（环境工程专业论文）食品废水中聚磷菌的筛选、鉴定及其功能研究.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o no fs u 曲o uu n i v e r s 耐o fs c i e n c ea n d1 b c h n o i o g y ab s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m 萄0 rl a k e sa n dr e s e n r o i r sc o n t i n u et oh a v er e p 嘣e dm e 锄e r g e n c eo f t h ep h e n o m e n o no fe u t r o p h i c a t i o n t h ek e yf k t o rc a u s i n ge u t r o p m c a t i o ni sp h o s p h o l l l s ， s e w a g ea n dp h o s p h o m s r e m o v a li st h ek e yt oc o n t r o l e u t r o p l l i c a t i o n b i o l o g i c a l p h o s p h o r u sr e m o v a li so n eo fm em o s tc o s t e f r e c t i v es e w a g er e m o v a lt e c l l l l o l o g yi st h e c o r eo fb i o l o 酉c a lp h o s p h o m sr e m o v a lp a o s h o 、e v e r ，t l ee x i s t i n gb i o l o g i c a li i u t r i e n t 坨m o v a lt e c l m o l o g ) ra 1 1 df a c en i t l o b a c t e r i ap a o si nt h es l u d g ea g eo nt h ec o n t r a d i c t i o i l s ，邪 、e l la sd e i l i t r i 母i n gb a c t e r i ac o m p e t e 淅t hf ，a o sa 1 1 do t h e ro 唱a 1 1 i cp r o b l e m s a tp r e s e n t ，a r e m o v a j 肌dw i l lb ea b l et ou s et h es 锄et ) ，p eo fd e n i t r i 矽i n gb a c t e r i aa tt h es a m et i m e a c l l i e v ean e wt ) r p eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o m sr e m o v a lt e c l l i l o l o g y - d e n i t r i f i c a t i o na 1 1 d p h o s p h o m sr e m o v a lt e c l l o l o g yh a sb e c o m e ar e s e a r c hh o t s p o t t bs t u d yt h ed e l l i 仃i 匆i n gp h o s p h a t ea c c u m u l a t i n gb a c t e r i ai nb i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ， t l 妁u 曲t h ea b s o 印t i o n o fp h o s p h o m st e s t i n g ，n i t r a t et e s t i n ga i l dg a u so r i g i na l s o m e t a c h r o m a t i cs t a i l l i n g 铲a 1 1 u l e s 舭dp h b 鲫l u l e sa u ) 【i l i a 巧t e s t ，自d maf o o df a c t o 巧i 1 1 m u d uo fs u z h o uw a s t e w a t e rd i s c h a 略e s 丘0 mt l l ei s o l a t e d3d e i l i t r i 矽i n gp h o s p h a t e a c c 啪u l a t i n gb a c t e r i ab 4 ，b 5 锄db 6 i d e n t i f i e d ，r e s p e c t i v e l y ，b e l o n gt o & m 砌，r 砌刀e 砌 明 a t i t i s 铽通a c i n e f o b n c t e r s o m eo fm em o r ei m p o n a l l to ft h ei l o n - b i o l o g i c a lf - a c t o r ss u c h2 u st e m p e r a t u r e ，p h v a l u eo ft h eb 4 ，b 5a n db 6s 缸面n so fg r o w t ha n de m c i e n c yo fi l i 臼o g e na i l dp h o s p h o m s r e l n o v a l t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta tat e m p e r a t u r eo f2 2 3 8 r a n g eo fs 咖i n so f g r o 、矾ha r l dt h ei m p a c to nt h ee f r e c t i v e n e s so fp h o s p h o m sr e m o v a li sn o tag r e a tr e s p o n s e t 0m 仃d g e na i l dp h o s p h o m sr e m o v a la tt h eo p t i m u mt e m p e r a ：c u r ei sa r o u n d3 0 ，a n da t r o o mt e m p e r a t u r en e a r2 2 ，i t sg r o w t ha n dt h ee f i e c to f1 1 i 缸d g e na i l dp h o s p h o r u sr e m o v a l a r eb e t t e r n i 仃o g e na n dp h o s p h o m sr e m o v a l l 龇l dg r o w t l lo fb a c t e r i a3o ft h eb e s tr e s p o n s e t on e l l t r a lp hv a l u e sa r ea l k a l i n es i d e k e yw o r d s ：d e l l i t r i 匆m gp h o s p h a t ea c c 啪u l a t i n gb a c t e r i a ，s c r e e n i n g ，i d e n t i f i c a t i o n ， t e m p e r a t i j r e ，p h - i i - 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名 隅碎年丘月生日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文的复 印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于收集、保 存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学 校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用 影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意学校在不以赢利为目的 的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 埠年五月三日 ：孕年五月l 日 苏州科技2 院硕十学位论文第一章引言 第一章引言 1 1 我国水资源现状 水资源是人类文明的源泉，与人类的生存、发展和一切经济活动密切相关。人类 通过利用和开发水资源，来谋求社会经济的发展。随着社会生产力的提高和科学技术 的进步，人类对水资源的开发强度越来越大，对水资源的索取越来越多。 联合国一项研究报告指出：全球现有1 2 亿人面临中度到高度缺水的压力，8 0 个国 家水源不足，2 0 亿人的饮水得不到保证。预计到2 0 2 5 年，形势将会进一步恶化，缺水 人口将达到2 8 3 3 亿。世界银行官员预测，在未来的5 年内“水将像石油一样在全世界 运转”。 中国是一个严重缺水的干旱国家。淡水资源总量为2 8 万亿立方米，占全球水资 源的6 ，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2 0 4 8 m 3 ( 据2 0 0 8 年国民经济和社会发展统计公报) ，预测到2 0 3 0 年人口增至1 6 亿时，人均水资源量将 降到1 7 6 0 m 3 。仅为世界平均水平的1 4 、美国的1 5 ，在世界上名列1 2 l 位，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一。再扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地 下水资源后，中国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为1 1 万亿立方米左右，人均 可利用水资源量约为9 0 0 m 3 ，并且其分布极不均衡，大量淡水资源集中在南方，北方 淡水资源只有南方水资源的l 4 。按照国际公认的标准，人均水资源低于3 0 0 0 m 3 为轻 度缺水；人均水资源低于2 0 0 0 m 3 为中度缺水；人均水资源低于1 0 0 0 m 3 为重度缺水； 人均水资源低于5 0 0 m 3 为极度缺水。据统计，到2 0 世纪末，全国6 0 0 多座城市中，已有 4 0 0 多个城市存在供水不足问题，其中有6 个省、区( 宁夏、河北、山东、河南、山西、 江苏) ，共达1 1 0 个城市人均水资源量低于5 0 0 m 3 ，属于极度缺水。 1 2 我国水体污染现状 在水资源短缺越发突出的同时，水源污染日趋严重，水质同益恶化。2 0 0 2 年，我 国七大水系7 4 1 个重点监测断面中，2 9 1 的断面满足i 一类水质要求，3 0 0 的断 面属，v 类水质，4 0 9 的断面属劣v 类水质i l j 。其中七大水系干流及主要一级支流 的1 9 9 个控断面中，i i i i 类水质断面占4 6 3 ，、v 类水质断面占2 6 1 ，劣v 类 水质断面占2 7 6 。辽河、海河水系污染严重，劣v 类水体占6 0 以上；淮河干流为 i i i v 类水体，支流及省界河段水质仍然较差：黄河水系总体水质较差，干流水质以 一水体为主，支流污染普遍严重；松花江水系以i 一类水体为主；珠江水系水 质总体良好，以i i 类水体为主；长江流域5 3 个监测省界断面中( 其中干流1 1 个，支流 苏州科技学院硕十学何论文 第章引言 4 2 个) 3 1 个断面符合或优于i i i 类水质，而2 2 个劣于i i i 类水质，占监测断面的4 1 5 ， 其中i v 类占3 0 2 ，v 类占1 9 ，劣v 类占9 4 。且流域内水污染治理严重滞后，水 污染尚未得到有效控制，流域内近年来排污量呈增加趋势。 三峡水库是我国水力发电的主要基地。2 0 0 3 年长江三峡水库蓄水后，局部支流库 湾出现“水华”，水库水质问题已经引起广泛关注1 2 j 。 目前三峡水库枯水期已有1 1 1 的监测断面水质超标。城区江段岸边水质已出现 较为严重的污染带。根据长江三峡工程生态与环境监测公报( 2 0 0 4 年) 提供的数据 计算得到2 0 0 3 年进入长江三峡库区干流的富营养化污染负荷总量为：富营养化污染 负荷2 0 0 3 年总量为2 7 9 万t p 0 4 3 。当量，其中总磷贡献量最大，占总量的4 5 8 。其 次是总氮，占3 7 9 。城市生活污水和农业施肥是主要来源，分别占总量的6 1 o 和 2 6 3 。另外，监测结果还显示，目前长江水体中氮、磷等营养物质含量水平2 0 世纪 8 0 年代增加了将近1 个数量级，富营养化污染负荷有逐年增加趋势。 1 3 水体中氮磷的来源及危害 我国长期以来一直存在着水资源利用率低的问题，不仅浪费了大量有限的水资 源，同时也造成了有限水资源的严重污染，使我国优质水资源同趋短缺和锐减，严重 影响了人民生活质量和身体健康。其中，含氮磷废水带来的危害已逐渐引起人们的关 注。 1 3 1 水体中氮磷的来源 氮以有机氮和无机氮两种形态存在于水体中。有机氮指蛋白质、多肤、氨基酸和 尿素等，它们来源于生活污水、农业废弃物( 植物秸杆、牲畜粪便等) 和某些工业废水 ( 如羊毛加工、制革、印染、食品加工等) ：无机氮指氨氮、亚硝态氮和硝态氮( 统称为 氮化合物) 。 城市污水中所存在的含磷物质基本上都是不同形式的磷酸盐( 简称磷或总磷，用p 或t p 表示1 ，根据物理特性，污水中的磷酸盐分成溶解性和颗粒性两类。按化学特性 则可分成正磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷酸盐，分别简称为正磷、聚磷和有机磷【3 圳。 含氮磷物质进入水环境的来源和途径分两类：自然过程和人类活动。虽然自然过 程，尤其是水体内部自身底泥等沉积物释放的氮磷对水体的二次污染作用巨大，但真 正引起水体中氮磷含量过多的原因是人类的活动，人类活动是水体中氮磷的主要外部 来源。外源氮磷主要通过面污染和点污染进入水体。常见污染源：农业面源污染、城 市雨水径流污染、气载污染物污染、水土流失、水产养殖等。常见点污染源：城市污 苏州科技学院硕十学位论文 第一章引言 水与工业废水的直接排放、污水处理厂的尾水排放、生活垃圾场和工业废料场。【5 】 1 3 2 氮磷污染与水体富营养化 大量的氮磷进入水体中将恶化水体质量，影响渔业发展和危害人体健康，其主要 危害为： ( 1 ) 氨氮要消耗水体的溶解氧氨氮随污水排入水体后，可在硝化细菌作用下被 氧化为硝酸盐，氧化每毫克n h 4 + n 为n 0 3 。- n ，要消耗水体中的溶解氧4 6 m g 。这对水 体质量的改善和保证，以及鱼类的生存是十分不利的。 ( 2 ) 氨氮会与氯作用生成氯胺而氯胺的消毒作用比自由氯小，这样就影响了氯 的消毒效果。氯胺不仅气味难闻，而且是致癌物质。同时氯胺还会继续被氧化生成氮 气，降低消毒效果。 ( 3 ) 氮化合物对人和生物有毒害作用 鱼类对游离氨非常敏感，即使水中游离氨 的浓度很低，也会影响鱼鳃中氧的传递，对大部分鱼类而言，水体中游离氨的致死浓 度为1 m g l ，硝酸盐和亚硝酸盐在人体中会转化为亚硝胺，这是一种致癌、致变和致 畸物质，严重威胁人体健康。 ( 4 ) 加速水体的“富营养化”过程当过量的植物性营养元素氮、磷排入水体会加速 水体的富营养化过程。 富营养化( e u 仃o p l l i c a t i o n ) 一词源于希腊文，意即“富裕”。所谓富裕的水，即指富 含氮、磷等植物营养物质的水。人类对水体富营养化的认识，来源于1 9 7 0 年日本的琵 琶湖和濑户内海等封闭水域所出现的水草茂盛、鱼类死亡、饮用水发臭的现象。起因 是由于水中磷酸盐超过正常值而产生的过肥化。在这种条件下，水生植物疯长，使水 中溶解氧过度消耗。水体富营养化其实在自然界中早就存在。所谓“苍海变桑田”，是 指湖泊等先变为沼泽，最后变为草原和森林，部分原因就在于水体富营养化。但这是 一个成千上万年的过程，当今人类的活动却使这一过程变得导常剧烈，许多水体富营 养化已越来越明显，如我国的太湖、巢湖和滇池、美国的五大湖区等水体富营养化经 1 0 年治理未见明显成效。非点源污染日益严重，河流、湖泊和水库等地表水体富营养 化程度呈上升和普遍化趋势；水污染事故频发，应急机制不健全；生物多样性安全面 临严重威胁，一些珍稀水生生物面临绝迹1 6 j 。 富营养化现象是指富含磷酸盐和氮素的水，在光照和其它环境条件适宜的情况 下，水中所含的这些营养物质足以使水体中藻类过量生长，在随后的藻类死亡和随之 而来的异养微生物代谢活动中，水体中的溶解氧很可能被耗尽，造成水体质量恶化和 水生态环境结构被破坏。 富营养化的危害极大，不仅在经济上造成损失，而且危害人类健康。富营养化对 苏州科技学院硕十学位论文第一章引言 水体功能和水质的影响和危害： 富营养化水体中过度繁殖的藻类使水产生霉味和臭味，降低了水的质量； 富营养化水体中大量生长繁殖的蓝、绿藻在水体表面形成一层绿色浮渣使水质 变得浑浊，透明度明显降低； 表层密集的藻类使阳光难以透射进入湖泊深层，深层水体的光合作用减弱使溶 解氧的来源随之减少。同时，藻类死亡后的腐化分解，加速了水体中溶解氧的消耗速 度，水体缺氧成为必然； 富营养化水体中许多藻类能够分泌，释放有毒有害物质，使水的品质下降； 富营养化水体的正常生态平衡被扰乱，生物种群量出现剧烈波动，导致水生生 物的稳定性和多样性降低，破坏了水体生态平衡； 富营养化水体中过量的藻类会堵塞滤池，同时由于藻类的新陈代谢以及水藻本 身产生的毒害物质增加了水处理的技术难度，加大了制水费用【m j 。 以藻类分子n 、p 结构分析，藻类生长的限制因素是氮和磷，尤其是磷，其含量 通常决定着藻类的生长量。水中氮的缺乏，可以由许多能固氮的微生物来补充，所以 从藻类对氮、磷需要的关系看，磷的需要往往更为重要，藻类生产力受磷的限制更为 明显【吼1 0 】。研究表明，每向水体中排放1 9 磷会导致9 5 0 9 藻类( 干重) 的生长。目前国际 上公认的水体发生富营养化的限制浓度是：n o 2 m g l ，t p o 0 2 m g l 。根据1 9 8 6 年至1 9 8 9 年，中国第一次开展的大规模湖泊富营养化调查结果，全国2 6 个主要湖泊、 水库中t n 全部高于0 2 m g l ，9 2 的水体t p 超过0 0 2 m g l 。 发达国家均以氮和磷作为藻类生长的限制因素，对污水处理厂的氮和磷浓度有了 法定的标准【1 1 】。为防治水体富营养化现象，国家环保总局根据我国现状，在新修订的 地表水环境质量标准中规定了t n 、t p 、透明度、叶绿素a 等四项湖库特定项目， 保证三类水体不会发生富营养化问题。我国污水综合排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 规定，城市污水处理厂磷酸盐一级a 排放标准为0 5 m g l 。英国国家环境署甚至规定， 在静止水体中，总磷浓度o 0 8 6 m g l 为富营养化的临界值【1 2 】。因此如何经济的、高效 的去除氮磷已成为水污染防治领域极为热点的研究课题。 1 4 生物脱氮除磷技术及研究进展 废水中氮磷的去除方法主要有物理法、化学法和生物法三种，其中生物技术因其 适用范围最广，投资及运转成本最低，操作简单且无二次污染，废水达标排放可靠性 强，因此成为脱氮除磷的最佳处理方式。 1 4 1 传统生物脱氮机理 苏州科技学院硕十学位论文 第一章引言 传统的生物脱氮处理过程中【l 引，首先在好氧( o x i c ) 条件下，通过好氧硝化菌的作 用，将废水中的氨氮( n h 4 + n ) 氧化为亚硝酸盐氮( n 0 2 。- n ) 或硝酸盐氮( n 0 3 。n ) ；然后 在缺氧( a n o x i c ) 条件下，利用反硝化菌将亚硝酸盐氮或硝酸盐氮还原为氮气( i 叱) 而从 废水中逸出。 参与将氨氮转化为亚硝酸盐( n 0 2 。n ) 反应的亚硝酸盐菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝 酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属等；参与将亚硝酸盐转化为硝酸盐m 0 3 。- n ) 反应的硝酸菌 有硝酸杆菌属和硝酸球菌属等。亚硝酸菌和硝酸盐菌大都是化能自养菌，它们利用 c 0 2 ，c 0 2 3 ，h c o 3 等作为碳源，通过与n h 3 ，n h 4 + 或n 0 2 。的氧化还原反应获得能量。 硝化反应在好氧条件下进行，以氧作为电子受体。 亚硝化反应：n h 4 + + 0 2 + h c 0 3 - _ 一专n 0 2 。+ h 2 0 + 亚硝酸盐菌 ( 1 - 1 ) 硝化反应：n 0 2 + 1 q h 4 + + h 2 c 0 3 + h c 0 3 - + 0 2 一n 0 3 。+ h 2 0 + 硝酸盐菌 ( 1 - 2 ) 总反应：n h 4 + + 0 2 + h c 0 3 一一n 0 3 + h 2 0 + h 。c 0 3 + 微生物细胞 ( 1 3 ) 反硝化过程中的反硝化菌主要有芽抱杆菌属、生丝微菌属、假单胞菌属、莫拉式 菌属、螺菌属和硫杆菌属的一些种。它们利用各种有机质作为电子供体，以硝酸盐作 为电子受体进行缺氧呼吸。 1 4 2 传统生物除磷技术 1 4 2 1 传统生物除磷的机理 在2 0 世纪5 0 年代末6 0 年代初，s r i i l a t h 等人在污水处理厂的生产性运行中观察到活 性污泥的生物超量除磷现象，通过7 0 年代的研究工作弄清了实现生物除磷所需的运行 条件，并有意识地将其工程化。从7 0 年代到9 0 年代，通过全面的基础研究、生产性试 验和工程运行总结，污水生物除磷技术有了重大的进展和突破。目前污水生物除磷技 术在世界范围内得到广泛的重视和应用。其生物除磷机理可简述为1 4 j ： ( 1 ) 磷的吸收：聚磷微生物的细胞在好氧条件下以聚磷的形式存贮超出生长需求 的磷量，通过聚b 羟基丁酸( p o l y p h y d r o x y b u t y r a t e ，p h b ) 的氧化代谢产生能量，用于 磷的吸收和聚磷的合成，能量以聚磷酸高能键的形式捕积存贮，磷酸盐从液相去除。 合成新的聚磷菌细胞，产生富磷污泥。通过剩余污泥排放，将磷除去。 ( 2 ) 磷的释放：在没有溶解氧和硝态氮存在的厌氧状态下，兼性细菌将溶解性b o d 转化成v f a s ( 低分子发酵产物) ，生物聚磷菌获得v f a s 。这些细菌吸收厌氧区产生 的或来自原污水的v f a s ，并将其运送到细胞内，同化成胞内碳能源存贮物( p h b ) ，所 需的能量来源于聚磷的水解以及细胞内糖的酵解，导致磷酸盐的释放。 1 4 2 2 传统生物除磷主要微生物及其生理特性1 1 4 j 1 ) 不动杆菌属f u h s 和c h e n 认为，生物除磷是靠不动杆菌属的磷代谢完成的。此后 苏州科技学院硕十学何论文第章引言 的研究证实，不动杆菌属的确是一类除磷微生物。1 9 8 0 年，d e i n e m a 等人以丁酸或戊 酸为碳源，对不动杆菌进行纯种培养。结果发现，在其生长早期阶段，此菌能过量摄 取培养基内的磷，于细胞内形成多磷酸盐，其含量可达细菌干重的1 0 2 0 。此外， 不动杆菌还具有积累脂肪酸和聚d 羟基丁酸盐的能力。1 9 8 3 年，b u c h a j l 进行的纯种 培养试验结果表明，不动杆菌过量积累的多磷酸盐含量达细菌干重的2 5 ，而且其 c 胛之比在0 1 0 3 6 之间。 但是，在1 9 8 5 年，d e i n e m a 等人却发现，在代谢旺盛期，不动杆菌于厌氧条件 下能降解其细胞内的多磷酸盐释放出磷酸。而处于稳定生长期的“老龄”菌却没有这一 特性。 生物除磷过程中，不同细菌之间存在着复杂关系，而纯种培养试验却不能反映这 些关系，从而使结果具有一定的局限性。为此，1 9 8 8 年，c l o c t e 和s 够e n 研究了一种 利用半透膜免疫荧光组合的新方法，以直接计数法鉴定废水生物除磷活性污泥中的 不动杆菌。用这种方法测试了南非c a p e t 0 、l 北区废水生物除磷处理厂活性污泥中的 不动杆菌的数量和除磷能力。测试结果表明，在曝气池内的所有细菌中，不动杆菌虽 占7 9 9 4 8 9 9 4 ，但其实际的除磷能力只有3 0 3 4 8 6 。因此，两者之间无直接联 系。这进一步说明，在废水生物除磷处理的活性污泥中，除了不动杆菌外，其他细菌 也起着重要作用。 2 ) 气单胞菌属 气单胞菌属也是聚磷菌之一。b r o d i s c h 和j o y n e r 发现，在活性污泥的 整个细菌组成中，这类细菌占1 2 3 6 ，且在厌氧和缺氧区内所占比例有时比好氧区 的高。b r o d i s c h 、m e g a j l c k 和m a l n o u 等研究了此类菌的生理学性能，主要结果为： ( 1 ) 在废水除磷处理工程中，能够过量摄取废水中的磷形成多磷酸盐内含物。但 其主要作用是降解有机物，即在厌氧条件下，利用某些糖和醇为基质，代谢生成短链 挥发性脂肪酸；( 2 ) 能进行反硝化。其中，嗜水性气单胞菌( a e r o m o n a sh y d r o p l l i l a ) 可以使硝酸盐还原成亚硝酸盐，而其他的一些菌种则可以使硝酸盐直接还原成氮气。 3 ) 假单胞菌属1 9 8 5 年，s u r e s h 等人通过纯种培养试验，考察了运转正常的厌氧好 氧( a o ) 废水生物除磷处理系统曝气池内活性污泥中所分离的假单胞菌属的磷代谢 性能。结果发现： ( 1 ) 它们能够累积多磷酸盐，其含量达细菌干重的3 1 ；( 2 ) 在好氧条件下，这 类菌从对数生长期到稳定生长期时，多磷酸盐含量也随培养时间的延长而增加；( 3 ) 在好氧条件下，这类菌在稳定生长前期的多磷酸盐激酶的增长速率是对数生长期的 1 0 倍。然而，当该菌生长到稳定期的中后期，多磷酸盐激酶的增加速率降低为对数 生长期的3 倍。这与细胞内的多磷酸盐含量变化趋势恰恰相反，可见多磷酸盐对多磷 酸盐激酶有抑制作用：( 4 ) 在整个处理系统的除磷过程中，这类菌起着重要作用。 苏州科技学院硕十学伊论文第一章引言 1 9 9 2 年，周岳溪研究了自除磷效果良好的循序间歇式废水生物除磷处理装置中 的活性污泥中所分离的优势菌假单胞菌的磷代谢生理特性【l 州。试验结果表明： ( 1 ) 假单胞菌具有聚磷菌的共性：在厌氧好氧培养过程中的厌氧阶段发生磷释 放，转入好氧阶段后产生过量摄磷现象；( 2 ) 在过量摄磷过程中，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 ) 在好氧条件下，以乙酸盐为基质培养 时，向培养基内滴加酸，会导致胞内多磷酸盐降解而释放磷。反之，向培养基内滴加 碱，则导致产生过量摄磷现象，而加n a o h 所引起的磷摄取量较n a h c 0 3 的大。 4 ) 一株革兰氏阳性聚磷菌从除磷的活性污泥中，使用加有丙酮酸盐的琼脂平板分 离到一株革兰氏阳性聚磷菌【”j ，该菌里卵形或者球杆状( ( 0 4 0 7 ) “m ( 0 5 1 0 ) 岬) ，以单细胞、成对或者不规则块状的形式存在。通过甲苯胺蓝染色能够观察 到细胞内的多磷酸盐颗粒。先用含有机物的培养基厌氧培养，等到有机底物消耗殆尽， 随后进行好氧培养时，该菌的纯培养物能够快速地吸收磷( 9 2 m 克干重) 。在厌氧 培养时，若以醋酸盐作为唯一碳源，则该菌的培养物不能除去磷。这些生理特征与 蚴c 加，甜，z 口，螂p 办d 印办d ，d ，淞的生理特征是相似的，但是与 批加，甜凇f 淞础d s 肋d v d ，螂的 除磷能力相比该菌培养物的除磷能力相对较弱，而且它的除磷能力也不会因为重复进 行厌氧好氧培养而有所提高。该菌含有甲基萘醌m k - 8 ( h ( 4 ) ) ，作为主要的类异戊二 烯的泛醌，它可能主要负责磷酸盐的转移，因为m k s h ( 4 ) ) 在许多的除磷活性污泥中 都占有相当高的比例。经过系统发生分析和其他生理生化特性比较，表明该菌与 死抛印| l z 口p ，口p 肠馏日砌相近，死加印办口p 朋p 7 d ，聊砌是从活性污泥中分离到的新的聚磷 菌。 5 ) 菌株t 2 7 tt - 2 7 t 是从生物除磷系统中分离到的新种【l6 j ，革兰氏阴性，棒状，好 氧生长。菌株在2 5 3 5 都能够生长，但最适生长温度为3 0 。在2 0 天的培养过程 中，发现菌体在低于2 0 或者高于3 7 的条件下都不能生长。生长的p h 范围为6 5 9 5 ，但最适为7 0 。该菌能利用酵母提取物、蛋白胨、琥珀酸盐、醋酸盐、明胶和安 息香酸盐。奈瑟氏染色呈阳性，d a p i ( 4 ，6 d i 锄i d i n o 2 p h e n y l i n d o l e ) 染色后的细胞 内含物呈黄色荧光，表明细胞内含有多磷酸盐颗粒，呼吸链中主要的醌类是甲基萘醌 9 ，细胞含有的脂肪酸主要是i s o c 1 5 ：0 ，c 1 6 ：1 和c 1 4 ：o 。基因组d n a 的g + c 碱基对百 分含量为6 6 。1 6 s r d n a 序列分析表明该菌株属于细菌域的新属新种，即 g p 聊聊口砌z d 力傩口甜朋，z ，妇阳船，z 刀d ，印珂d 1 ，模式菌株为t 2 7 t ( t - 2 7 t = j c m 1 1 4 2 2 t = d s m1 4 5 8 6 t ) ，这个类群在自然界广泛存在，与彳c f 玎0 6 口c 纪，砌( 1 8 序列分 歧d i v e r g e n c e ) 相比，该类群有更大的系统发生变动( 1 9 1 6 s r d n a 序列分歧s e q u e n c e d i v e r g e n c e ) 。 6 ) 成簇细胞在澳大利亚的一个处理厂，发现有大量成簇聚集的细胞，它们既不是 革兰氏阴性，也不是革兰氏阳性，但是细胞内都有多磷酸盐颗粒【1 7 】。在其他一些生物 苏州科技学院硕十学位论文 第一章引青 除磷系统中，也发现具有类似特征的细胞。f i s h 分析结果表明，这些细胞属于原核 的b p r o t e o b a c t e r i a ，但是这些大量成簇聚集的细胞与用于聚磷菌的f i s h 探针不一致。 这些细胞能够利用醋酸盐、谷氨酸盐和天冬氨酸盐，但是在厌氧和好氧条件下都不能 利用葡萄糖。尼罗兰a ( n i l eb l u e a ) 染色同时结合微自动射线照相术( m a r ， m i c r o a u t o r a u i i o 酉a p h y ) 表明，在厌氧培养的细胞中有p h a 颗粒。 7 ) 菌株p l ( t ) s p 咖gs 分离到一株细菌，革兰氏阴性，好氧生长，能够运动，菌体 呈棒状【2 0 】。该菌不能进行自养生长，能够将硝酸盐还原为亚硝酸盐，需要维生素才能 生长，含有u b i q u i n o n e8 ( q 8 ) 和3 羟基脂肪酸，但不含2 羟基脂肪酸。1 6 s r d n a 序 列分析表明，在系统发生树上与其关系最近的是 p 砌肌o ，z 鲫印加伽、朋a c 加垅d 玎哪 6 驴堋c 砌砌、h y d r o g e n o p h a g as p e c i e s ，基因组d n a 的( h c 碱基对百分含量为6 7 。该 菌的表型特征与砀卿，z d 础唧和尬c m m 伽傩属中的典型种的特征有明显不同，然 而d n a d n a 杂交实验说明该菌株也不属于尸印胁础口。p 1 ( t ) 菌株和p 印加伽a t c c 1 4 6 0 6 ( t ) 都能够在细胞内累积大量的聚羟链烷酸和多磷酸盐颗粒。在这两株菌中，氮 源限制能够促进聚羟链烷酸在细胞内累积，然而碳源限制减少了多磷酸盐在细胞内的 累积。 8 ) 肘配，口，姗口f 淞肋唧知d 阳，淞该菌是从活性污泥中分离到的，是研究生物除磷的 模式菌株，有很高的聚磷活性和对磷酸盐的吸收和释放能力l 聊。彪p 办d 嘶d 阳r 淞能 在细胞内累积多磷酸盐和数量可观的p h a 。p h b 是p h a 的主要储存形式，占细胞干重 的2 0 3 0 ，它的含量最高能达到1 4 2 1 呲。由于菌体的生长迅速，生物量较高， 同时在细胞内累积p h b 并且发酵时不会产生大量的副产物，所以可作为生产p h a 的生 物来源。 1 4 2 3 传统生物除磷工艺 1 ) a o 工艺美国的s p e c t o r 于7 0 年代中期从控制活性污泥法膨胀出发研究开发了 b 矾e n p h o 脱氮工艺类似的0 工艺，这是目前最为简单的一种生物除磷方法，原污水 或初沉池出水与回流污泥在厌氧池中进行混合，这种工艺要求没有硝化反应。一般说 来，当厌氧区和好氧区的水力停留时间分别为0 5 1 h 和l 3 h 时，便可获得较好的去 除磷和去除有机物的效果。 2 ) a 2 o 工艺常见的a 2 o 工艺是在o 工艺的基础上增设一个缺氧区，并使好氧区 中的混合液回流至缺氧区，这样就使厌氧、缺氧、好氧三种不同的环境条件及不同功 能的微生物菌群能有机配合协作，具有除磷脱氮双重功能。此工艺具有抗冲击负荷能 力强，水力停留时间长，运行稳定的特点。当进水总磷约为1 0 m l 时，除磷率一般 为8 5 9 0 。 张波等在此基础上，将a z o 工艺的厌氧缺氧环境倒置运行，并和常规a 2 o 工艺 进行了对比，结果表明倒置a 2 o 工艺比常规a 2 加工艺的出水t n 和t p 分别高出1 0 个百 苏州科技学院硕十学位论文第一章引言 分点和9 个百分点，去除c o d 能力相当【2 0 j 。究其原因，是将厌氧区置于缺氧区之后， 反硝化优先获得碳源，既提高了缺氧区的反硝化速率，又避免了回流污泥中硝酸盐对 厌氧区的不利影响。这种布置方式使倒置a 2 o 工艺的厌氧区的厌氧程度更充分，从而 强化了微生物的过度吸磷能力。因此，尽管倒置a 2 o 工艺释磷水平低，但由于厌氧环 境充分，微生物过度吸磷动力大，其生物除磷功能反而优于常规a 2 o 工艺。 3 ) b a r d e n p h o 工艺南非的b a n l 删在他首创的b a r d e n p h o 脱氮工艺中，有时发现也有 很好的除磷效果。在他以生活污水为进水的小试中，脱氮率为9 0 9 5 ，除磷率达 到9 7 。 4 ) p h o r d o x 工艺此工艺是b a m 砌为了提高除磷效果而对比b a r d e n p h o 工艺做的一个 改进。第一缺氧区前加了一个厌氧发酵区，此工艺一般在低负荷条件下运行。原污水 或初沉池出水与回流污泥在厌氧池混合。在第一缺氧池进行反硝化使硝态氮还原为氮 气，而b o d 去除，氨氮氧化和磷的吸收都是在第一好氧池完成。第二缺氧池则提供了 足够的停留时间，通过混合液内源呼吸进一步去除残余的硝态氮。第二好氧池则为混 合液提供短暂曝气，防止二沉池出现厌氧状态。这样由于在两组缺氧池中完成了彻底 的反硝化，回流污泥中将不存在n 0 3 。或n 0 2 。这种工艺在美国又被称之为改良型 b 砌e r l p h o 工艺。 5 ) u c t 工艺在以上的工艺流程中污泥都是直接回流到厌氧区，而回流污泥中很难 完全保证不含有任何硝酸盐及亚硝酸盐，这对厌氧区就会带来不利影响。在厌氧区会 发生反硝化作用，反硝化菌将夺取除磷菌所需的有机物而影响处理效率。u c t 工艺就 是把沉淀池回流污泥回流到缺氧区，然后再由缺氧区将混合液回流到厌氧区。由于在 缺氧区中反硝化作用完全，缺氧区中的硝酸盐浓度非常低。混合液从缺氧区回流到厌 氧区，则厌氧区中的硝酸盐浓度亦非常低，从而保证了厌氧区的理想厌氧条件。故 u c t 工艺是目前各国应用最广泛的生物除磷工艺。 6 ) s b r 工艺此工艺是由美国i i n e 在2 0 世纪7 0 年代开发的，它是一个间歇式的活性 污泥系统，活性污泥的曝气、沉淀、出水、排放和污泥回流均在同一个池中完成。该 工艺对自动化要求很高。由于近几年来自控技术和计算机技术的发展，作为s b r 工艺 的操作控制问题，现在几乎不成问题。从而使依赖于自控系统的s b r 工艺得到了迅猛 发展。s b r 工艺的优点： ( 1 ) 运行管理简单；( 2 ) 降低造价，减少占地；( 3 ) 耐 冲击负荷； ( 4 ) 可抑制丝状菌的膨胀；( 5 ) 除磷脱氮效果好。 朱淑琴等利用s b r 法进行除磷试验，结果表明其具有很好的去磷效果【2 。在聚磷 菌培养驯化前，磷的去除率就可达6 0 6 5 ，远高于标准普遍活性污泥法，在聚磷菌 培养驯化成熟后，磷的去除率更是大大提高，在原水t p 浓度为1 2 4 m g l ，c o d ：t k n ： t p = 1 0 0 ：1 0 9 7 ：1 5 6 ，6 h 曝气反应后出水磷浓度为o 8 3 m g l ，磷的去除率可达到9 3 3 。 s b r 法在时间控制上比较灵活，在处理废水时，碳氧化、硝化及反硝化、除磷可同时 苏州科技院硕十学位论文 第一章引言 完成，因而是一种很有前途的生物除磷工艺。 7 ) p h o s t r i p 工艺p h o “p 工艺是把生物和化学除磷法结合起来的一种除磷工艺吲， 该工艺中主流部分为常规的活性污泥曝气池，回流污泥的一部分( 约为进水流量的 1 0 2 0 ) 被分流到专门的厌氧池，污泥在厌氧池中通常停留8 1 2 h ，聚磷菌则在厌 氧池中进行磷的释放。脱磷后的污泥回流到曝气池中继续吸磷。含磷上清液进入化学 沉淀池，然后用石灰进行处理，沉淀去除磷，石灰剂量取决于废水的碱皮。除磷过程 在污泥回流路径上完成。p h o 嘶p 工艺的优点是与单纯的化学除磷工艺相比，大大地 减少了药剂的投加量和化学污泥量。出水总磷浓度可低于l m l ，而且不太受进水 b o d 浓度影响。 8 ) 其它目前国内外许多专家学者已开始研究改良方法和新的除磷工艺，并取得了 很多成果。重庆建筑大学罗固源1 2 3 】等应用组合式间歇曝气系统p l a s 进行除磷试验。 在p l a s 系统中，曝气时主反应器呈好氧状态，含碳基质氧化降解，聚磷菌过度摄磷， 在停曝并搅拌时主反应器呈厌、缺氧状态，此时硝态氮在反硝化作用下还原为氮气， 聚磷菌释放磷，但是此厌氧阶段不能过长，否则会造成聚磷菌的无效释磷，对随后的 好氧段的吸磷产生不利影响。试验结果表明，p l a s 工艺是一种能成功地对城市污水 进行除磷脱氮的新工艺。t p 的去除率与曝停周期和a n r 的交互反应成正相关而与曝 停周期和a n r 成负相关。p 队s 系统在不加碳源的基础上仍能取得较高的除磷脱氮和 去除有机物的效果。 以上生物除磷工艺技术都是基于聚磷菌的厌氧放磷和好氧加倍吸磷机理。但是也 有学者提出了不同见解，刘延华认为在生物除磷过程中，起重要作用的是活性污泥中 的含糖类物质( c a r b o h y d b a t e ，简称c h ) 。在厌氧条件下活性污泥降解细胞内c h 和释 放磷同时存在，所产生的能量用于吸收水中的有机物，而在好氧条件下，c h 又会合 成再生。当污泥中c h 含量低时，污泥降解c h 少而释放磷多，当污泥中c h 含量高 时，污泥降解c h 多而释放磷少。当污泥中c h 含量高于2 5 时，污泥吸收有机物时 降解c h 而不释放磷。据此，他提出了生物除磷糖控制工艺( c h c ) ，并在天津纪庄子 污水处理厂进行了试验1 2 4 j 。 此工艺的目的就是对厌氧段活性污泥进行c h 控制，使厌氧池末端的含糖量降到 1 0 以下，避免活性污泥使用c h 作为厌氧代谢的能源。因为当活性污泥以c h 做厌 氧代谢的能源时，活性污泥能够利用所含c h 作能源在厌氧状态吸收醋酸而不释放 磷，它在好氧池不再吸收磷而只是进行c h 的合成。试验结果表明，将污泥含量在厌 氧段结束时降到9 左右，可以实现高效除磷，其除磷效率绝大部分在9 0 以上，最 低为8 6 ，最高达9 7 ，在厌氧池去除c o d 的效果也特别明显，一般c o d 的去除 率都在7 0 以上。 苏州科技学院硕十学位论文第一章引言 1 4 3 生物同步脱氮除磷技术新进展 为解决目前日益严重的水体富营养化问题，必须对废水进行脱氮除磷处理。然而 根据目前生物脱氮除磷机理开发的生物脱氮除磷工艺流程基本上是生物硝化及反硝 化工艺和生物除磷工艺的综合。在此类工艺中脱氮和除磷是两个不同的生化机理，而 且聚磷菌与反硝化菌因竞争有机碳相互抑制，特别是在低c o d 浓度时，n 0 3 。的存在于 厌氧区会限制甚至终止生物除磷。而随着社会的发展，人们生活水平的提高，所有的 城市生活污水都呈现排水量增大，c t n 和c t p 比值下降的趋势。为解决低有机物浓 度时，聚磷菌与反硝化菌竞争有机碳这一难题，同时提高生物脱氮和除磷能力，人们 开发了不同的工艺，但终因基于现有的生物脱氮除磷机理的局限性而不能从根本上解 决这一难题。在实际污水处理厂的运行中，为同时保证脱氮和除磷效果不得不采用投 加有机物和化学试剂的方法，增加了污水处理成本，且对于大型污水处理厂而言根本 不现实。 自2 0 世纪8 0 代起，国外研究者开始试图从生物脱氮和除磷的机理之间的关系出 发，研究开发脱氮除磷新技术，从根本上解决上述问题。 最新的研究发现【2 5 也7 1 ，一种“兼性厌氧反硝化聚磷细菌”能在缺氧环境下摄磷， 同时利用n 0 3 为电子受体来氧化污水中的有机物，这就使得摄磷和反硝化这两个不同 的生物过程，能够借助同一种细菌在同一种环境中统一，这种反硝化细菌的生物摄 放磷作用被称为“反硝化除磷 。k u b “1 9 9 4 ) 2 8 】发现反硝化磷菌( d e n i t r i 匆i n g p h o s p h a t e a c c 啪u l a t i n go r g a n i s m s ，d n p a o s ) 除磷能力与传统a n o 工