示在微生物同化过程中ATP的比消耗率。式中rx、pp和rg可由式(8)、 (9)和(10)计算得到。

22、& 缺氧条件下硝态氮的转化速率(反硝化速 率)同样，在化学计量学中，缺氧条件下 NO3的变 化速率能够利用NO3的产率系数(1 /Yn°3- x、 1 /YNO3- pp、1 /YnO 3- gl )及一个微生物同化 作用速率 (mN03)表示:1094-2010和曲 Acdrfiic .h'njmali Puti6All right? reset ted, hllp：泓vwwicnlti個-ino3 = (1 /Yno3- x) rx+ ( 1 /Yno3- pp )pp +(1 /Yno3- gi) rgi + mNo3 Cx (12) 其中：1 /YNO3- x

23、= (0 123+ Q 9k) /( 2. 25 n + 0 5)1 /YnO3- pp= ( 0 9 n / n + 0. 93)/( 2 25 n + 0. 5)1 /Yno3- gi= 0 95/( 2 25 n + 0 5) mNo 3 = 0. 9mATPn /( 2 25 n + 0 5) 式中的系数(n、k 3、n )和菌溶 系数mATPn在 好氧和缺氧环境下的意义相似，但它们在缺氧条件 下的值通常为好氧条件下的4 /5=微生物的内源代谢作用动力学方程：anoxic=mN°3 Cx CNO3 /( CNO3 + K NO3 )(13)Kuba等计算出 的mNo3值为0

24、003 6 mmol C/5(mm ol C MLSS h)。3结论基于De Ift科技大学和活性污泥法动力学模型ASM 2D推出的反硝化除磷生物化学代谢模型，从生物除磷的计量学和动力学两方面，详细介绍了反硝 化除磷过程一系列复杂的生化反应机理。通过上述 内容的概括分析可得：反硝化除磷与传统好氧除磷 的生化反应机理非常相似，两种除磷模式的许多化 学计量学和动力学方程可以通用；好氧除磷动力学所涉及的一部分参数同时也适用于反硝化除磷动力 学；两者最大的区别就是氧化单位NADH 2所吸收的磷酸盐量(P/NADH2)不同。引起两者P/NADH2值不同的最根本原因在于：以氧气作为电子受体和以 硝态氮作为

25、电子受体，消耗单位 NADH 2所产生的ATP量不同。An /ASBR反硝化除磷系统中，测得该 值为1. 0 moIATP/NADH 2,此值较An /OSBR型好氧 吸磷系统降低了 40%左右。通过对反硝化除磷代谢模式的研究可以更深入 地了解废水生物除磷处理过程较深层次的问题 ，提 高人们对于生物除磷体系 中反硝化除磷机理的认 识，使废水生物处理的设计和运行更加理论化和系 统化，进一步促进生物处理设计理论的发展 ，有效解 决我国所面临的水体富营养化的严峻问题。参考文献：1 Smolders G J F. A structured me tabolic m odel for the an ae

26、robic and aerobic stoichiometry of the biological phos phorus remova process J. Biotechnology and B ioengi neering，1995 47: 277- 287.2 Kuba T，M urn leitnerE，Van LoosdrechtM CM，et al A metabolic m odel for the b io logical phosphorus remova by denitrifying organisns J. Biotechnology and B ioengi neering，1996 52 685- 695.3 M urnleitnerE，KubaT，Van LoosdrechtM CM，etal. Anntegratedm