（环境工程专业论文）a2n双污泥反硝化除磷工艺处理城市生活污水的研究.pdf

摘嘤 摘要 当前，水体富营养化是我们所面临的最为严重的环境问题之一。氮磷元素 过剩是引起水体富营养化的主要原因，因此以控制富营养化为目的的脱氮除磷 已经成为当今污水处理领域的研究热点。反硝化除磷是近年来很受关注的污水 生物处理新技术，基于此理论丌发出的a 2 n 双污泥反硝化除磷工艺既可大幅度 节省供氧量，又能减少有机碳源投加量、剩余污泥产量，并减少反应器的容积。 该工艺对于处理低c o d t n 城市生活污水具有传统脱氮除磷工艺所不具有的独 特优点，对于提高低c o d t n 比值城市生活污水脱氮除磷效率具有重要意义。 为促进a 2 n 双污泥反硝化除磷工艺在处理低c o d t n 城市生活污水的研究 发展，本课题以实际生活污水为处理对象，采用连续流模型与间歇试验相结合 的方法对a 2 n 工艺的机理以及工艺运行参数进行了研究。 a 2 n 反硝化除磷工艺是双污泥系统，以硝化荫为主体的好氧硝化生物膜系 统，以反硝化聚磷污泥为主体的活性污泥系统。a 2 n 系统的启动采取先培养反硝 化聚磷菌和好氧硝化生物膜后注入a 2 n 系统连续运行的方式，两种微生物能够在 各自最佳的环境中驯化培养，使系统能够快速启动。 在成功启动a 2 n 工艺的基础e ，对该工艺处理低c o d t n 比值城市生活 污水脱氮除磷的特性进行了深入研究。反硝化聚磷菌( d p b ) 能够利用同一碳 源同时完成反硝化和聚磷两种反应，避免了传统工艺中两种反应在底物问题上 产生的竞争问题。在进水c o d t n 比值较低的情况下，系统仍然具有较好的氮 磷去除效果。在问歇试验中，反硝化聚磷污泥表现出较好的释、吸磷效果。同 时，由于厌氧池的存在相当于一个前置厌氧选择器，抑制了污泥膨胀的发生， 反硝化聚磷污泥具有良好的沉降性能。通过电子显微镜观察到在生物膜上微生 物相十分丰富，可以观察到钟虫属、累枝虫属、轮虫属和一些原生动物类，这 些微生物的出现证明系统处于良好的运行状态。 a 2 n 工艺中存在两个回流体系：超越污泥回流和回流污泥回流。试验研究 了在超越污泥和回流污泥回流比分别为0 3 和0 3 ，0 4 和o 4 ，0 6 和0 6 的条件 下，a 2 n 工艺对c o d 、氮、磷的处理效果。不同的回流比对c o d 和磷的去除 效果影响不大，对氨氮以及总氮的去除有一定影响。试验表明，当超越污泥回 流比和回流污泥回流比均为0 4 时，a 2 n 系统的运行情况最好。研究发现，在 保证缺氧池有足够污泥的前提下，应尽可能减小超越污泥流量，以降低出水氨 北京t 、l k 人学t 硕i 。佗论文 氮浓度。 试验表明，在迸水c o d 变化比较大的情况下，对厌氧释磷影响最大的是回 流带入的硝态氮的量。同时，硝化池中的氮磷比与缺氧吸磷量成正比关系。这 是因为，当缺氧池氮磷比值较高时，用于反硝化吸磷反应的硝态氮多于磷，吸 磷反应会比较充分。 利用间歇试验研究了n 0 2 一_ n 和n 0 3 - _ n 浓度对反硝化聚磷菌缺氧吸磷的影 响，发现在n 0 3 - n 和n 0 2 州同时存在的条件下，缺氧吸磷优先利用的电子 受体是n 0 3 - - n ，而且n 0 2 一划浓度越高，吸磷反应速率越低。n 0 2 的存在 对聚磷菌i 吸磷存在一定的影响，但并没有抑制吸磷反应的进行。比硝态氮反硝 化速率随着时间变低，而且初始n 0 2 一_ n 浓度越高，平均比硝态氮反硝化速率 越低。反应初期作为电子受体n 0 3 - - n 较n 0 2 一一n 在反硝化过程中占优势，随 着反应的进行n 0 3 - - n 浓度越来越低，这时n 0 2 州逐渐在反硝化过程作为主 要电子受体被利用。 关键词反硝化聚磷菌( d p b ) ；a 2 n 反硝化除磷双污泥工艺；城市生活污水； 除磷 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，e u t r o p h i c a t i o ni st h em o s ts e r i o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e mu pa g a i n s t s u r p l u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sp o u ri n t ow a t e ri st h em a i nc a u s eo fe u t r o p h i c a t i o n t h e r e f o r e ，t h en i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s r e m o v a l t e c h n o l o g y a i m e df o r e u t r o p h i c a t i o nc o n t r o lh a sb e e nt h es t u d yf o c u si nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n ta r e a d e n i t r if y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a li san e wp r o m i n e n t b i o l o g i c a l w a s t e w a t e r t r e a t m e n t t e c h n i q u e t h ea n a e r o b i c a n o x i c n i t r i f i c a t i o n ( a 2 n ) s y s t e m i sa c o n t i n u o u s - f l o w , t w o - s l u d g ep r o c e s sw h i c hi sf u n d a m e n t a l l yb a s e do nt h et e c h n i q u e o fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l t h em a i na d v a n t a g eo fa 2 ns y s t e mi st h e p o s s i b l es a v i n go fc o d ( 5 0 ) a n de n e r g y ( a e r a t i o n ) ( 3 0 ) a n dl e s ss l u d g e p r o d u c t i o n ( 5 0 ) t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sb e n e f i ts i g n i f i c a t i o nf o r t h em u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，e s p e c i a l l yf o rt h el o wi n f l u e n tc o d t n m u n i c i p a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n tw h e r et h el a c ko fc a r b o na f f e c t st h en u t r i e n tr e m o v a le f f i c i e n c y i no r d e rt oa c c e l e r a t et h ei n v e s t i g a t i o nd e v e l o p m e n to fa 2 n p r o c e s sf o rt h el o w c nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，t h ec o n t i n u o u sm o d e ld y n a m i ce x p e r i m e n to p e r a t e dw i t h m u n i c i p a lt r e a t m e n tc o m b i n e dw i t hb a t c he x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u t t h em e c h a n i c o fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a li na 2 ns y s t e ma n dt h ee f f e c to fd i f f e r e n t o p e r a t i o n a lf a c t o r sa n di n f l u e n tc h a r a c t e r i s t i c so nt h ea 2 ns y s t e mw e r es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y t h ea 2 np r o c e s sw a ss e tu pi nt w o s l u d g es y s t e m ，i nw h i c hn i t r i f i e sw e r e s e p a r a t e df r o md e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a lb a c t e r i ai nan i t r i f i c a t i o nb i o f i l m r e a c t o r ，w h e r e a sd p bs l u d g ew a sr e c a l c u l a t e db e t w e e na l la n a e r o b i cr e a c t o ra n da n a n o x i cr e a c t o r t h ea 2 n s y s t e ms t a r t e du p b yu s i n gt h em e t h o dt h a tf i r s tb r i n g i n gu p d p ba n dn i t r i f i c a t i o nb i o f i l ms e p a r a t e l yt h e nc o n n e c t i n gt h e m ，w h i c hc a np r o v i d e t h et w ob a c t e r i ab e s tg r o w - u pe n v i r o n m e n ta n dm a k et h es t a r t - u pf a s t b a s eo nt h ef a s t s t a r t - u po fa 2 ns y s t e m ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l c h a r a c t e r i s t i cf o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tw a ss t u d i e df i r s t l y d e n i t r i f y i n g p h o s p h o r u sr e m o v i n gb a c t e r i a ( d p b ) c a nu t i l i z et h es a m ec a r b o ns o u r c eo nb o t h d e n i t r i f ya n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ， w h i c hs o l v e st h ec o m p e t i t i o no fo r g a n i c s u b s t a n c ea m o n gp o l y po r g a n i s m sa n dd e n i t r i f i e r s t h ea 2 ns y s t e mh a do b t a i n e d f a v o r a b l en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c yw h e nt h ei n f l u e n tc nr a t i o l i e do nal o wl e v e l ，i ns b re x p e r i m e n t ，d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a ls l u d g e i i i 北京t 、i k 入学t 学硕l j 学位论史 o b t a i n e dp e r f e c tp h o s p h o r u sr e l e a s ea n du p t a k ee f f e c t m e a n w h i l e ，d e n i t r i f y i n g p h o s p h o r u sr e m o v a ls l u d g eh a dag o o ds e t t l i n gc a p a b i l i t y , f o rt h er e a s o nt h a t a n a e r o b i ct a n kj u s tl i k eaa n a e r o b i cs e l e c t o r , w h i c hc o u l di n h i b i tt h eh a p p e n i n go f f i l a m e n t o u sb u l k i n gs l u d g e a c r o s st h ee l e c t r o nm i c r o s c o p e ，w ec a nf i n dm a n yk i n d s o fm i c r o o r g a n i s m s ，w h i c hi n d i c a t e dt h ea 2 ns y s t e mw a sa ti t sb e s t a 2 ns y s t e mh a st w os l u d g er e t u r nf l o w ：f r o mm i d d l es e d i m e n t a t i o nt a n kt o a n o x i cr e a c t o r ( e x c e e ds l u d g er e t u mr a t i o ) a n df r o mf i n a ls e d i m e n t a t i o nt a n kt o a n a e r o b i cr e a c t o r ( e x c e s ss l u d g er e t u r nr a t i o ) t h er e s u l ts h o w e dt h a tw h e nt h e2 s l u d g er e t u r nr a t i ow e r e0 3a n d0 3 ，0 4a n d0 4 ，0 6a n d0 6 ，t h ee x c e l l e n tc o d ， n i t r o g e n ，p h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c yc o u l db eo b t a i n e d m e a n w h i l e ，t h ed a t a i n d i c a t e dm a td i f f e r e n ts l u d g er e t u r nr a t i oh a sl e s si n f l u e n c eo nc o da n d p h o s p h o r a t er e m o v a le f f i c i e n c y , b u tm o r ei n f l u e n c eo nn i t r a t e i tw a so b v i o u st h a t w h e nt h e2s l u d g er e t u mr a t i ow e r e0 4 ，a 2 ns y s t e mh a db e s tt r e a t m e n te f f i c i e n c yo n c o d ，t o t a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u s m o r e o v e r , t h eq u a n t i t yo ft h ee x c e e ds l u d g e d e t e r m i n et h ea m o u n to fa m m o n i af l o wi n t ot h eb i o f i l ma e r a t i o nr e a c t o ra n dt h e a m m o n i ac o n c e n t r a t i o no fe f f l u e n t t h e r ef o r , i no r d e rt od e c r e a s ee 盟u e n ta m m o n i a c o n c e n t r a t i o n ，e x c e e ds l u d g er a t i os h o u l dn o tb et o oh i g ho nt h eb a s et h a tt h e r ew a s e n o u g hs l u d g ei nt h ea n o x i cr e a c t o r a tr a n g e dc o dc o n c e n t r a t i o n ，n 0 3 - - nc o n c e n t r a t i o na l o n gw i t ht h ee x c e s s s l u d g er e t u mf l o wi n t oa n a e r o b i ct a n kw a st h em a i ne f f e c to fp h o s p h o r u sr e l e a s ei n a n a e r o b i cp r o c e s s m e a n w h i l e ，n pr a t i oi nb i o f i l mr e a c t o rw a sr e l e v a n tt o p h o s p h o r u su p t a k e c o n c e n t r a t i o n i tw a sb e c a u s ew h e nn pr a t i oi n c r e a s e d ， p h o s p h o r a t eu p t a k er e a c t i o nw o u l db ee n o u g hi nt h ec a s et h a tn i t r o g e nw a sm o r e t h a np h o s p h o r a t ei na n o x i cr e a c t o r i n f l u e n c eo fn 0 2 na n dn 0 3 - _ nc o n c e n t r a t i o no nt h ep h o s p h o r u su p t a k ei n d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a lr e a c t i o nw a ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e du s i n gb a t c h t e s t s i tw a sf o u n di fn 0 2 2 na n dn 0 3 - _ nw e r eb o t hi nt h es a m ee n v i r o n m e n t ；t h e f i r s tu t i l i z e de l e c t r o na c c e p t o rb yd p bi sn 0 3 n a n da st h en 0 2 nc o n c e n t r a t i o n i n c r e a s i n g ，t h es p e e do fp h o s p h o r u su p t a k er e a c t i o nl o w e dd o w n t h ep r e s e n c e so f n 0 2 州w a ss o m e h o wr e l a t e dw i t ht h ep h o s p h o r u su p t a k e ，b u tn o ti n h i b i t i o n s p e c i f i cd e n i t r a f i c a t i o nr a t eg r e wd o w na st i m eg o e sb y a n di ft h en 0 2 i n c o n c e n t r a t i o nw a sh i g ha tf i r s t ，t h em e a ns p e c i f i cd e n i t r a f i c a t i o nr a t ed e c r e a s e d a t t h eb e g i n n i n go fp h o s p h o r u su p t a k er e a c t i o n ，n 0 3 nc o m p a r e dw i t hn 0 2 一nw a s i v 人b s t r a c t d o m i n a n t b u ta st h ec o n c e n t r a t i o no fn 0 3 _ nw e n td o w n ，n 0 2 _ nw o u l db et h e m a i ne l e c t r o na c c e p t o ru t i l i z e dt od e n i t r i f i c a t i o n k e y w o r d sd e n i t r i l y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a lb a c t e r i a ( d p b ) ；a 2 nt w o - s l u d g e d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s r e m o v a l p r o c e s s ；m u n i c i p a lw a s t e w a t e r ； p h o s p h o r u sr e m o v a l v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 & o d ( 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：扭k 绉 导师签名： 日期： d d d 苫j 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 课题目的和意义 第1 章绪论 氮、磷过量排放引起的水体富营养化是当前最为关注的环境问题之一。控 制水体富营养化，防止水体污染的根本途径就是对污染源进行治理，控制污染 物的排放量，使污水处理厂出水中的氮、磷含量必须达到一定的标准。污水排 放标准的f 趋严格是目前普遍的发展趋势；以控制富营养化为目的的氮、磷脱 除已成为污水处理的主要目标。我国2 0 0 2 年最新颁布的污水排放标准要求所有 排污单位最后出水氮磷的含量根据接纳水体的等级分别为t p 小于l m g l ，氨氮 小于5 m g l ，总氮小于1 5 m g l ( 一级标准) 。因此，无论是新建污水厂还是已 有污水厂都面临着污水深度脱氮除磷的要求。 然而，目前根据现有生物脱氮除磷机理丌发的工艺基本上是生物硝化及反 硝化工艺和生物除磷工艺的综合。氮、磷的去除比较复杂，需要涉及硝化、反 硝化、释磷、吸磷等多个生化过程。每一个过程目的不同，对污泥中微生物组 成、基质类型及环境条件的要求也各不相同【1 1 。凶此要在一个系统中同时完成 脱氮和除磷，各个过程之间不可避免地会产生一些矛盾，诸如竞争碳源、污泥 龄长短不一、硝酸盐浓度的影响等矛盾，这些| u j 题使得脱氮除磷工艺在实际应 用中难以达到排放标准。以传统除磷脱氮机理为基础的生物污水处理工艺普遍 存在以下弊端【2 】：活性污泥中的微生物对污水中基质的竞争影响系统的处理 效果。一般城市污水的c o d t n 比值较低，碳源不足成为反硝化和除磷的限制 性冈素。在传统的除磷脱氮工艺中，反硝化菌和聚磷菌在脱氮和除磷两个过程 中扮演着两个独立的角色，即两者都需要利用污水中的有机碳源完成反硝化和 释磷。因此在同一系统中，不可避免地产生竞争碳源的矛盾。污泥龄长短不 一的要求影响系统的处理效果。硝化菌、反硝化菌以及聚磷菌这三类微生物要 求的污泥龄及其生长的环境条件各不相同，在目前常采用的单污泥系统中，微 生物呈悬浮、混合生长，因而无法保证各种菌群能够同时获得最佳的污泥龄以 及各自最佳的生长环境【3 】；传统的除磷脱氮工艺通常采用前置式反硝化的布 置，n 0 3 - n 不可避免地进入厌氧段干扰聚磷菌的释磷过程，从而影响后续的吸 磷过程。由于n 0 3 一- n 随回流污泥流至厌氧段可优先利用污水中的有机碳源完 成反硝化，从而减少了聚磷菌用于合成内源多聚物质p h a ( p h b p h v - 聚1 3 羟 基丁酸戊酸的混合物) 所需的碳源鼍，抑制了聚磷荫的释磷；产生的剩余污 北京t 业入学q - 了：硕i j 能沦艾 泥量大。如何能够更好地解决传统除磷脱氮工艺中存在的以上矛盾和弊端，提 高处理效果，提出高效、节能、清洁、符合我国国情的可持续污水处理新工艺 以解决我国日益严重的水污染问题，是城市污水脱氮除磷研究课题的重点和必 然趋势，同时也是我国水资源保护和水资源利用事业的当务之急。 反硝化除磷理论的提出，为有效解决传统脱氮除磷工艺中存在的矛盾和问 题提供了新方法。反硝化除磷( d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l ) ( 也可以称为 缺氧吸磷a n o x i cp h o s p h o r u su p t a k e ) 是指在厌氧缺氧( a n a e r o b i c a n o x i c ) 交 替运行的条件下，驯化出一类能以n 0 3 _ _ n 作为最终电子受体的反硝化聚磷菌 ( d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r t l sr e m o v a lb a c t e r i a ，缩写d p b ) 为优势菌属，这类菌群能 以n 0 3 i n 作为电子受体，利用厌氧段胞内合成的p h a ，通过“一碳两用”的 方式同时完成反硝化和吸磷。显然，反硝化除磷机理打破了传统脱氮除磷机理 中脱氮除磷必须分别由专性的反硝化菌和专性的聚磷菌分别独立完成的观点， 使得除磷和脱氮过程能够通过同一类微牛物的生理活动而实现，这对于生物脱 氮除磷机理是一个重大的贡献，为生物脱氮除磷工艺的发展开辟了新方向。该 工艺中，n 0 3 州已经不再是除磷工艺的不利因素，以其作为d p b 最终电子受 体进行反硝化吸磷，与传统的脱氮除磷工艺相比不仅可节省5 0 的c o d 消耗 量，曝气量降低了3 0 ，污泥产量也可望减少5 0 4 - 6 ，因此，反硝化除磷工 艺被视为一种可持续污水处理新工艺。 基于反硝化除磷的诸多优点，其工艺的开发和研究也同益受到重视，并成 为污水生物脱氮除磷领域研究的热点课题之一。厌氧缺氧硝化 ，( a n a e r o b i c a n o x i c n i t r i f i c a t i o n ，以下简称a 2 n ) 双污泥反硝化除磷工艺就是基于 该理论开发的新工艺之一，较传统的污水除磷脱氮工艺，它具备如下优越性： c o d 消耗量少。c o d 最大程度地被d p b 在厌氧段用于p h b 的合成，在缺氧 段这部分p h b 被d p b 同时用于完成反硝化和吸磷，通过“一碳两用”的方式 实现了系统的脱氮除磷。因此，该工艺较适合c o d t n 比值较低污水的处理。 系统的吸磷过程主要以n 0 3 划作为电子受体完成，以0 2 作为电子受体只占 很少的比例，因此可以节省供氧曝气的动力消耗。该工艺为双污泥系统，硝 化菌在生物膜上呈附着式生长，这不仅给生长速率较慢的硝化菌创造了一个稳 定的环境，增加了系统中硝化菌的生物量并提高了硝化率，也缩短了水力停留 时间并减小了反应器的体积，硝化反应已经不再是工艺运行的限制性因素；另 一方面，d p b 悬浮生长在另一污泥系统中，两者的分离解决了传统工艺中聚磷 菌和硝化菌对污泥龄不同的要求，两种菌群都在各自最佳的环境中生长，这样 更加有利于维持除磷脱氮系统运行的稳定性，系统的可控制性也得到提高。 在无需大规模污泥回流的前提下就能使出水保持较低的n 0 3 一划浓度。 d p b 第1 章绪论 污泥产量有所降低，减少污泥后续处理费用 4 - - 9 。 目前，对反硝化除磷工艺的研究大多是采用单一底物( o hh a c ) 进行纯培养、 模型以及人工配水展开，这事实上无法模拟和再现实际污水处理的真实情况。 同时，因大部分工艺研究又以机理研究为主，对于工艺运行过程中的诸多重要 参数未能给出明确的阈值，这给反硝化除磷工艺的推广和应用带来了困难。目 前城市生活污水都呈现出排水量增大、污水c o d t n t p 值下降的趋势。各大 中城市生活污水处理厂都面临着在低c o d t n t p 值情况下，如何保证达到生 物除磷脱氮处理达标排放的难题，迫切需要对生物脱氮除磷工艺的运行过程展 开进一步的研究，弄清其中许多目前尚未清楚的问题，为提高生物除磷脱氮的 效率找到根本的出路。在目自订提倡发展可持续污水处理模式的背景下，以实际 生活污水为处理对象，研究a 2 n 工艺除磷脱氮运行效果以及过程的优化控制， 对城市污水除磷脱氮具有重要的指导意义和现实应用价值。 综上所述，由于我国水体的氮磷污染已经非常严重、现有污水处理厂运行 费用高、脱氮除磷效果不稳定和无法达到排放标准的现状，深入、系统地研究 反硝化除磷工艺及其运行，并将其推广应用到实际工程中，对于降低污水氮磷 的排放总量，减少污水处理的投资费用，促进我国水环境污染和水资源短缺的 根本好转以及水环境的可持续发展有重要的意义。同时，本课题研究的反硝化 除磷技术也是国内外污水处理领域中一个前沿性的研究课题，其内容涉及科学 机理的阐释、工艺的开发设计、运行工况的优化控制等诸多方面，这些理论和 工艺研究将进一步完善反硝化脱氮除磷技术体系，这将是对整个污水处理领域 的重大贡献，囚此本课题也具有很重要的科学意义。 1 1 2 课题来源 本课题为国家自然科学基金一海外青年学者合作研究基金项目 ( 5 0 6 2 8 8 0 8 ) “聚磷菌和聚糖蔺在强化生物除磷系统中竞争机理与控制”和北京 市教委科研基地科技创新平台项目( p x m 2 0 0 80 1 4 2 0 40 5 0 8 4 3 ) “污水脱 氮除磷新理论与新工艺及节能降耗关键技术”中的部分研究内容。 1 2 污水生物脱氮除磷理论及工艺技术现状 随着工农业生产的不断发展，化肥农药和含磷洗涤剂用量的快速增长，水 体富营养化问题同益严峻。而控制富营养化的最根本途径就是减少氮磷向水体 的排放量，因此，世界各国对污水的脱氮除磷技术进行了长期的研究，并已经 ： 匕京t q k 人学t 学硕 ：学位论文 取得较为显著的效果。 1 2 1 传统生物除磷机理 常规的好氧生物处理工艺中，污水中含磷化合物除少部分被微生物用于自 身的繁殖而随活性污泥排出，大部分以磷酸盐的形式随处理出水排入环境。由 l i b e i g 的最低定律得到，磷浓度的高低将成为藻类生长的限制因子【l0 1 。因此， 如何经济、有效地降低污水中的含磷量成为防上七水体富营养化的关键，而生物 除磷工艺就足目前最好的解决方案 1 1 1 。到目前为止，国际上普遍认可和接受的 生物除磷理论是“聚合磷酸盐( p o l y p ) 累积微生物 一一聚磷菌( p h o s p h a t e a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ，简称p a o s ) 的释磷吸磷原理：在厌氧好氧交替运行 条件下驯化出的p a o s ，它能够过量的、在数量上超过其生理需要地从外部环境 中摄取磷，并将所摄取的磷以聚合磷酸盐的形式贮存在细胞内，形成高磷污泥 排出系统外，达到将磷从污水中去除的目的【l 2 15 1 。生物除磷的过程通常包括厌 氧释磷和好氧吸磷两个过程，其代谢模式如图l 一1 所裂1 6 】。 缓锨琢缓：放磷、戥。瑷好( 敬) 辙爆壤：掇磷、翻爨 图l 一1聚磷微生物放磷、吸磷机理图 f i g 1 1 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fp h o s p h o r u sr e l e a s ea n du p t a k eb yp a o s 厌氧释磷的机理：在厌氧条件下，聚磷荫水解体内的a t p ，形成a d p 和能 量，同时将胞内多聚磷酸盐( p o l y p ) 分解，以无机磷酸盐( p 0 4 3 - ) 的形式释 放出去。另一方面，聚磷菌利用糖原酵产物( n a d h 2 ) 和能量摄取废水中的有 机物来合成大量的有机颗粒p h b ，贮存在细胞体内。此时表现的是磷的释放， 其反应方程式可以表示为： 彳卵+ - 2 0 专a d p + h 3 尸0 4 + 能量 第1 市绪论 好氧吸磷的机理：在好氧条件下，聚磷菌利用氧化分解体内储存的p h b 而 产生的能量完成繁殖代谢作用，而a d p 获得这些能量，用来合成a t p ；同时， 聚磷菌超量吸收溶液中的磷酸盐来合成p o l y p 及糖原等有机颗粒，储存在细胞 体内，此时表现出的是磷的吸收，其反应方程式可以表示为： a d p + 皿尸0 4 + 能量一么卯+ - 2 0 以图1 1 为依据，满足p a o s 环境和基质需要的强化生物除磷工艺( e n h a n c e d b i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l ，缩写为e b p r ) 原理如图1 2 所示。这种除磷工 艺现在被称为a o 工艺【2 1 。 图1 2以p a o s 释、吸磷为原理的e b p r 除磷工艺示意图 f i g 1 - 2 e b p rp r o c e s sb a s e do nt h e o r yo fp h o s p h o r u sr e l e a s ea n du p t a k eb yp a o s 自然界中，许多细菌能从外界吸收可溶性磷酸盐，并在体内转化成聚磷酸 盐积累起来，作为贮存物质。早期的研究认为，除磷微牛物的优势菌属主要是 莫拉氏荫群( a c i n e t o b a c t e r ，不动杆菌属) 。f u h s 等( 1 9 7 5 ) 对b a l t i m o r eb l a c k r i v e r 和s e n e c af a l l s 两个具有较好除磷效果的污水厂曝气池中的活性污泥进行 检测，发现不动杆均属与磷的去除密切相关【l7 1 。b u c h a n ( 1 9 8 3 ) 利用纯培养分 离技术研究分析了除磷效果良好的几个试验装置及污水厂的曝，乇活性污泥，表 明不动杆菌是其中的优势菌种，他认为废水生物除磷过程首先是富集不动杆菌 属，然后通过该菌属过量吸收磷达到除磷的目的【1 8 】。此后，l o t t e r ( 1 9 8 5 ) 【旧】， c l o e t e ( 1 9 8 5 ) 2 0 】，b a y l y 等( 1 9 8 9 ) 1 2 1 1 和b e a c h a m ( 1 9 9 0 ) 2 2 】也相继在除磷活 性污泥中检测到了大量的不动杆菌属。然而，目前更多的研究表明生物除磷过 程中起主要作用的聚磷菌并非不动杆菌属。c l o e t e 等和b r o d i c h 等( 1 9 8 3 ) 2 3 1 通过研究发现，不动杆菌属是少数菌属，只占总量的1 1 0 ，而优势荫属为 假单胞菌属( p s e u d o m o n a s ) 和气单胞菌属( a e r o d o m o n a s ) 。h i r a i s h i 等【2 4 j ( 1 9 8 9 ) 比较了生物除磷工艺活性污泥与非除磷工艺活性污泥的微生物组成，发现两者 中的不动杆菌都不占优势，在a o 法除磷工艺的活性污泥中，不动杆菌属约只 占到1 。而后，w a g n e r l 2 5 】等，b o n d 等例及im a d e 等2 7 1 利用特异性1 6 sr r n a 靶向寡核苷酸探针荧光原位杂交( f l o u r e s c e n ti ns i t uh y b r i d i z a t i o n ，简称f i s h ) 技术对聚磷污泥中的a c i n e t o b a c t e rs p p 进行标定，均发现该菌属占全部为生物 北京t q k 人学t 学硕1 ，擎 讧论丈 量还不足1 0 。我国的朱怀兰等通过对除磷系统为生物组成的分离发现，系统 中的优势菌种为假单胞菌1 2 引。由此可见，不动杆菌并不是唯一的除磷微生物， 也并非除磷污泥中的优势菌属，其他微生物的除磷能力更不容忽视【2 9 】。气单胞 菌属能够过量摄取废水中的磷形成聚磷酸盐胞内物质；假单胞菌属具有除磷菌 的共性，即在厌氧条件下释放磷和在好氧条件下过量摄取磷，并能够累积聚磷 酸盐，在过量摄取磷的过程中其细胞外膜上诱导产生的磷酸专一性孔道蛋白起 着重要作用【3 州。 随着分子生物学的发展，科学家们已经将荧光抗体染色、荧光原位杂交f i s h 和聚合酶链式反应( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ，p c r ) 等技术用到e b p r 聚磷微 生物的种属研究中。研究结果都证明了聚磷污泥并非只有一种优势菌属组成， 而是由几种不同的菌属组成的，并且不同菌属间的相互作用对e b p r 工艺中 p a o s 的相对数量起着主要的影响作用【3 1 1 。 大量的试验结果表明，活性污泥聚磷菌细胞中的p h b 和p o l y p 颗粒在生物 除磷中发挥了重要的作用，尤其是p h b ，它在生物除磷系统中扮演着能量交换 器的角色，能够直观反映微生物吸、放磷状况和最终的生物除磷效梨3 2 州j 。国 外很多学者对生物除磷的机理和动力学等进行研究时，多利用测量p h b 量，从 分子水平更精确地考察微生物的除磷过程及科学机理【3 5 3 6 】。我国天津大学的田 淑媛等就p h b 在除磷过程中的生化机理进行了较系统的研究。他们对牛物除磷 工艺中活性污泥样晶的p h b 和p o l y p 颗粒进行染色，发现在厌氧区( 氧化还原 电位在1 4 0 m v 以下) 污泥细胞内p h b 颗粒迅速、大量增加，聚磷酸盐颗粒迅 速减少；在好氧区( 氧化还原电位在1 0 0 m v 以上) 污泥细胞内p h b 颗粒迅速 减少，聚磷酸盐颗粒迅速增加。就此，作者提出可以通过对活性污泥直接染色， 观测活性污泥细胞内的p h b 和聚磷颗粒的变化，从而来判断生物除磷效果 3 2 1 1 3 7 。 1 2 2 传统生物脱氮机理 污水生物脱氮是在硝化菌和反硝化菌参与的反应中，将污水中的氨氮最终 转化为氮气从而得以去除。硝化和反硝化过程所参与的微生物种类不同、转化 的基质不同、所需要的反应条件也各不相同。硝化反应是将n h 4 转化为 n 0 3 n 的过程。它包括两个基本的反应步骤：亚硝酸菌( n i r t o s o m n o a s ) 参与的 是将n h 4 + 州转化为n 0 2 - - n 的反应；硝酸菌( n i t r b o a c e t r ) 参与的是将n 0 2 _ 一n 转化为的n 0 3 _ - n 的反应。其中亚硝酸菌包括弧硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌 属等；硝酸菌有硝酸杆菌属、硝酸螺菌属和石肖酸球菌属等。亚硝酸菌和硝酸菌 第l 章绪论 都属于化能自养型菌，它们能够利用c 0 2 、c 0 3 2 - 和h c 0 3 - 等作为碳源，通过与 n h 3 、n h 4 + n 或n 0 2 的氧化还原反应获得能量【1 0 】【3 8 】。 硝化反应过程需要在好氧条件下进行，并以氧气作为电子受体。其反应方 程式可以表示为： 吼+ + 三q 马d 2 一+ 。+ 2 + n 0 2 一+ 兰q 马d 3 一 反硝化是将硝化过程中产生的硝酸盐或者亚硝酸盐还原为氮气的过程。反 硝化菌是一类化能异养兼性缺氧型微生物，其反应需在缺氧的条件下进行。反 硝化过程中，反硝化菌需要有机碳源作为电子供体，利用n 0 3 一_ n 中的氧进行 缺氧呼吸。其反应过程可表示为： 5 c ( 有机碳) + 2 h 2 0 + 4 n 0 3