（市政工程专业论文）生物除磷影响因素试验研究.pdf

独创性声明 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 武汉理工大学或其他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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 丝导师( 签名) ：磊生窆堑荤百期：趁! ! ：蛰 中文摘要 随着水体富营养化的加剧，世界各国对控制水体中的磷含量都愈加重视。 如何快速高效地将磷从废水中去除成为当今国内外水处理界的前沿课题。本试 验采用s b r 反应器对生物除磷污泥进行驯化，考察了温度及c p 比对强化生物 除磷的影响，并初步尝试了采用黄水为碳源驯化除磷污泥。主要试验结果如下： ( 1 ) 以乙酸钠为碳源，通过a o 方式驯化除磷污泥，连续运行2 5 d 左右，系 统除磷率达到9 0 以上，易生物降解c o d 在厌氧段基本去除；除磷效果良好， 运行稳定，系统成功富集了聚磷菌。 ( 2 ) 在不同温度条件下( 分别控制在1 0 、2 0 和3 0 3 2 ) ，厌氧段c o d 消耗 速率和释磷速率均随着温度的升高而增加，但c o d 消耗量释磷量比值在不同温 度下差别不大；长期高温环境会导致生物除磷系统厌氧释磷和好氧吸磷速率降 低，生物除磷效果逐渐变差直至除磷系统崩溃；低温( 5 ) 对生物除磷系统的冲 击会导致反应器中丝状菌增加，污泥沉降性能变差。 ( 3 ) 初始c o d 浓度在3 0 - - , 1 8 0 m g l 范围内，随着c p 比的增加，系统释磷量、 比释磷速率( s p r r ) 都会随之增加；本试验条件下，每消耗i m g c o d 就会释放 0 3 5 2 m g p ；高浓度有机物条件下，系统最大释磷速率为7 8 8 9 m r d g v s s h ，c o d 最大吸收速率为2 2 4 8 1m g g v s s h 。后期厌氧释磷和c o d 吸收反应停止很可能 是糖原耗尽所引起的；当c f 比大于2 3 4 时，继续增加反应器c o d 浓度对除磷 效果影响不大，试验中生物除磷c p 比宜在2 3 4 左右。 ( 4 ) 黄水中有机物浓度极高，其中c n 和c p 比分别在5 8 0 - , 6 1 0 和2 4 0 2 7 5 之间，有一定的利用价值；以黄水为碳源驯化除磷污泥难以达到理想除磷效果， 试验中平均磷酸盐去除率在4 0 左右，这可能与黄水中有机物成分有关。 ( 5 ) 乙酸钠为碳源驯化的污泥比黄水为碳源驯化的污泥结构密实，两者沉降 性能良好。污泥扫描电镜结果表明，乙酸钠系统以球菌为主，黄水系统球菌、 杆菌等多种形态菌种共存；黄水为碳源的除磷系统活性污泥产率要略高于乙酸 钠为碳源的除磷系统，分别为0 6 5 9 v s s g b o d 和0 5 9 9 v s s g b o d 。 关键词：生物除磷；温度；c p 比；黄水 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n ge u t r o p h i c a t i o n , m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nw a sp a i do nc o n t r o l o fp h o s p h o r u sc o n t e n to fw a t e rb o d yw o r l d w i d e h o wt or e m o v ep h o s p h o r u sf r o mt h e w a s t e w a t e rq u i c k l ya n de f f i c i e n t l yb e c o m e st h e f o r e f r o n t i s s u eo fw a s t e w a t e r t r e a t m e n t i nt h i sp a p e r , t h eb i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a ls l u d g ew a sc u l t i v a t e di na s b r t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r ea n dc pr a t i oo ne n h a n c e db i o l o g i c a lp h o s p h o r u s r e m o v a lw e r es t u d i e d a n dy e l l o ww a t e rw a s 仃i e di n i t i a l l ya st h ec a r b o ns o u r c 宅t o c u l t i v a t et h es l u d g e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e da sf o l l o w s ： ( 1 ) p h o s p h o r u sr e m o v a ls l u d g ew a sc u l t i v a t e di na l t e r n a t ea n a e r o b i ca n da e r o b i c c o n d i t i o n 、) i ，i t l ls o d i u ma c y m t ea sc a r b o ns o u r c 宅a f t e rr u n n i n gf o r2 5d a y s ，p a o s w o r ee n r i c h e ds u c c e s s f u l l y t h es y s t e mh a dag o o da n ds t a b l ep h o s p h o r u sr e m o v a l p e r f o r m a n c e 、) l ，i mp h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c ya b o v e9 0 a n dt h er e a d i l y b i o d e g r a d a b l ec o d w a sa l m o s tr e m o v e di nt h ea n a e r o b i cs t a g e ( 2 ) w h e nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ( r e s p e c t i v e l yb e i n gc o n t r o l l e da ti o c 、2 0 a n d 3 0 。c ) ，t h er a t e so fc o dc o n s u m p t i o na n dp h o s p h o r u sr e l e a s ei n c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e ，b u tt h er a t i oo fc o dc o n s u m p t i o n p h o s p h o r u sr e l e a s ew a s a l m o s tt h es a l n ea td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s t h er a t e so fp h o s p h o r u sr e l e a s ea n du p t a k e w o u l dd e c r e a s ew h e nt h es y s t e mw a sr u na th i g l lt e m p e r a t u r ef o ra l o n g - t e r m ，a n dt h e p e r f o r m a n c eo fp h o s p h o r u sr e m o v a ld e t e r i o r a t e dg r a d u a l l yg v e nc o l l a p s e d t h e i m p a c to fl o wt e m p e r a t u r e 5 * c ) 0 1 1b i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a lw o u l dl e a dt ot h e i n c r e a s eo ff i l a m e n t o u sb a c t e r i aa n dt h ed e t e r i o r a t i o no ft h e s l u d g es e t t l i n g c h a r a c t e r i s t i c s ( 3 ) w h e nt h ei n i t i a lc o dc o n c e n t r a t i o nw a si nar a n g eo f3 0 - 18 0 r a g l , t h e a m o u n to fp h o s p h o r u sr e l e a s ea n dt h es p e c i f i cp h o s p h o r u sr e l e a s er a t e ( s p r r ) i n c r e a s e da sc pr a t i oi nt h ea n a e r o b i cs t a g e i nt h ee x p e r i m e n tc o n d i t i o n ，i tw a g f o u n dt h a tt h er a t i oo fp h o s p h o r u sr e l e a s e t oc o d u p t a k ew a s0 3 5 2 m g - p m g - c o d t h em a x i m u mp h o s p h o r u sr e l e a s er a t eo f7 8 8 9 m g g v s s h a n dt h em a x i m u mc o d a b s o r p t i o nr a t eo f2 2 4 8 1 m g g v s s hw a sa t t a i n e da th i 曲c o n c e n t r a t i o no fo a g a n i c c a r b o n ,r e s p e c t i v e l y t h e i n t e r r u p t i o n o fa n a e r o b i c c o d - u p t a k e a n d p h o s p h o r u s - r e l e a s em a yb er e s u l t e df r o me x h a u s t i o no ft h eg l y c o g e ni nt h ep a o s w h e nt h ec pr a t i ow a sm o r et h a n2 3 4 f u r t h e ri n c r e a s eo nt h ec o d c o n c e n t r a t i o ni n t h er e a c t o rs e l d o mh a da n ye f f e c to np h o s p h o r u sr e m o v a l t h eo p t i m a lc pf o r p h o s p h o r u sr e m o v a lw a sa b o u t2 3 4i nt h i ss t u d y ( 4 ) y e l l o ww a t e rc o n t a i n e dh i i g hc o n c e n t r a t i o no fo r g a n i cm a t t e rw i mc na n d c po f5 8 0 - 610a n d2 4 0 - 2 7 5 ，r e s p e c t i v e l y s oi th a ss o m eu s ev a l u e i nt h i s e x p e r i m e n t , i tw a sd i f f i c u l tt oa c h i e v ed e s i r e dp h o s p h o r u sr e m o v a lp e r f o r m a n c ew i t h y e l l o ww a t e ra sc a r b o ns o u r c e , t h ea v e r a g ee f f i c i e n c yo fp h o s p h a t er e m o v a lw a s a b o u t4 0 ，w h i c hm a yb er e s u l t e df r o mc o m p l i c a t e do r g a n i cc o m p o n e n t si nt h e y e l l o ww a t e r ( 5 ) t h es t r u c t u r eo fs l u d g ew h i c h w a sc u l t i v a t e dw i t hs o d i u ma c e t a t ea sc a r b o n s o u r c ew a sm o r ec o m p a c tt h a nt h a tw i t hy e l l o ww a t e ra sc a r b o ns o u r c e t h er e s u l to f s e mm i c r o g r a p h ss h o w e dt h a t c o c a ：u $ m o r p h o t y p ep a o sd o m i n a t e di ns o d i u m a c e t a t e - f e ds l u d g ea n dav a r i e t yo ff o r m s ( c o c c u s ，r o da n ds oo n ) m o r p h o t y p ep a o s o c c u r r e di ny e l l o w - w a t e r - f e ds l u d g e t h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o d u c t i o nr a t i oo ft h e f o r m e ri s0 6 5 9 v s s g b o d ，s l i g h t l yh i g h e rt h a nt h el a t t e rw h i c hi s0 5 9 9 v s s g b o d k e yw o r d s ：b p r ；t e m p e r a t u r e ；c pr a t i o ； y e l l o ww a t e r ； i l l 目录 第1 章绪论1 1 1 城市污水中磷的来源、组分及危害1 1 1 1 城市污水中磷的来源及组分l 1 1 2 磷污染的危害l 1 2 生物除磷理论及机理研究进展2 1 2 1 生物除磷理论的发展2 1 2 2 生物除磷机理概述4 1 2 3p a o s 的胞内聚合物5 1 2 4 生物除磷机理模型研究进展6 1 3 生物除磷的影响因素l o 1 3 1 碳源的种类及浓度1 0 1 3 2 温度1 l 1 3 3p h 值1 l 1 3 4 溶解氧。1 l 1 3 5 污泥龄1 2 1 3 6 厌氧区硝态氮1 2 1 3 7 出水s s 1 2 1 4 本课题的研究意义及内容1 2 1 4 1 本课题的研究意义。1 2 1 4 2 本课题的研究内容1 3 第2 章s b r 生物除磷系统的启动_ 1 4 2 1 材料与方法1 4 2 1 1 试验装置1 4 2 1 2 试验废水15 2 1 3 接种污泥一1 6 2 1 4 分析方法l6 2 2 结果与讨论1 7 2 2 1 污泥连续培养驯化过程l7 2 2 2 驯化前后污泥形态变化1 7 2 2 3 驯化前后污泥除磷效果对比18 2 2 4p h 与磷酸盐变化的内在关系1 9 2 3 小结2 0 第3 章温度对生物除磷效果的影响2 l 3 1 材料与方法2 l 3 1 1 试验装置2 l 3 1 2 试验用泥来源2 2 3 1 3 试验方法2 2 3 2 结果及讨论2 2 3 2 1 温度对厌氧释磷效果的影响2 2 3 2 2 高温对生物除磷系统的影响。2 4 3 2 3 低温对生物除磷系统的影响2 7 3 3 小结：。2 8 第4 章c p 比对生物除磷效果的影响2 9 4 1 材料与方法一2 9 4 2 结果与讨论2 9 4 2 1 不同c p 比对厌氧释磷效果影响2 9 4 2 2 不同c p 比对生物除磷效果影响。3 5 4 3 小结3 7 第5 章以黄水为碳源的生物除磷初探3 8 5 1 黄水概述3 8 5 1 1 黄水的来源3 8 5 1 2 黄水的成分一3 8 5 1 3 黄水开发利用现状。3 9 5 1 4 黄鹤楼酒厂黄水水质4 0 5 2 材料与方法4 0 5 3 结果与讨论。4 l 5 3 1 除磷污泥连续培养驯过程。4 l 5 3 2 不同黄水浓度下系统除磷效果分析。4 l 5 3 3 黄水作为碳源生物除磷效果不佳可能原因分析4 3 5 4 ，j 、结4 5 第6 章两种碳源生物除磷效果比较4 6 6 1 材料与方法_ 4 6 6 2 结果与讨论4 6 6 2 1 驯化后污泥形态比较4 6 6 2 2 污泥产率比较。4 8 6 2 3 除磷效果比较5 0 6 3d 、结5 l 第7 章结论与建议5 2 7 1 研究结论5 2 7 2 研究建议5 3 参考文献5 4 致谢。5 8 作者在攻读硕士期间发表的学术论文5 9 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1城市污水中磷的来源、组分及危害 磷是生物圈中重要但不丰富的元素之一，它是生命活动的一种必需元素。含 磷污水的排放会使收纳水体发生富营养化，目前，全世界范围内对污水中磷去除 的要求日益增强。 1 1 1 城市污水中磷的来源及组分 城市污水中磷的主要来源为人类活动的排泄物、废弃物和工商企业污水，尤 其是含磷洗涤剂废水的大量排放。 城市污水中含磷物质的形态由污水的类型决定，基本上都是不同形式的磷酸 盐。根据物理特性即用0 4 5 1 1 m 微孔滤膜过滤，可将污水中的磷酸盐类物质分成 颗粒型和溶解性两类。按其化学特性又可分为正磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷酸 盐。其中正磷酸盐在污水中呈溶解态，在接近p h = 7 0 的条件下，主要以h p 0 4 2 的形式存在。生活污水中的总磷含量为0 - - 2 0 m g l 左右，其中可溶性磷约占7 0 。 城市污水中溶解性有机磷浓度很低，可溶性磷浓度大致与无机磷酸盐浓度相当。 污水经传统二级处理后的出水中有9 0 左右的磷是磷酸盐。 1 1 2 磷污染的危害 从去年6 月环保部发布的 2 0 0 9 年中国环境状况公报来看【l 】，其中湖泊相 关数据表明，我国湖泊水质正在逐步改善，但总体上污染仍然普遍比较严重，湖 泊的治理和保护形势依然比较严峻。2 0 0 9 年，国家重点监控了2 6 个湖泊( 水库) ， 满足i i 类水质的只有1 个；2 0 0 8 年，国家重点监控了2 8 个湖泊( 水库) ，满足i i 类水质的4 个。还有一些湖泊水质变差了，例如，洱海水质由2 0 0 8 年的i i 类下 降为i 类。这些湖泊的主要污染指标为总氮和总磷，富营养化是突出问题，也是 一个顽疾。2 0 0 9 年：营养状态为重度富营养的1 个，中度富营养的两个，轻度 富营养的8 个，其他均为中营养，与2 0 0 8 年相比，变化不大。 水体富营养化的危害主要表现为【2 】：( 1 ) 水体有机物质增加，造成病原菌孽 生，同时产生有害藻毒素，饮用水安全遭到威胁；( 2 ) 破坏水体生态平衡，水生 生物的多样性减少，造成生物链的断裂，逐步使水体发展成为沼泽和陆地；( 3 ) 水 体中的藻类大量滋长，导致水体能见度降低并伴随有恶臭，导致居住环境遭到污 武汉理工大学硕士学位论文 染，水体的美学价值丧失；( 4 ) 水体中鱼类大量死亡，使得其经济利用价值下降。 富营养化的一个典型特征就是藻类的过度生长，氮和磷都有可能是藻类生长 的限制因素，但藻类对磷的需要则更为迫切。因为水中生长的固氮微生物可补充 水体中的氮不足。在大多数湖泊( 水库) 中，磷成为了主要的限制性营养元素。当 水中磷含量高于0 5 m g l 时，会促进水体富营养化的出现；当磷含量低于 0 0 5 m g l 时，藻类基本停止生长。因此，控制水体承受的磷负荷已成为控制富 营养化的关键【3 】。 当前，有很多污水处理厂引入污水生物除磷技术以满足要求严格的出水磷酸 盐排放标准。与化学除磷相比，生物除磷方法主要具有以下优点：除磷效率 高；避免了化学除磷产生的大量化学污泥；可改善污泥沉降性能，不易发 生污泥膨胀，剩余污泥易脱水且肥效高；操作方便，运行费用节约；可用 于污水厂现有工艺改造。 1 2 生物除磷理论及机理研究进展 1 2 1 生物除磷理论的发展 早在1 9 5 5 年，g r e c n b u r g 等就提出活性污泥可以吸收超过微生物正常生长所 需磷量。随后s r i n a t h 4 和a l a r c o n 5 】分别于1 9 5 9 年和1 9 6 1 年报道了某一污水处 理厂活性污泥在好氧段可以大量吸收磷，不过当时的观点认为曝气强度的大小可 能决定了磷的去除量。后来在许多采用推流式活性污泥法污水处理厂也发现了该 现象。1 9 6 5 年，s h a p i r o 及其学生l c v i n 6 1 对多个污水处理厂进行了生物除磷现象 的研究和调查，首先提出超量除磷作用是一个生物的过程而不是化学沉降导致 的，随后又提出厌氧或者低氧化还原电位能够显著的刺激磷的释放； b 锄捌“7 j 于1 9 7 4 年在开发b a r d e n p h o 工艺时同样发现了生物除磷现象。同时提出假说： 低o r p 激发了磷的释放，从而促进了过量摄取磷。并根据这一假说最先观测到 厌氧段硝态氮的存在会严重影响高效生物除磷系统的除磷效果，当时认为硝酸盐 的存在会使系统的氧化还原电位上升，使激发厌氧磷释放的压抑( s t r e s s ) 状态降 低。1 9 7 5 年，f u h s 和c h e n 8 】研究指出活性污泥过量吸收磷的前提条件有可能是 磷的释放。同年b a m a r d 9 也报道了生物除磷关键的运行条件，并指出磷的厌氧 释放是微生物超量吸磷的前提条件，而要实现磷的释放就必须保持较低的氧化还 原电位。 鉴于在实际除磷工艺设计中，处理过程需要多大强度厌氧状态的不确定性， s i e b r i t z l 阳l 于1 9 8 0 年提出了厌氧容量的概念，认为“如果厌氧容量达到某一个足 够大的值，厌氧段释磷就能发生一。将这一理论应用于的u c t 工艺中，结果发现， 2 武汉理工大学硕士学位论文 没有回流时的厌氧容量等于1 2 m g n 0 3 - n l ，此时出现释磷现象；而有回流时的 厌氧容量为3 4 m g n 0 3 - n l ，却没有出现释磷现象，这与假说不一致。对此d o l d 等在1 9 8 0 年提出，将普通城市污水的可生物降解c o d 划分为两类：颗粒型慢速 降解c o d 和溶解性可快速降解c o d ，根据这一理论分析表明，对无回流的系统 来说，厌氧池中两类c o d 都存在；而有回流的系统则不然，因为硝酸盐回流到 厌氧池，全部的可快速生物降解c o d 都被消耗了，厌氧容量都来源于慢速生物 降解c o d 的消耗，从而导致了厌氧容量的不同。 随着研究者们对碳水化合物贮存与厌氧和好氧阶段生物细胞内的含磷异染 颗粒的观察，人们对生物除磷机理的认识有了进一步的提高。多数研究者认为厌 氧条件下细胞内贮存的物质是p h b ，1 9 7 9 年，t i m m e r m a n t u 】通过试验在生物除 磷活性污泥中发现了p h b 的存在：随后，n i c h o l l s 和o s b o m 1 2 】在不动细菌中也 观测到了p h b ，并提出了生物除磷机理，认为a o 交替运行方式为具备除磷能 力的不动细菌的富集提供了优势环境，厌氧段硝酸盐的介入会使得低分子有机酸 被普通微生物消耗而影响除磷效果。 2 0 世纪9 0 年代，研究人员发现硝酸盐也会对除磷起到一定的积极作用。在 缺氧好氧条件下，反硝化除磷菌对污水中c o d 的利用效率要显著高于好氧除磷 菌。k u b a 等【”】研究发现，反硝化除磷能够节约5 0 左右的c o d ，减少3 0 的曝 气量和5 0 的污泥产量。反硝化除磷菌( d p b ) 的代谢原理与聚磷菌( p a o s ) 很相似， 唯一不同的是在缺氧条件下，d p b 以硝酸根为电子受体降解p h b ，产生的a t p 大部分用于细胞的合成和生命活动，小部分用于过量摄取水中无机磷酸盐并以聚 合磷酸盐的形式储存在细胞体内，同时硝酸盐被还原为n 2 。 从2 0 世纪末至今，通过研究人员全面的基础研究、生产性试验和工程运行 经验总结，污水生物除磷理论和技术得到了很大的发展和突破。总体看来，污水 生物除磷技术大概经历了6 个发展阶段【1 4 】： 1 ) 观测并研究了除磷活性污泥及大量污水处理厂，除磷作用的生物学本质 及化学沉淀的辅助作用得到了证实。 2 ) 认识到好氧段之前设置厌氧区，活性污泥进行a o 交替运行的必要性， 由此研发了各种生物除磷工艺，并逐步在工程中开始应用。 3 ) 认识到避免缺氧或好氧性电子受体( n 0 3 - n 或d o ) 进入厌氧区的重要性， 从而优化了除磷工艺和技术。 4 ) 认识到可快速生物降解底物的作用及其存在的必要性，生物化学和分子 生物学理论的应用使得能够定量化模拟和优化生物除磷技术。 5 ) 反硝化聚磷菌的发现和反硝化除磷工艺的研究开发。 回生物除磷数学模型的建立，生物除磷技术得到了世界各国的广泛重视和 3 武汉理工大学硕士学位论文 应用。 1 2 2 生物除磷机理概述 生物法除磷是指磷通过微生物的吸收，最终以剩余污泥的形式排放得以去 除。对微生物来讲，磷的去除可分为两种：一种是用于微生物自身生长需要，如 用于构成磷脂、核酸、核苷酸及许多辅酶的重要组成成分；另一种就是通过一类 微生物在厌氧好氧交替运行条件下形成“过量的放磷和摄磷，最终通过在好 氧阶段形成“超量一的胞内聚合磷酸盐，以富磷剩余污泥的形式排出系统，相对 于普通活性污泥法其除磷量可高达3 7 倍。即强化生物除磷( e b p r ) ，将这类能 超量吸磷的微生物通称为聚磷菌( p h o s p h o r u sa c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ，p a o s ) 。 迄今为止，国内外学者普遍认可和接受的生物除磷机理是聚磷菌的放摄原 理【1 扣1 7 1 ，这一原理是建立在南非、欧洲、北美等国的研究基础之上的。生物除 磷的生物学机理可简述如下： 在厌氧池，在没有d o 和硝态氧存在的条件下，兼性细菌将污水中溶解性 b o d 通过发酵作用转化为低分子可生物降解的挥发性脂肪酸( v o l a t i l ef a t t y a c i d ， v f a ) 。有一类所谓聚磷菌的细菌吸收这些v f a 或来自原污水中的v f a ，并将其 运送到细胞内，同化成细胞内碳能源储存物如聚t 3 羟基丁酸盐( p h b ) 、聚- 1 3 一 羟基戊酸盐( p h v ) 2 乏糖原等有机颗粒，所需的能量来源于聚磷的水解及细胞内糖 的酵解，并导致磷的释放； 厌氧段 好氧，缺氧段 型 才c 相 生 物 相 一时问 图1 - 1 生物除磷机理示意图 在好氧池，聚磷菌的活力得到恢复，从污水中吸收大量的磷，并以聚磷的形 4 武汉理工大学硕士学位论文 式贮存在胞内，通过p h b 的氧化代谢产生能量，用于吸磷和合成聚磷，能量以 聚磷酸高能键的形式存储。一般认为，在微生物增殖过程中，在好氧阶段摄取的 磷要多于在厌氧阶段释放的磷。这样通过排放富磷的废弃活性污泥得以去除污水 中的磷。图1 1 所示为污水生物除磷系统厌氧段和好氧段或缺氧段污水和微生物 中磷酸盐、聚磷酸盐、p h b 、v f a 的变化情况。 活性污泥法生物除磷系统中，厌氧区是聚磷菌的“生物选择器 ，使它能够 一枝独秀。因为聚磷菌在短暂的厌氧条件下能优先于非聚磷菌吸收低分子物质并 快速同化发酵产物，具有其他常见细菌不具备的能力，这就意味着聚磷菌在生物 除磷系统中具备了竞争优势。厌氧段的存在促成了聚磷菌群体的选择性增殖。 以上生物除磷机理表明，生物除磷系统的除磷率与厌氧段细菌正常发酵作用所产 生的底物量及聚磷菌对发酵产物的同化和贮存量直接正相关。 1 2 3p a o s 的胞内聚合物 聚磷菌( p a o s ) 在厌氧段释磷和好氧段超量吸磷等反应过程主要是在细胞内 进行的，所以在对聚磷菌的代谢机理探讨之前，就需要了解一下聚磷菌的胞内贮 存物的种类和功能。 ( 1 ) 聚磷 聚磷是由许多无机磷酸盐残基通过高能磷酐键连结而成的多阴离子聚合物， 又称为多磷酸盐，存在于细胞中。目前的研究普遍认为，聚磷在p a o s 中主要作 为磷和能量的贮存器。有研究指出，p a o s 中的聚磷有两种：低分子聚磷和高分 子聚磷，前者在厌氧环境下作为能量贮存器而起作用，后者则作为磷贮存器通过 结合细胞外的聚磷酸酶转化为p i ，用于微生物的新陈代谢，促进细胞的生长【l 引。 聚磷作为能量贮存器时主要表现在当胞内的聚磷水平远高于a t p 水平时，聚磷 能够水解产生a t p 。目前认为这一过程存在三种可能的机理【1 9 】：有聚磷激酶 直接催化；由腺苷酸激酶和a m p 磷转移酶反应生成a d p ，从而生成了a t p i 由聚磷释放的磷与金属阳离子螯合，并且与质子结合后被输送至细胞外，产 生质子推动力从而产生了a t p 。 ( 2 ) p h a p h a 是聚羟基脂肪酸酯的简称，是一种被膜包围粒径为0 2 o 5 p a n 的微粒， 存在于细胞质中。它具有溶水性低和分子质量高的特点，因此是理想的能量贮存 物质。厌氧环境下，有机酸( 主要是短链脂肪酸) 被聚磷菌吸收并贮存为p h a 。聚 磷菌中的p h a 是典型的多聚物，主要包括p h b 和p h v 及少量的p h 2 m b 和 p h 2 m v ，这取决于碳源的性质和浓度。乙酸为碳源时，其组成主要是p h b ；丙 酸为碳源时，主要生成的是p h v 和p h 2 m v 。 5 武汉理工大学硕士学位论文 有乙酰辅酶a 存在时，p h a 的合成并不需要a t p 直接参与，但其需要还原 态氢载体n a d h 。在厌氧环境中，由于没有最终电子受体，n a d h 的氧化过程 就受到了抑制，p h a 的合成从而发生。当微生物细胞内n a d + 和辅酶浓度高而乙 酰辅酶a 浓度低时，p h a 就会降解。 ( 3 ) 糖原 糖原是微生物细胞内糖的贮存形式，是有若干葡萄糖组成的并带分枝的大分 子多糖。目前的研究普遍认为聚磷菌中糖原的作用主要是为p h a 的合成提供 n a d h 。s a t o h l 2 0 1 等研究表明，糖原在聚磷菌细胞内的主要作用是调节氧化还原 平衡，n a d h 在糖原转化为乙酰辅酶a 和二氧化碳的过程中产生，而在以琥珀 酸丙酸途径转化为丙酰辅酶的过程中会消耗。对于生物除磷的过程来说，厌氧 段聚磷菌会吸收不同种类的有机基质，它们都具有不同氧化和还原态，但胞内的 氧化还原平衡并没有破坏，因此，糖原在聚磷菌生长过程中维持细胞氧化还原平 衡起到了很重要的作用。 1 2 4 生物除磷机理模型研究进展 1 2 4 1以乙酸钠为主要基质的机理模型 目前，以乙酸盐为基质的p a o s 代谢模型，主要有c o m e a u w e n t z e l 模型、 m i n o 模型及其改进模型，如图1 2 所示。 胞内 一71 喀t l 陂 p o 驴p 。 , 一p ；e i ： r i - c o a - ，n a d h + h + 、 n a 矿 p h b 6 武汉理工大学硕士学位论文 乙 胞内 p 。l y - p “va t p 、， p o n 一脚、 _ - -一p ；舭二 胞夕 乙酸 p h b 糖原 ( b ) 厌氧m i n o 模型 胞内 h p o 咿( y - p ： 、： a - - , a d p j 、 _ _ 一一p ；缸： 糖原 p h b ( c ) 厌氧改进m i n o 模型 7 武汉理工大学硕士学位论文 胞外 p i 胞内 厶 口 p o l y p 加 p o l y p n 1 - 1 2 0 圈 = 一 n a d h + l r l y = ( d ) 好氧代谢模型 图i - 2 乙酸盐为基质的p a o s 三种代谢模型示意图 以上三种模型的理论基础是碳物质平衡和氧化还原平衡。它们的好氧代谢机 理差不多一样，都认为在好氧段，p h b 被分解，为细胞的合成及磷酸盐吸收和 贮存为多聚磷酸盐提供能量；其不同之处就是m i n o 模型及m i n o 改进模型两者 认为部分的p h b 是用于补充糖原贮存的。 三种模型的厌氧代谢机理存在一定差异，三者相似点在于：都认为在厌氧段， 乙酸通过被动扩散以非离解形式穿过细胞膜，进入到细胞内与聚磷水解反应藕 合，并转化为乙酰辅酶a ，与此同时产生a d p ；聚磷水解会使细胞内的磷酸盐 浓度增加，同时产生a t p ，为了维持电荷平衡，磷酸盐与阳离子一起被释放到溶 液中。三者的不同点主要是：从乙酰辅酶a 合成p h b 所需的还原力的来自 何处有分歧，c o m e u a - w e n t z e l 代谢模型认为，合成p h b 所需的还原力来自部分 乙酸盐直接通过t c a 循环提供【2 1 ，2 2 】；而m i n o 模型及其改进模型都认为该还原力 来源于糖原的分解，只不过其途径有所不同。m i n o 模型认为，在糖酵解过程中 糖原被转化为丙酮酸从而产生还原力，而在其改进模型中，合成p h b 的还原力 被认为是来源于e d 途径中胞内糖原的分解【2 l l 。改进m i n o 模型与m i n o 模型所 拟定的还原力产生方式的不同，对吸收单位质量乙酸盐而释放的磷量有很显著的 影响。对e d 途径来说，降解l m o l 糖原会产生2 m o l 的a t p ；而e m p 途径能产 生3 m o l 的a t p ，所以通过e d 途径将乙酸盐转化为乙酞辅酶就需要分解更多的 聚磷来提供足够的能量，因此为了维持这种代谢模式，聚磷菌在好氧段就需要合 3 武汉理工大学硕士学位论文 成更多的聚磷贮存在体内瞄】。消耗单位乙酸的释磷量和p h b 的合成量不同， 在c o m e a u - w e n z t e l 模型中，假定a l 为溶液中p h 的函数，则每消耗单位乙酸的 释磷量为( o 5 地1 ) p - m o l l c - m o l 乙酸，p h b 的合成量为0 8 9 c - m 0 1 p h b 1 c - m o l 乙 酸。在m i n o 模型和其改进模型中，每消耗单位乙酸的释磷量分别为 ( 0 2 托1 ) p m o l 1c - m o l 乙酸和( o 3 3 + a 1 ) p - m o l 1c - m o l 乙酸，p h b 的合成量为 1 3 3 c - m o i p h b 1c - m o l 乙酸瞄1 j 。 m i n o 等人在其他学者的实验结果的基础上进一步分析认为，在p h a 合成中， 糖代谢提供了大部分还原力，而不是经过t c a 途径。许多的研究成果也充分表 明，糖原在强化生物除磷系统中起着关键作用，这使得广大学者更为接受m i n o 模型 2 4 1 。然而也有一些不同的观点，p e r e i r a 等通过用c 1 3 的乙酸示踪剂试验指出， 在p h a 的合成中，t c a 途径提供3 0 的还原力，而e d 途径提供7 0 。对此， 有学者认为：合成p h a 需要的还原力如果全部由糖原降解提供是不能达到其要 求的，仍需要通过t c a 循环来提供一部分1 2 5 1 。还有一些学者认为在厌氧阶段， 部分磷酸戊糖途径( h m p ) 也起到了作用，因此t c a 循环、糖原降解和h m p 途径 都是其可能的生化途径【2 6 】。 1 2 4 2 非乙酸钠为主要基质的机理模型 以非乙酸盐为主要基质的机理模型在目前的文献报道中还比较少，主要以葡 萄糖为代表。w a n g 等 2 7 1 学者曾以葡萄糖主要基质并成功运行了强化生物除磷系 统，研究结果表明，和以乙酸盐为主要基质相比，厌氧段释磷量较少，p h v 是 p h a 的主要组成部分，由此建立了以葡萄糖为基质的生化代谢机理模型，见图 1 3 ，并提出假说：糖原是通过e d 途径代谢的，p h v 的作用主要是为了平衡在 厌氧条件下微生物胞内的氧化还原电位，聚磷水解为微生物吸收葡萄糖提供能 量。j o a n 等【2 8 】也发现，以葡萄糖为基质的强化生物除磷