（环境工程专业论文）序批式移动床生物膜反应器中的反硝化除磷研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本论文首先对生物膜反应器进行了介绍，接着综述反硝化除磷的研究进展。 本论文工作以序批式移动床生物膜反应器( m b s b b r ) 处理人工合成废水为研究 对象，分别在厌氧，缺氧、厌氧 缺氧好氧和厌氧好氧模式下对反硝化除磷的影 响因素、运行特性等进行了试验研究。 本论文的主要研究结果如下： 在厌氧缺氧模式下，通过2 7 d 的选择与富集后，系统表现出明显的反硝化 除磷现象。试验对c o d 浓度、缺氧段硝态氮投加方式和缺氧段硝态氮浓度等反 硝化除磷的主要影响因素进行了研究。当c o d 浓度为1 0 0 、2 0 0 和3 0 0 m g l 时， c o d 浓度越高则除磷效率越高。当c o d 为4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 m g l 时，厌氧段后 残留的c o d 使反硝化菌大量繁殖，使d p b 被洗出，导致除磷效率降低。当采用 2 h 硝态氮投加方式时，系统有较好的除磷效果；当采用3 h 硝态氮投加方式时， 缺氧段硝态氮的初始浓度较低，导致系统除磷效果下降；当采用一次性硝态氮投 加方式时，出现了亚硝态氮而影响d p b 吸磷，系统除磷效果差。当投加硝态氮 浓度为1 0 m g l 时，投加结束后系统出现二次释磷现象。当投加硝态氮浓度为3 0 、 4 0 m g l 时，较高浓度的硝态氮引起反硝化菌繁殖，与d p b 竞争，导致d p b 比 例下降，使系统除磷效率降低。 ， 在厌氧缺氧好氧模式下，在系统中加入1 5 h 的好氧段时，出水磷的指标可 达到污水综合排放标准( g b8 9 7 8 1 9 9 6 ) 的一级标准中磷浓度要求。在厌氧好氧模 式下，当曝气量为5 m 3 ( m 3 h ) 时，系统除磷效率较低。当曝气量为1 0 、1 5 、 2 0 m 3 ( m 3 h ) 时，除磷效率基本相同，曝气量只需为l o m 3 ( m 3 h ) 即可满足系统的要 求。在厌氧好氧模式下，系统存在反硝化除磷现象，生物膜系统中的除磷过程 较复杂。 关键词：污水处理；生物膜；m b s b b r ；反硝化除磷 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rr e v i e w st h ep r i n c i p l ea n dn e wr e s e a r c hp r o g r e s so ft h ea r to fb i o f i l m r e a c t o ra n db i o l o g i c a ld e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o ni nw a s t e w a t e rt r c a t m e n t s y n t h e t i c w a s t e w a t e rw a st r e a t e di nam o v i n gb e ds e q u e n c i n gb a t hb i o f i l mr e a c t o r ( m b s b b r ) t os t u d yd e n i t r i l y i n gd e p h o s p h a t a t i o nu n d e rt h r e eo p e r a t i o nm o d e l s ： a n a e r o b i c a n o x i c ，a n a e r o b i c a n o x i c a e r o b i c ，a n da n a e r o b i c a e r o b i c t h em a j o re x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： u n d e rt h ea n a e r o b i e a n o x i cm o d e l ，w i t ht h es e l e c t i o na n de n r i c h m e n t ，t h e p h e n o m e n o no fd e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o nw a sf o u n d e di nt h es y s t e m t h em a i n f a c t o r sa f f e c t i n gd e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o ni nt h em b s b b rw e r et h ec o n c e n t r a t i o n o fc o d , t h ew a yo fa d d i t i o nn i t r a t e , a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r a t e w h e nt h e c o n c e n t r a t i o no f c o dw a s1 0 0 ，2 0 0 ，a n d3 0 0 m g l ，t h e h i g h e rt h ec o n c e n t r a t i o nw a s ， t h eh i g h e rr a t eo f p h o s p h a t er e m o v a lw a so b t a i n e d c o m p a r i n gw i t ht h et h r e ew a y so f a d d i t i o nn i t r a t e ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw h e nn i t r i t ew a sa d d e di n2h o u r st h eh i g h r a t eo f p h o s p h a t er e m o v a lw a so b t a i n e db e c a u s e n i t r i t ew a sa b s e n t , w h e nn i t r i t ew a s a d d e di n3h o u r st h el o w e rr a t eo f p h o s p h a t er e m o v a lw a so b t a i n e db e c a u s et h er a t eo f p h o s p h a t eu p t a k ew a sl o w , a n dw h e nn i t r i t ew a sa d d e da to n c et h el o w e s tr a t eo f p h o s p h a t er e m o v a lw a so b t a i n e db e c a u s en i t r i t ew a sp r e s e n ta ta n o x i cs t a g e w h e n t h ec o n c e n t r a t i o no f n i t r a t ew a s1 0m v l ，t h es e c o n d a r yp h o s p h a t er e l e a s ew a sp r e s e n t w h e na d d i t i o n a ln i t r a t ee n d e d w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r a t ew a s3 0 ，a n d4 0 m g l ，i tl e dt ot h ep r o l i f e r a t i o no f d e n i t r i f i e r sa tt h eh i g hc o n c e n t r a t i o no f n i t r a t ea n d d e n i t r i f l e r sc o m p e t e dw i t hd p bf o rn i t r a t e u n d e rt h ea n a e r o b i c a n o x i c a e r o b i cm o d e l ，a d d i t i o n1 5ha e r o b i cs t a g e sc a n e n h a n c e dt h ep e r f o r m a n c eo f p h o s p h a t er e m o v a l u n d e rt h ea n a e r o b i c a e r o b i cm o d e l ， w h e nt h ea i rf l u xw a s5m 3 ( m 3 h ) ，t h el o wr a t eo fp h o s p h a t er e m o v a lw a so b t a i n e d ， w h e nt l l ea i rf l u xw a s1 0 ，1 5 ，a n d2 0m 3 ( m 3 h ) ，t h es a m er a t eo fp h o s p h a t er e m o v a l w a so b t a i n e d w h e nt h ea i rf l u xw a s1 0m 3 ( m 3 h ) ，i tc o u l dm e e tt h ed e m a n do ft h e s y s t e m 。u n d e rt h e a n a e r o b i c a e r o b i cm o d e l ，t h ep h e n o m e n o no fd e n i t r i l y i n g d e p h o s p h a t a t i o nw i l t sf o u n d e di nt h es y s t e m i tw a sc o m p l i c a t e di nt h ep r o c e s so f d e p h o s p h a t a t i o ni nt h eb i o f i ms y s t e m k e y w o r d s ：w a s t e w a t e rt r e a t m e n t , b i o f i l m ，m b s b b rd e n i t r i l y i n gd e p h o s p h a t a t i o n 上海大学硕士学位论文 图形清单 图1 1 除磷过程的生物代谢模型 图l - 2 生物除磷与生物脱氮的关系 9 图1 3 复合式固定床生物膜反应器工艺流程】l 图1 4 序批式生物膜反应器的稳态运行工况1 2 图l - 5 厌氧段开始时膜生物膜中的状态j 1 4 图1 - 6 好氧段开始时膜生物膜中的状态 图1 7 双污泥反硝化除磷工艺流程 图1 9 u c t 工艺流程 图1 1 0b c f s 工艺流程 图2 1m b s b b r 试验装置 图2 - 2 好氧段水封装置工作情况 图2 - 3 悬浮载体 图2 4 挂膜阶段c o d 去除率的历时变化一2 8 图3 - l 厌氧缺氧模式 图3 - 2 选择与富集过程系统磷浓度的变化 图3 - 3 选择与富集过程系统除磷效率的变化。3 0 图3 4 不同时间系统硝态氮、磷浓度的历时变化3 l 图3 5 不同c o d 浓度系统c o d 和磷浓度的历时变化，3 2 图3 - 6 不同c o d 浓度缺氧段系统硝态氦浓度的历时变化，3 2 图3 - 7 不同c o d 浓度系统除磷效率一。3 3 图3 - g 不同硝态氮投加方式系统c o d 、磷浓度的历时变化3 4 图3 9 不同硝态氮投加方式缺氧段系统硝态氮、亚硝态氮浓度的历时变化3 5 图3 1 0 不同硝态氦浓度系统c o d 和磷浓度的历时变化3 6 图3 不同硝态氮浓度缺氧段系统硝态氮浓度的历时变化3 7 图3 1 2 不同硝态氮浓度系统除磷效率3 8 图3 1 3 不同硝态氮浓度系统o r p 和p h 值历时变化：。3 9 圈3 1 4 不同碳源类型系统c o d 和磷浓度的历时变化：4 1 v i 上海大学硕士学位论文 图3 1 5 不同碳源类型缺氧段系统硝态氮浓度的历时变化 图3 一1 6 厌氧段系统c o d 、磷浓度的历时变化 4 l 4 2 图3 1 7 m b s b b r 微生物镜检结果：4 4 图4 - 1 厌氧缺氧，好氧模式4 7 图4 2 不同好氧段系统运行方式，4 8 图4 - 3 不同好氧段系统c o d 和磷浓度的历时变化 图4 4 不同好氧段时缺氧段系统硝态氮浓度的历时变化i 4 9 图4 5 不同好氧段对释磷与吸磷的影响j 5 0 图4 _ 6 不同好氧段系统o r p 和p h 值的历时变化5 l 图4 7 厌氧好氧模式 图禾8 不同曝气量系统磷浓度的历时变化 图4 - 9 不同曝气量系统除磷效率 图4 1 0 不同c o d 浓度系统除磷效率 图4 - il 不同进水硝态氮系统磷浓度的历时变化 。5 4 5 5 图4 1 2 厌氧，好氧模式系统磷、氨氮和硝态氮浓度的历时变化一5 6 上海大学硕士学位论文 表格清单 表1 1 污水综合排放标准的比较一4 表2 1 悬浮载体的技术参数一2 6 袭2 - 2 人工合成废水成分2 6 表2 - 3 微量元素溶液成分2 6 表2 4 人工合成废水的理论浓度2 7 表2 - 5 水质指标及铡定方法，2 7 表3 - 1o r p 与碳、磷的去除 3 9 表3 - 2 不同c o d 浓度下载体上的m l s s ：4 3 表3 - b 不同c o d 浓度下系统污栊产率 表4 1 不同进水硝态氮浓度下系统除磷效率5 5 上海大学硕士学位论文 、原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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：盎过垒日期：塑塑盥f 盈 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盎芷竺导师签名越日期：銎丑笙! 月廑日 上海大学硕士学位论文 第一章前言 随着经济的不断发展，人们对用水的需求量大大增加，同时污水排放量也与 日俱增。污水生物处理作为水污染防治的重要工程技术手段之一，对保护水环境 和缓解水质型水资源短缺的问题具有重要作用， 1 1 污水生物处理 污水生物处理主要是通过微生物的代谢过程把污水中的有机物转化为新的 微生物细胞及简单形式的无机物，从而达到去除有机物的目的。污水生物处理发 展的方向为f l 】：加强污水生物处理能力，提高污水处理后出水质量，使其变成有 用的资源；由于污水处理的土地投资愈来愈大，要求构筑物更加紧凑，实现一体 化；随着污水生物处理中自动控制和多功能装置的发展、处理工艺本身的改进， 将减少处理系统的辅助构件和材料，使投资及运行费用下降。 污永生物处理按微生物在系统的生长状态，可以分为附着生长的生物膜法和 悬浮生长的活性污泥法。 1 1 1 生物膜法 生物膜法从广义上可定义为：在污水生物处理工艺中引入微生物附着生长的 载体的污水生物处理技术舶。生物膜法具有操作方便、剩余污泥少、抗冲击负荷 和适用于小型污水处理厂等优点。 根据微生物附着生长的载体在系统中的状态，生物膜反应器可分为固定床和 流动床两大类。在固定床生物膜反应器中，载体在反应器内的相对位置基本不变， 这类反应器包括生物滤池、生物转盘、淹没式生物滤池和微孔膜生物反应器等。 而在流动床生物膜反应器中，载体在反应器内处于连续流动的状态，这类反应器 包括生物流化床、气提式生物膜反应器、机械搅动床、厌氧生物膜膨胀床和移动 床生物膜反应器等。 生物膜法在发展趋势上更趋向于进一步研究微生物在载体表面固定的机理， 开发工程实际中普遍使用的微生物固定技术、优化生物膜结构及各种反应器工艺 系统，进一步使各种生物膜反应器的净化功能更广谱与高效，使其净化功能进一 步提高，深入研究微生物的增长及底物去除动力学和能量代谢，使生物膜反应器 朝着更节能和自动化控制方向发展 3 】。 上海大学硕士学位论文 1 1 2 活性污泥法 一 。 白1 9 1 4 年在英国建成活性污泥污水处理厂以来，已有近百年的历史。随着 活性污泥法在生产上的广泛应用，对其生物反应、净化机理、运行管理等进行了 深入的研究，其工艺流程不断改进、创新，得到很大的发展。活性污泥法主要类 型有普通活性污泥法、完全混合活性污泥法、序批式活性污泥法、氧化沟等【4 j 。 活性污泥法的发展方向为：具有高效、稳定、节能的特点并具有对污染物去 除的多功能性，大多具有脱氮除磷等深度处理的良好效能，并正朝着自动化控制 的方向发展。 1 2 生物膜反应器 近年来，生物膜反应器以其独特的优势受到广大研究者和工程师们的关注。 生物膜反应器主要类型有生物滤池、生物转盘、移动床生物膜反应器、序批式生 物膜反应器、膜生物膜反应器、电极生物膜反应器和复合式活性污泥生物膜反应 器1 5 1 等。 1 2 1 生物滤池 生物滤池是根据土壤自净原理并在污水灌溉的实践基础上发展起来的污水 生物处理技术，具有占地面积小、负荷率高、对水质水量突变的适应性强等优点。 它的发展经历了普通生物滤池、高负荷生物滤池和塔式生物滤池三个阶段，近年 来也将它应用于微污染水源的预处理工艺。 ， i l 2 2 移动床生物膜反应器 移动床生物膜反应器( m b b r ) 是近年来颇受重视的一种新型生物膜反应器。 m b b r 利用了设计巧妙的悬浮载体，吸收了流化床和生物接触氧化池的优点， 悬浮载体可以在反应器内随着混合液的回旋翻转作用而自由移动。它既具有传统 生物膜法的耐冲击负荷、泥龄长、剩余污泥量小的特点，又具有活性污泥法的高 效性和运转灵活性。与活性污泥法相比，m b b r 克服了占地广、易发生污泥膨 胀以及污泥流失等缺点。与固定床生物膜法相比，m b b r 继承了处理效率高、 耐冲击负荷等优点，解决了需定期反冲洗、清洗滤料和更换曝气器等复杂操作的 问题，还克服了流化床动力消耗过大的缺点。 2 上海大学硕士学位论文 1 2 3 序批式生物膜反应器 序批式生物膜反应器( s b b r ) 是由德国学者w i l d c r e r 提出的，主要可分为三 类【6 】：序批式固定床生物膜反应器、序批式膜生物膜反应器和序批式移动床生物 膜反应器。s b b r 运行的完整过程一般由三个阶段组成：进水、反应和排水。s b b r 既能保持生物膜法的固有优点，又能使系统更简单、操作管理更方便，它还能克 服序批式活性污泥法的当污水水质较差和底物浓度低时净化效率不高、易发生污 泥膨胀等缺点。s b b r 可根据预先设定的各段的时间和强度特征序批式的完成污 水处理过程，同时又可根据污水性质和出水水质要求灵活的改交序批式运行模式 的设置。 1 2 4 膜生物膜反应器 膜生物膜反应器m 忸r ) 是将生物反应器与膜分离技术相结合的污水处理系 统，膜组件作为微生物生长的载体，水中有机物在生物膜作用下降解。按照供气 方式的不同，可分为气体通过式反应器和死端式反应器。目前所采用的膜主要有 疏水型多微孔膜和无孔硅胶膜。 1 2 5 电极生物膜反应器 电极生物膜反应器( b e r ) 的原理是：在酶的催化作用下，固定在阴极的反硝 化菌以阴极产生的氢气为电子供体发生反硝化反应。它具有脱氮效率高、运行管 理方便、处理费用低廉等优点，尤其适合处理微污染水源和含高浓度硝态氮的工 业废水。 1 2 6 生物接触氧化池 生物接触氧化池又称为淹没式生物滤池，1 9 7 1 年在日本首创，3 0 多年来在 国内外都得到广泛的研究与应用，主要用于处理生活污水和某些工业有机废水， 并取得良好的处理效果【7 】。它具有生物量大、活性高、污泥产率低、处理能力大 的等优点，也可应用于低浓度污水的深度处理。 1 3 传统污水生物除磷、 1 3 1 磷与水体富营养化 磷是生物圈中的重要元素之一，它不仅是生物细胞中的重要组成成分，而且 在遗传物质盼组成和能量的贮存中都需要磷，生物的核酸、卵磷脂和a t p 中都 上海大学硕士学位论文 含有磷1 4 】。磷在水中以多种形式存在其化学形态有正磷酸盐、聚磷酸盐、有机 磷等，其中以正磷酸盐和聚磷酸盐为主要形态。 水体富营养化是指湖泊、水库、河流等水域的碳、氮、磷等植物营养成分不 断补给并过量积聚，致使水体营养过剩的现象。而磷往往成为水体富营养化的主 要限制因素，过量的磷会导致藻类大量繁殖。由于藻类的呼吸作用及死亡藻类的 分解作用而消耗大量的氧? 并分解出有毒物质，造成鱼类和其他水生生物衰亡甚 至绝迹。 城市污水中的磷主要来源于各种洗涤剂、工业原料、农业肥料的生产以及人 体的排泄物。随着水环境污染状况和水体富营养化问题的日益突出，越来越多的 国家和地区都制定了严格的污水有机物和氮、磷的排放标准。上世纪七八十年代 有些国家甚至颁布了限磷、禁磷的法律，如瑞士在1 9 8 6 年通过立法成为世界上 第一个在洗衣粉中禁磷的国家。 我国自1 9 9 8 年1 月1 日起实施的污水综合排放标准( g b8 9 7 8 1 9 9 6 ) 与g b 8 9 7 8 8 8 标准相比，对磷的排放做出了更严格的要求，见表1 - 1 。 ， 表1 - 1 污水综合捧放标准的比较 这一标准的修订表明了我国对磷污染问题的重视，同时它的实施也将对控制 水体污染、减缓水体富营养化起到重要的作用。为解决日益严重的水体富营养化 的问题，必须对污水中的磷加以去除，今后大多数城市污水处理厂都要考虑采用 除磷脱氮的技术措施。如何减少磷对水体的污染，已成为水体环境保护的一项重 要课题。 1 3 2 传统污水生物除磷机理 传统污水生物除磷的机理认为：在厌氧环境中，聚磷菌利用细胞内的聚磷酸 盐水解而释放的能量来维持代谢，并用于吸收小分子脂肪酸，在细胞内将其合成 为聚1 3 羟基丁酸( p h s ) ，同时将聚磷酸盐的水解产物磷酸盐释放至水中；在好氧 环境中，聚磷菌可利用0 2 作为电子受体氧化细胞内的p h b 来获取能量，能量一 部分用于吸收磷以重新合成聚磷酸盐，一部分用于聚磷菌增殖。在单一的好氧或 上海大学硕士学位论文 厌氧条件下，聚磷菌没有吸磷、释磷现象。聚磷菌在好氧环境中摄取的磷比厌氧 环境中释放的磷要多，污永生物除磷利用这一特点，并通过剩余污泥的排放达到 除磷的目的引。 k u b a 等【9 捷出了生物除磷的代谢模型，如图1 1 所示。 p 0 4 。 ( a ) 厌氧 h2()02 ( b ) 好氧 图1 - 1 除磷过程的生物代谢模型 在污水生物除磷过程中出现的胞内多聚物主要有聚磷酸盐、聚羟基烷酸和糖 原。 ( 1 ) 聚磷酸盐是以正磷酸为单体的线性链状或环状多聚物。在生物除磷过程 中，聚磷酸盐与磷的释放、聚羟基烷酸的储存有关， ( 2 ) 聚羟基烷酸f r o _ a ) 存在于细胞质中，最常见的储存形式是p h b ，它是3 羟基丁酸的类脂多聚物，也有其他类型羟基酸( 如的多聚物。在厌氧条件下 聚磷菌在细胞内储存聚羟基烷酸，在好氧条件下储存的聚羟基烷酸用于细胞的生 长、糖原的形成和吸磷的电子供体。 ( 3 ) 糖原在厌氧条件下降解，聚磷菌利用降解产生的能量把一部分脂肪酸转 上海大学硕士学位论文 化为聚羟基烷酸。在好氧条件下。糖原重新形成。 1 3 3 传统污水生物处理中脱氮与除磷存在的矛盾 在传统生物脱氮除磷工艺中，脱氮和除磷是对工艺条件不同的两个生化过 程，这使得脱氮除磷的工艺在提高处理效果方面面临以下几个问题。 1 0 1 3 3 1 泥龄问题 由于硝化菌是自养菌，有机负荷越低、泥龄越长，硝化菌在活性污泥中的比 例越高，硝化效果越好。而生物除磷则是通过大量排放含磷污泥，使磷得以去除。 因此要达到较好的除磷效果，必须加大剩余污泥的排放量，这就必然使系统的泥 龄较短。 1 3 3 2 硝态氮问题 一般脱氮工艺都设置硝化液回流和污泥回流，而目前主流的脱氮除磷结合的 工艺( 如a 2 o 系列) 的厌氧区通常前置，回流污泥便会带入硝态氮，以至干扰厌 氧释磷过程，影响除磷效果。 1 3 3 3 碳源问题 在脱氮除磷结合的系统中，释磷和反硝化的反应速率与进水中的易降解有机 物( 如挥发性脂肪酸) 的数量关系很大。然面对于一般的生活污水丽言，易降解有 机物含量通常较低，这就导致聚磷菌和反硝菌之间由于碳源不足引起的竞争性矛 o 一 盾。 1 4 反硝化除磷 1 4 1 反硝化除磷的优点 在反硝化除磷过程中，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 u sr e m o v a l b a c t e r i a ，d p b ) 经厌氧释磷后，在缺氧条件下以硝态氮作为吸磷的电子受体，可 实现同步脱氮除磷。利用d p b 的脱氮除磷作用将反硝化和除磷合二为一，只 消耗相当于单独生物脱氮或生物除磷所需的有机物量，即可以达到氮和磷的去 除，为改善有机物不足造成的脱氮除磷效率低下提供条出路，而且同时工艺流 程可以缩短，些环节可以合并，达到减少构筑物的目的“2 】，流程简单，工程 初始投资降低，同时管理简化，运行费用也可降低。反硝化除磷还可以减少剩余 污泥和温室气体c 0 2 的产生量，其应用前景将是十分诱人的。在达到相同的去 6 上海大学硕士学位论文 除效果时，缺氧吸磷与好氧吸磷相比可以减少7 5 的氧耗量，同时能削减5 0 以上富磷污泥排放量。因此，具有反硝化除磷功能的污水生物处理系统被视为可 持续处理工艺，具有十分重要的应用价值。 1 4 2 反硝化除磷的代谢过程 在厌氧段c o d 被降解为乙酸等低分子脂肪酸并被d p b 快速吸收，同时水解 细胞内的聚磷酸盐，以无机磷酸盐的形式释放出来。这时细胞内还会诱导产生相 当量的聚磷酸盐激酶，利用上述过程产生的a t p 和糖原酵解还原性产物n a d h 2 ， d p b 能进行主动运输挎废水中的脂肪酸等有机物摄入细胞，合成大量的p h b 并 储存在细胞内。 在缺氧段d p b 以硝态氮作为氧化p h b 的电子受体，利用降解p h b 产生的 a t p ，大部分供给d p b 细菌合成( 包括糖原的合成和维持生命活动) ，另外一部分 则用于过量摄取水中的无机磷酸盐并以聚磷酸盐的形式储存在细胞内。同时硝态 氮被还原为n 2 。 1 9 9 6 年，k u b a 等在好氧吸磷代谢模型的基础上，提出d p b 的缺氧吸磷代 谢模型，以硝态氮代替0 2 作为电子受体而进行吸磷。 根据s m o l d e r s 等1 邮的研究结果，当p h 值为7 0 左右时，厌氧吸收h a c 及释磷 过程的代谢方程为： ( c h 3 c o o h ) v 2 + 0 5 ( c s h t o o s ) w + + 0 4 8 h p 0 3 + 0 0 2 3 h 2 0 1 3 3 ( c + h 6 ( 3 ) u 4 + 0 1 7 c o z + 0 4 9 h a p 0 4 而根据除磷机理，在厌氧时聚磷菌吸收的低分子有机酸，如乙酸，可以通过 下列反应转化成p m l l 5 】： ， 乙酸+ 2 a t p + n a d h + 旷- + p 羟基丁酸o m ) + n a d + + 2 a d p + 2 p i 、 一 在缺氧条件下，反硝化除磷的反应如- f 0 6 i ： c 2 k 0 2 + o t 6 n h 4 * + o 2 p o ，+ 0 9 6 n 0 3 - + o 1 6 c s h t n o z + 1 2 c 0 2 + 0 2 h p o ，( 聚磷酸盐) + 1 4 0 h + o 4 8 n 2 + 0 9 6 h 2 0 1 4 3 反硝化除磷的数学模型 建立反硝化除磷的数学模型有利于该工艺的推广应用，目前活性污泥法反硝 化除磷的数学模型主要有a s m 2 d 、b a r k e r & d o l d 1 1 d e l t l t l 7 1 模型。 1 9 9 9 年国际水协会( 娴q ) 在a s m 2 模型基础上推出的a s m 2 d 模型【嘲，它增 加两个过程：在缺氧条件下d p b 利用细胞内贮存的p h b 进行增殖的过程和d p b 吸 上海大学硕士学位论文 磷并转变为聚磷酸盐的过程。这两个过程与好氧聚磷菌的增殖和吸磷的过程一 样，只是在缺氧条件下它们分别乘一个折减系数1 1 n 0 即可。这说明并不是所有的 聚磷菌都能在缺氧条件下生长和吸磷，或者说d p b 的生长速率、吸磷速率比好氧 聚磷菌要低。 许伟峰等 1 9 】认为选择适用于反硝化除磷的数学模型最重要的一点是：是否 包括由d p b i 起的缺氧吸磷和反硝化作用。这需要解决两个问题：确定d p b 所占 的比例和由d p b 的吸磷作用所引起磷的减少量。b a r k e r & d o l d 模型和d e l f t 模型是 比较权威的，因为在这些模型中包括聚磷菌的缺氧代谢，即聚磷菌在缺氧条件下 的生长繁殖、吸磷和反硝化作用。 1 4 4 反硝化除磷的微生物组成 污水生物处理工艺的设计是以微生物的生物化学特性和环境要求为依据。不 同工艺、进水水质和运行条件导致生物反硝化除磷中微生物的组成和数量的不 同。 m e r z o u k i 等从厌氧缺氧反应器和厌氧，好氧反应器分别分离出2 0 个和9 个反硝化菌株，通过b i o l o g 系统和2 0 个a p in e 鉴定工具对这些分离出的反 硝化菌株进行鉴定，结果表明最活跃的反硝化菌株为苍白杆菌属( o c h r o b a c t r u m ) 、 假单胞菌属( p s e u d o m o n a s ) 、棒秆菌属( c o r y n e b a c t e r i u m ) 、土壤杆菌属 ( a g r o b a c t e r i u m ) 、水生螺菌属口q u a s p i r i l l u m ) 、嗜血菌属( h a e m o p h i l u s ) 、黄单胞菌 属( x a n t h o m o n a s ) 、气单胞菌属e r o m o n a s ) 及谢瓦纳拉菌( s h e w a n e l l a ) 。其中根 癌土壤杆菌株( a g r o b a c t e r i u mt u m e f a c i e n s 刃、水生螺菌株( 模式菌株： a t c c 2 7 5 1 0 ) ( 4 q u a s p i r i l l u md i s p a r ) 和放射性土壤杆菌株( a g r o b a c t e r i u m r a d i o b a c t e r ) 被鉴定为具有最强除磷与反硝化能力的菌株。+ 。 周康群掣2 1 1 认为虽然生物除磷工艺、进水水质和运行条件千差万别，但在 具有反硝化除磷的活性污泥中主要的菌属基本上都包括假单胞菌属 ( p s e u d o m o n a s ) 、莫拉氏菌属( m o r a r x e l l a ) 、肠杆菌科细菌( e n t e r o b a c t e r ) 、气单胞 菌属( a e r o m o n a s ) ，不动杆菌属c i n e t o b a c t e r ) 、捧状杆菌属( c o r y n e b a c t e r i u m ) 、 链球菌属( s t r e p t o c o c c u s ) 、肠球菌属( e n t e r o c o c c u s ) 、葡萄球菌( s t a p h y l o c o c c u s ) 、 微球菌属( m i c r o c o c c u s ) 等。 罗宁等 2 2 】从新型双泥生物反硝化除磷工艺内活性污泥混合液中分离得到的 上海大学硕士学位论文 菌株有：( 1 ) 假单胞菌属( p s e 砌o m o n o s ) ( 2 ) 奠拉氏菌属( m o r w - x e l l u ) - ( 3 ) 肠杆 菌科细菌( e n t e r o b a c t e r ) ，( 4 ) 气单胞菌属 e r o m o r l a $ ) 、( 5 ) 不动杆菌属 a c i n e t o b a c t e r ) 、( 6 ) 链球菌属( r e p t o c o c c u s ) 、( 7 ) 肠球菌属( e n t e r o c o c c u s ) 、( 8 ) 葡 萄球菌( s t a p h y l o c o c c u s ) 、( 9 ) 微球菌属( m i c r o c o c c u s ) 等。与除磷密切相关的前5 类 菌属占细菌总数的7 9 1 其中假单胞菌属、莫拉氏菌属、肠杆菌科细菌和气单 胞菌属占细菌总数的6 6 6 ，主要起反梢化除磷作用；而肠杆菌科细菌和气单胞 菌属占细菌总数的2 8 1 ，可发酵产酸；不动杆菌属占细菌总数的1 2 ，不能反 硝化脱氮，主要起好氧除磷作用。罗宁等【2 3 】还认为对硝态氮还原性和超量吸磷 只是两种并不冲突的细菌的生化特性，某种细菌既可单独拥有其中一种生化特 性，也可同时拥有这两种生化特性。因此反硝化菌和聚磷菌之间并无严格区分， 可相互交叉，其交叉点是d p b ，如图1 2 所示。 生物脱 图1 - 2 生物除磷与生物脱氮的关系 1 5 反硝化除磷的研究进展 1 5 1 固定床生物膜反应器中的反硝化除磷研究 1 9 9 4 年k e r n j e s p e r s e n 等渊研究在厌氧，缺氧交替运行的固定床生物膜反应 器中的反硝化除磷现象。试验所使用的反应器体积为5 l ，所使用的填料是直径 为1 5 r a m 的p l a s t i c b i o r i n g s ，周期为厌氧段2 h 、缺氧段4 h 。结果表明在系统中 硝态氮可以代替0 2 作为吸磷的电予受体而使聚磷菌获得除磷效果。d p b 在厌氧 段中平均每吸收l i n g 乙酸释磷为0 5 2 m g ，缺氧段中平均每去除l m g n 0 3 - n 可吸 磷2 0 r a g 。当缺氧段中硝态氮浓度较高时，出现了亚硝态氮积累。一旦系统中的 硝态氮被耗尽，即使系统中还存在大重的亚硝态氮，吸磷仍然停止，取而代之的 9 上海大学硕士学位论文 为释磷现象。这表明在系统中聚磷菌无法以亚硝态氮作为电子受体进行吸磷，只 有在硝态氮转化为亚硝态氢过程中产生的那部分能量才可被聚磷菌用作吸磷所 需的能量。磷占污泥干重的8 - 1 0 ，较厌氧好氧运行的污泥的含磷量高。 1 9 9 9 年f a l k e n t o f t 等【2 5 御研究厌氧擞氧交替运行的序批式生物滤池小试系 统的除磷性能。试验所使用的反应器有效体积为2 7 0 m l ，所使用的填料是直径 为3 - - 4 m m 的b i o s t y r 聚乙烯球，比表面积为1 0 5 0 m 2 m 3 。系统周期为7 l l ，其 中厌氧段3 h 、缺氧段4 h 。在不同的乙酸浓度下，在厌氧段中d p b 平均每吸收 l m g 乙酸释磷0 2 5 m g ，在缺氧段中d p b 平均每去除l m g n 0 3 - - n 吸磷0 6 5 r a g 。 在不同乙酸初始浓度下，在厌氧段中当乙酸初始浓度较高时，乙酸能扩散到生物 膜内部而使d p b 获得更大的释磷速率。但当乙酸穿透生物膜后，即使有更多的 乙酸加入，其浓度的增加对释磷速率的促进作用将减小，此时d p b 细胞内初始 的聚磷酸盐的含量起着主要作用：厌氧释磷过程符合半级和零级反应，当乙酸未 完全穿透生物膜时，释磷速率与乙酸的浓度平方根成正比，即半级反应，当完全 穿透时为零级反应。反冲洗对反硝化除磷有明显影响，在反冲洗后系统除磷性能 下降，但只需5 d 系统就可恢复到稳定时的状态。由于反硝化除磷过程的高度复 杂性，以a s m 2 d 为基础，使用a q u a s i m 软件建立了一个计算机数学模型。通 过该模型能深入研究生物膜内部情况。该模型可作为在实际应用的工艺设计中确 定池体尺寸、各段最优时间、生物膜厚度等的一个工具。为了控制工艺运行，可 使用在线监测仪器和计算机技术来控制系统的运行。 2 0 0 0 年n a m 等【2 7 】采用复合式固定床生物膜反应器( 见图1 3 ) 研究脱氮除磷 试验所使用的填料为s a r a n1 0 0 0 d ，其比表面积为4 0 0 m 2 m 3 ，各段的填充率分 别为4 0 、3 0 、2 0 。厌氧缺氧好氧各段的h r t 分别为1 5 、0 9 、2 8 h 。在0 、 0 3 、0 4 三个不同分流比下，除磷效率分别为5 2 8 、6 1 6 、6 8 o 。采用分流 可以增加缺氧段的碳源，有利于反硝化除磷的进行。在厌氧段中系统出现释磷现 象，在缺氧段好氧段中为吸磷过程，在缺氧段中吸磷是由于d p b 的吸磷作用。 l o 上海大学颂士学位论文 图l - 3 复合式固定床生物膜反应器工艺流程 2 0 0 1 年a r n z 等( 2 s 】在固定床生物膜反应器中研究脱氮除磷。试验所使用的反 应器的体积为1 7 m 3 ，采用直径为4 - - 8 m m 的陶瓷颗粒作为填料，其比表面积为 5 0 0 m 矽m ，每扣3 d 进行一次反冲洗。系统周期具体为：进水2 0 m i n 、混合阶段 l8 0 m i n 、混合加曝气阶段3 0 0 m i n 、排水2 0 m i n 。在好氧段中硝态氮没有同时随 曝气而出现，而是延迟3 0 m i n ，直到d o 达到5 5 m g l 之后硝态氮才出现。同时 在一个周期结束时，硝态氮浓度比预期的低，这主要是由于在好氧段中0 2 只能 穿透生物膜的一部分，生物膜内部为缺氧层，在缺氧层内存在d p b 。在比较无 硝态氮污水和富含硝态氮污水作为反冲洗水的系统时，发现后者在整个反冲洗过 程内均表现为吸磷过程。进一步验证系统存在d p b 。 2 0 0 2 年g i e s e k e 等f 2 9 】使用固定床生物膜反应器研究脱氮除磷。试验所使用的 反应器的体积为2 0 l ，采用8 8 m m 的k a l d n e s 填料。系统周期为8 h ，具体为进 水2 0 m i n 、厌氧段1 6 0 m i n 、好氧段2 6 0 m i n 、排水4 0 m i n 。分别采用低氨氦和高 氨氮两种人工合成废水作为试验用水，在两种条件下均出现反硝化除磷现象。这 是由于好氧段产生硝态氮进入生物膜内层的缺氧层被内层的d p b 作为吸磷的电 子受体而去除，即出现反硝化除磷现象 2 0 0 2 年f a l k e n t o f i 等【3 0 l 在厌氧缺氧交替运行的固定床生物膜系统中研究反 硝化除磷。通过f i s h 技术可以检测到在系统转化为厌氧，缺氧运行的2 周内微生 物群落发生的显著变化，几乎所有属于d 亚群的细菌消失，同时p 亚群、t 亚群 的簇状特性消失，g p b h g c 小簇状细菌逐步被g p b h g c 丝状菌代替。在生物膜 上海大学硕士学位论文 中多数的d p b 属于变形菌f ( p r o t e o b a c t e r i a ) 的b 亚群。所选的基因探针是根据已 有关于聚磷菌的文献来选择的，其中包含最新文献中提到的类似红环菌属 ( r h o d o c y c l u s - l i k e ) 的基因探针。 2 0 0 4 年李军等研究了序批式生物膜法反硝化除磷特性及其机理。试验所 使用的反应器为有机玻璃制成，有效容积为1 8 l 采用纤维载体，其比表面积为 2 6 6 m 记，装填密度为3 0 。系统先采用厌氧好氧交替方式运行，历时3 个月， 接着试验稳态运行工况改为： 添加半池原生水 l 进水一厌氧段3 h 一好氧段6 h 一缺氧段3 h 一排水 图1 4 序批式生物膜反应器的稳态运行工况 采用”p - n m r 技术，研究在不同条件下生物膜中微生物的细胞内各形态磷 化合物随时间的变化。试验结果表明，d p b 与好氧聚磷菌有相似的除磷机理， 都是利用聚磷菌的呼吸作