（环境科学与工程专业论文）a2o工艺处理生活污水反硝化除磷及短程硝化反硝化的研究.pdf

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韵地方外，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：垫日期：2 必 关于论文使用授权的说明 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： 敬 导师签名： 日期：勘：；4 = 摘要 摘要 本课题采用传统a 2 0 工艺及其改进型a - a 2 0 工艺处理低c n 比( 平均c n 为2 5 ) 实际生活污水，研究其脱氮除磷性能。为减少外投碳源、提高脱氮除磷 效果，重点研究了其反硝化除磷特性和实现短程硝化反硝化的控制措施，以及短 程硝化引起的亚硝态氮积累对系统生物除磷的影响。 研究结果表明：处理低c n 比实际生活污水时，在不设置预缺氧区、无外 加碳源的情况下，全程硝化反硝化型a 2 0 工艺的脱氮除磷能力受到严重影响， t n 平均去除率仅为4 7 1 ；此时a 2 0 工艺几乎无除磷能力，缺氧段有释磷现象 的发生。而设置预缺氧区的a - a 2 0 工艺的脱氮除磷能力较传统a 2 0 工艺有明显 的提高，t n 平均去除率可达6 0 7 ，p 0 4 3 - - p 平均去除率为5 5 9 ；此时系统存 在反硝化除磷现象，缺氧段除磷率为3 1 4 0 旷4 6 9 。由于实际生活污水c n 比较 低，设置预缺氧区的a a 2 0 工艺的反硝化能力仍会受限，造成系统内硝态氮或 亚硝态氮积累；从而导致仍有部分硝态氮或亚硝态氮进入厌氧区，使聚磷菌不能 充分释磷合成充足的p h a ，这是导致低c n 比a a 2 0 系统除磷效果差的主要原 因之一。 通过控制好氧区d o 浓度为0 3 0 5 m g l ，同时增大系统内回流比以降低系 统好氧实际水力停留时间( a c t u a lh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，a h r t ) ，成功启动并 维持了短程硝化反硝化，亚硝态氮积累率稳定维持在9 0 左右，氨氮去除率维持 在9 5 以上。通过对不同硝化类型以及不同d o 水平下a a 2 0 工艺脱氮效率的 比较研究发现，无外加碳源的低d o 短程硝化反硝化阶段与外加碳源的高d o 全 程硝化反硝化阶段的t n 去除率相当；短程硝化反硝化型a a 2 0 工艺仅需投加 全程硝化反硝化型a a 2 0 工艺外投碳源量的l 3 即可取得较之更好的脱氮除磷效 果。在高d o 全程硝化反硝化型a a 2 0 工艺外投碳源会导致严重的污泥膨胀， 而向低d o 短程硝化反硝化型a - a 2 0 工艺外投碳源并不会引起污泥膨胀。a a 2 0 工艺在低d o ( 0 3 - 0 5 m g l ) 条件下长期运行，并不会导致a a 2 0 工艺发生污 泥膨胀，反而有助于改善其污泥沉降性能。 此外，与全程硝化反硝化型a a 2 0 工艺不同的是，短程硝化反硝化型a a 2 0 工艺中由于亚硝态氮的积累，致使在好氧区内形成较高浓度的f n a 。而较高浓 度的f n a 对好氧吸磷的抑制是导致短程硝化反硝化型a a 2 0 工艺除磷效果恶化 的另一个主要原因。通过外投碳源可提高系统的反硝化能力，降低硝态氮和亚硝 态氮积累对系统除磷效果的影响，提高系统的除磷能力。 通过提取富集氨氧化菌( a m m o n i ao x i d i z i n gb a c t e r i a ，a o b ) 的基因组d n a ， 北京工q e 大学1 学坝士学何论文 经两次常规p c r 扩增和琼脂糖凝胶电泳，以纯化回收的d n a 扩增片段作为实时 荧光定量p c r 检测a o b 数量的d n a 标准品，建立了检测a o b 数量的实时荧 光定量p c r 标准曲线。并利用实时荧光定量p c r 技术比较了a a 2 0 系统在不同 运行条件及亚硝态氮积累率下的a o b 菌群数量。结果表明，随着系统亚硝态氮 积累率的上升，系统内a o b 菌群数量也大幅上升。全程硝化反硝化和短程硝化 反硝化时，系统内的a o b 菌群数量分别为5 2 8 1 0 9 c e l l s ( g m l v s s ) 和 3 9 5 x1 0 l o c e l l s ( g m l v s s ) 。此外研究表明，亚硝态氮积累率的下降相对于a o b 菌群数量的下降有一定的滞后性。 关键词：a 2 0 工艺：短程硝化反硝化：生活污水；反硝化除磷；实时荧光定量p c r ； i i a b s t r a c t a b s t r a c t al a b s c a l em oa n dal a b s c a l ea a 2 0p r o c e s sw e r eo p e r a t e dt oi n v e s t i g a t et h e p e r f o r m a n c eo fb i o l o g i c a ln u t r i e n t sr e m o v a lf r o ml o wc nr a t i od o m e s t i cw a s t e w a t e r k e yr e s e a r c ho l ld 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 er e a l i z eo f n i t r i t a i o nd e n i t r i t a t i o n a n dm ee f f e c to fn i t r i t ea c c u m u l a t i o no 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 sr e m o v a li n a 2 0p r o c e s sw e r es t u d i e df o rd e c r e a s i n gt h ea d d i t i o n a lc a r b o ns o u r c ea n di m p r o v i n g t h eb i o l o g i c a ln u t r i e n t sr e m o v a le f f i c i e n c y t h er e s u l t ss h o w e dt h a to n l ya b o u t4 7 1 o ft nc o u l db er e m o v e dw h e nt h e a 2 0p r o c e s sw a so p e r a t e dw i t h o u tt h ep r e a n o x i cz o n ea n da d d i t i o n a lc a r b o ns o u r c e u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，b o t hc o n v e n t i o n a la n dd e n i t r i f y i n gp h o s p h a t er e m o v a lw a sn o t o b s e r v e di nt h ea n o x i cz o n e w h e nt h ea 2 0p r o c e s sw a so p e r a t e dw i t ht h ep r e - a n o x i c z o n e ( a a 2 0p r o c e s s ) ，a b o u t6 0 7 o ft na n d5 5 9 o fp 0 4 - pc o u l db er e m o v e d m o r e o v e r ，d e n i t r i f y i n gp h o s p h a t er e m o v a lo c c u r r e dw i t h ar e m o v a le f f i c i e n c yo f 31 4 4 6 9 i nt h ea n o x i cz o n e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e n i t r i f i c a t i o n a b i l i t yw a sa f f e c t e dr e s u l t i n gf r o mt h el o wc nr a t i oo fd o m e s t i cw a s t e w a t e r n i t r a t e o rn i t r i t eg o ti nt ot h ea n a e r o b i cz o n ew a so n eo ft h em a i nr e a s o n sf o rd e t e r i o r a t i n g 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 i n a a 。op r o c e s s n i t r i t a i o n d e n i t r i t a t i o nw a sa c h i e v e db yc o n t r o l l i n gl o wd oc o n c e n t r a t i o no f 0 3 0 5 m g la n dh i g h e ri n t e r n a lr e c y c l er a t i o s t od e c r e a s et h ea c t u a la e r o b i ch r t ( h y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e ) t h ea v e r a g en i t r i t e a c c u m u l a t i o nr a t ea n da m m o n i a r e m o v a lr e a c h e da b o u t9 0 a n da b o v e9 5 ，r e s p e c t i v e l y t h ee f f e c t so f n i t r i f i c a t i o n t y p e sa n dd ol e v e l s 0 1 1n i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yi nt h ea _ a 。op r o c e s sw e r e i n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es h o r t c u t n i t r i f i c a t i o na tl o w d oc o n c e n t r a t i o n sh a dt h es a m et nr e m o v a le f f i c i e n c ya st h ec o m p l e t en i t r i f i c a t i o n w i t ht h ee x t r ac a r b o ns o u r c e s n i t r i t a i o n d e n i t r i t a t i o np h a s ew h i c ho n l yn e e da t h i r do f t h ea d d i t i o n a lc a r l ) o ns o u r c e so ft h en i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o np h a s eh a db e t t e r p e r f o r m a n c eo fb i o l o g i c a ln u t r i e n t sr e m o v a l m o r e o v e r ，t h ea c t i v a t e ds l u d g es e t t l i n g c h a r a c l | e “s t i c sd i dn o td e t e r i o r a t ei nt h en i t r i t a i o n - d e n i t r i t a t i o np h a s e e v e nw h e nt h e s e e ds l u d g ew a sb u l k i n gs l u d g e ，s l u d g es e t t l i n ga n dt r e a t m e n tp e r f o r m a n c ew a s i m p r o v e du n d e rl o wd oc o n d i t i o n s ( 0 3 0 5 m g l ) c o m p a r et on i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n ，t h ef n ac o n c e n t r a t i o no f0 0 0 2 0 0 0 3 m gh n 0 2 n li n t h ea e r o b i cz o n es i g n i f i c a n t l yi n h i b i t e dt h ea e r o b i cp h o s p h o r u s i i i 北京i , i k 大学t 学硕十学位论文 u p t a k e d u r i n gt h e n i t r i t a i o n d e n i t r i t a t i o np h a s e ，w h i c hw a sa n o t h e rm a j o rr e a s o n c a u s i n gp h o s p h o r u sr e m o v a ld e t e r i o r a t i o n t h r o u g ha d d i n gt h ec a r b o ns o u r c e si nt h e i n f l u e n tt oe n h a n c ea n a e r o b i cp h o s p h o r u sr e l e a s ea n dd e n i t r i f i c a t i o n ，t h en i t r a t ea n d n i t r i t ec o n c e n t r a t i o n si nt h ea n a e r o b i cz o n ew e r ed e c r e a s e d ，a n dt h ep h o s p h o r u s r e m o v a lc a p a c i t yo fa a 2 0p r o c e s sw a sr e c o v e r e d t h e16 sr i b o s o m a ld n a o ft h ea m m o n i ao x i d i z i n gb a c t e r i af r o mt h e e n v i r o n m e n t a l s a m p l e w a s a m p l i f i e du s i n gt h es p e c i f i c p c rp r i m e r sa n d e l e c t r o p h o r e s e do na g a r o s eg e lt w i c e t h ed n af r a g m e n t si nr e a m p l i f i e da g a r o s eg e l b a n d sw e r er e c o v e r e da n dp u r i f i e d ，a n dt h e nu s e da ss t a n d a r dm o l e c u l es a m p l ei n r e a l t i m ep c rf o ra o b q u a n t i f i c a t i o n t h en u m b e r so ft h ea o b i ns l u d g es a m p l e s u n d e rd i f f e r e n t s i t u a t i o na n dn i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t e sw e r em o n i t o r e db yu s i n g r e a l t i m ep c r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h en u m b e r so fa o bs i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d w i t hi n c r e a s i n go fn i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t e s t h en u m b e r so fa o bi nt h ec o m p l e t e n i t r i f i c a t i o na c t i v a t e ds l u d g ea n dn i t r i t a t i o na c t i v a t e ds l u d g ew e r e5 2 8 1 0 c e l l s ( g m l v s s ) a n d 3 9 5 1 0 1 0c e l l s ( g m l v s s ) ，r e s p e c t i v e l y m o r e o v e r , t h e d e c r e a s eo ft h en i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t e sl a g g e db e h i n dt h ec h a n g e so fa o bn u m b e r s i nt h ea a 2 0p r o c e s s k e yw o r d s ：心op r o c e s s ；n i t r i t a i o n d e n i t r i t a t i o n ；d o m e s t i cw a s t e w a t e r ；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 l ；r e a l - t i m ef l u o r e s c e n tq u a n t i t a t i v ep c r ； i v 目录 目录 摘要i a b s t r a e t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景1 1 1 1 课题意义和目的1 1 1 2 课题来源2 1 2 生物除磷- 2 1 2 1 传统生物除磷理论2 1 2 2 反硝化除磷理论4 1 3 短程硝化反硝化工艺5 1 3 。1 短程硝化反硝化的原理一5 1 3 3 实现短程硝化反硝化的途径7 1 4 p c r 技术在污水处理系统内硝化菌群研究中的应用8 1 4 1a m o a 基因与1 6 sr r n a 基因9 1 4 2 p c r d g g e c l o n i n g s e q u e n c i n g 1 0 1 4 3p c r t r f l p 1 1 1 4 4r e a l t i m ef l u o r e s c e n tq u a n t i t a t i v ep c r 1 2 1 4 5r r _ p c r 1 3 1 5 课题研究内容1 4 第2 章试验材料和方法1 5 2 1 反应装置1 5 2 2 试验水质1 6 2 3 分析项目和检测方法1 7 2 3 1 常规水质指标检测方法1 7 2 3 2 d n p a o 相对于全部聚磷菌( p a o s ) 代谢活性的测定1 7 2 3 3p h a 的测定1 7 2 - 3 4 糖原的测定1 8 北京工业大学一1 学硕士学位论文 2 3 5 水样中有机物的三维荧光光谱测定1 8 第3 章a 2 0 工艺处理生活污水反硝化除磷研究19 3 1 概j 态1 9 3 2 材料与方法1 9 3 2 1 试验装置与运行1 9 3 2 2 试验用水及水质2 0 3 3 试验结果与分析2 0 3 3 1a 2 0 工艺对c o d 的去除2 0 3 3 2a 2 0 工艺脱氮除磷性能及其反硝化除磷特性2 1 3 3 3 外投碳源对a 2 0 工艺的影响2 4 3 4 本章小结3 0 第4 章a a 2 0 工艺处理实际生活污水短程硝化反硝化的研究3 3 4 1 概述3 3 4 2 材料与方法3 3 4 2 1 试验装置3 3 4 2 2 试验用水及污泥3 4 4 2 - 3 试验方案3 4 4 3 结果与讨论3 6 4 3 1a a 2 0 工艺短程硝化反硝化的实现与维持3 6 4 3 2a a 2 0 工艺中亚硝态氮积累的影响因素3 8 4 3 3 全程硝化和短程硝化对a - a 2 0 系统总氮去除率的影响3 9 4 3 4 亚硝态氮积累对p 0 4 3 - - p 去除的影响4 l 4 3 5 短程硝化型a _ a 2 0 工艺除磷效果影响因素分析一4 2 4 3 6 低氧对s v i 的影响2 6 4 3 7 外投碳源对a a 2 0 工艺处理出水及其组分的影响4 7 4 4 本章小结5 2 第5 章实时荧光定量p c r 对a a 2 0 短程硝化系统内氨氧化菌的定量分析5 5 5 1 概述5 5 5 2 材料和方法5 5 5 2 1 主要试剂5 5 5 2 2 引物和探针5 6 5 2 3 试验仪器5 6 5 2 4 活性污泥样品5 7 5 2 5 富集培养a o b 5 7 5 2 6d n a 提取5 7 5 2 7a o b 实时荧光定量标准曲线的建立方法5 7 5 2 8 污泥样品内a o b 的定量分析方法5 9 5 3 结果与分析一j ! 5 9 5 3 1 反应器运行情况5 9 5 3 2a o b 实时荧光定量标准曲线的建立一6 0 5 3 3 对污泥样品的检测6 1 5 4 本章小结6 2 结论6 3 参考文献6 7 攻读硕士学位期间所发表的学术论文7 5 致谢7 7 北京工业大学t 学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 课题意义和目的 第1 章绪论 全球范围内水体“富营养化”问题日益突出，氮磷等营养物质过度排放是造 成这一现象的主要原因。为控制水体富营养化，许多国家严格限制排入天然水体 的氮磷等营养元素量。生活污水作为影响自然水体的重要污染源之一，具有c n 低的特点，严重制约了污水脱氮除磷的效果。 如何在较低运行成本下，达到较高的营养物去除效果成为低c n 生活污水 处理的研究重点。a 2 0 工艺及其改进工艺是广泛应用的污水处理工艺。a 2 0 工艺 具有构造简单、水力停留时间短、运行费用低、不易产生污泥膨胀、可同步脱氮 除磷等优点。a 2 0 工艺中的脱氮除磷过程涉及硝化、反硝化、释磷和吸磷等多个 生化反应过程；而各个过程所需要的功能菌群、基质类型和环境条件各不相刚。 其中反硝化菌和聚磷菌对碳源的竞争，将导致a 2 0 工艺在处理低c n 比污水时 的脱氮除磷效率较低。 反硝化聚磷菌( d e n i t r i f y i n gp h o s p h a t ea c c u m u l a t i n go r g a n i s m ，d n p a o ) 与 普通聚磷菌( p h o s p h a t ea c c u m u l a t i n go r g a n i s m ，p a o ) 都能够在厌氧条件下，利 用原水中挥发性有机酸( v o l a t i l ef a t t ya c i d ，v f a ) 进行释磷，同时在体内合成 聚羟基丁酸盐( p o l y f l - h y d r o x y a l k a n o a t e ，p h a ) 。普通聚磷菌在好氧条件下利 用体内贮存的p h a 以氧气为电子受体进行吸磷反应；普通反硝化菌在缺氧条件 下以碳源为电子供体、n o x - - n ( 包括n 0 2 。一n 和n 0 3 n ) 为电子受体进行反硝化 反应。而d n p a o 不仅能在好氧条件下以氧气为电子受体进行吸磷反应；而且能 够在缺氧条件下以p h a 为电子供体、n o x 。一n 为电子受体进行吸磷，同时能够将 n o x - 一n 还原成n 2 。从而d n p a o 能够利用原水中的碳源达到同步脱氮除磷的目 的。因此强化a 2 0 工艺的反硝化除磷能力，可以有效提高碳源利用效率和系统 的脱氮除磷能力1 2 j 。许多研究者已经对硝态氮对生物除磷的影响及其机理进行了 较为深入的研究；但目前仅有少量文献报道了亚硝态氮对聚磷菌生物除磷的影 响。已有研究表明亚硝态氮对聚磷菌缺氧吸磷和好氧吸磷都有抑制作用p j 。但这 些研究大多基于s b r 反应器；目前，未见文献报道由于短程硝化引起的亚硝态 氮积累对处理实际生活污水的a 2 0 连续流工艺生物除磷效果的影响。 综上所述，深入、系统地研究a 2 0 工艺处理实际生活污水的脱氮除磷性能， 北京丁业大学 二学硕士学位论文 尤其是实现短程硝化的控制措施、短程硝化引起的亚硝态氮积累对a 2 0 工艺除 磷性能的影响及其解决方案，对a 2 0 工艺的稳定运行、提高脱氮除磷效果、降 低运行成本具有指导意义。 1 1 2 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金项目：“中低温短程脱氮系统中硝化菌群竞 争优势的调控”( n o 5 0 8 7 8 0 0 5 ) ；北京市自然科学基金项目：“短程脱氮系统 硝化菌群的动态分布与定量评估”( n o 8 0 7 2 0 0 5 ) 和“d p a o s 作用于亚硝酸型 s n d 的富营养化防治技术”( n o 8 1 0 2 0 0 5 ) 中的部分研究内容。 1 2 生物除磷 目前，污水除磷的方法主要有化学沉淀法和强化生物除磷法( 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 ，e b p r ) 两大类。由于磷酸盐能够与某些化学物 质( 如铝盐、铁盐、石灰等) 发生化学沉淀，生成不溶于水的物质。故在污水处 理过程中，人为的投加一定量的铝盐等，使其与污水中的磷酸盐反应生成不溶于 水的络合物；然后通过后续的沉淀处理，即可去除污水中的磷酸盐，使出水水质 达到国家相关排放标准；化学沉淀法是目前较为普遍采用的一种除磷方法。化学 法除磷的去除率较高，处理效果稳定，污泥在处理过程中不会重新释放磷而造成 二次污染；但该方法的剩余污泥产量较大，需额外购买大量化学除磷试剂，费用 较高。强化生物除磷法则是通过控制反应器的反应条件，使得微生物能够聚集过 量的、超过其自身生长所需要的，并且以多聚磷酸盐颗粒( p o l y p h o s p h a t e ，p o l y p ) 的形式在体内储存的磷。而“过量摄磷”正是e b p r 工艺的核心机理。这类微生物 被称为聚磷菌( p o l y p h o s p h a t ea c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ，p a o s ) 。强化生物除磷法 是目前最经济的脱氮除磷方法，由于它具有处理过程稳定可靠、除磷效果好、成 本低、操作管理方便等优点而被广泛的应用于污水处理工艺中。 1 2 1 传统生物除磷理论 传统的生物除磷工艺是在厌氧、好氧交替运行条件下驯化出聚磷菌一类微生 物，它能够过量的、在数量上超过其生理需要的从外部环境中摄取磷，并将磷以 聚合物的形式贮存在体内，使其体内含磷量超过8 ，有时甚至高达1 0 ，形成 富磷污泥，将其排出系统外，即可达到从废水中除磷的效果。传统的生物除磷理 论认为生物除磷过程通常包括厌氧释磷和好氧吸磷两个过程，其代谢模型分别如 图1 1 ( a ) 和图1 1 ( b ) 所示h 。 b p 砒 ( h i g ha f f i n i t y ) p n f i a wa f f i n i t y ) o u i n o i r e d u c t a s e 图1 - 1 聚磷菌厌氧放磷、好氧吸磷机理图4 】 f i g u r e1 - 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f 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 h l 在厌氧条件下聚磷菌对乙酸和丙酸的代谢途径及其计量学如图1 2 所示。在 一3 北京丁业大学1 = 掌硕十学位论文 厌氧环境中，p a o s 吸收环境中的挥发性脂肪酸( v o l a t i l ef a t t ya c i d ，v f a ) ，这 个过程需要的能量来自于聚磷菌胞内多聚磷酸盐( p o l y p ) 水解产生的a t p ，同 时p a o s 将分解的p o l y p 以无机磷酸盐( p 0 4 3 - - p ) 的形式释放到体外。v f a 进 入细胞后经过一系列的生化反应，在糖原酵解途径产生的还原力( n a d h 2 ) 的 推动下生成聚羟基烷酸( p o l y 夕- h y d r o x y a l k a n o a t e ，p h a ) 聚合在体内；p h a 是 p a o s 好氧时的主要能量来源。好氧时，聚磷菌利用分解p h a 产生的能量：过量 吸收污水中的正磷酸盐，将其转化为聚磷颗粒累积在细胞中；同时聚磷菌将分解 p h a 产生的部分能量用于自身的生长繁殖和糖原的恢复。这样，强化生物除磷 系统就可以在厌氧好氧条件交替下，通过控制污泥龄而除去污水中的磷。聚磷 菌细胞内的p h a 、糖原和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 a ，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p a o s 吸、 放磷状况和最终的生物除磷效果。 图1 - 2 聚磷菌以丙酸和乙酸为碳源的厌氧反应计量掣5 1 f i g 1 - 2p r o p o s e da n a e r o b i cs t o i c h i o m e t r yf o rm i x e dp r o p i o n i ca n da c e t i ca c i d s m e t a b o l i z e db yp a o s 【5 】 1 2 2 反硝化除磷理论 大量研究发现，除普通聚磷菌可在好氧状态下过量吸磷外，还有一种兼性厌 氧反硝化聚磷菌d n p a o ( 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 i n gb a c t e r i a ，d n p a o ) 能在缺氧状态下过量吸磷。d n p a o 在厌氧与缺氧交替条件下对糖原、p h a 、磷 酸盐等物质的代谢过程类似于厌氧好氧条件下普通p a o s 的代谢过程。其主要 区别在于氧化贮存在细胞内的p h a 时，电子受体不是氧分子，而是硝态氮；并 且在吸磷的同时将硝态氮转变成为n 2 。与普通p a o s 类似，d n p a o 所释放的 磷主要来自于细胞内聚磷的水解，聚磷水解所产生的能量用于摄取胞外的v f a 组分，并合成p h a 储存于细胞内。d n p a o 可在缺氧环境下吸磷，这就使得吸 磷和反硝化两个过程借助同一种细菌在同一个环境下完成。通过与传统生物除磷 技术相比可知，反硝化除磷技术可以节约5 0 碳源，减少5 0 污泥产量，并可 减少3 0 左右的曝气量。但由于缺氧条件下，单位n a d h 2 产生的三磷酸腺苷 ( a t p ) 比好氧时少4 0 ，因此d n p a o 需要消耗更多的p h a ，导致缺氧吸磷 速率比好氧时低4 0 左右【6 ，。但就最终的吸磷效果而言，厌氧缺氧型和厌氧 好氧型除磷系统的除磷效果都较好，主要原因是：聚磷所需要的能量相对于微 生物生长或p h a 生成所需要的能量来说，比例很小。因此，a t p m o l m o i n a d h 2 能量的减少对于聚磷的生成产生的消极影响不是很大； p a o s 的吸磷能力通常 大于一般情况下系统中磷的负荷。因此，即使吸磷速率较小也不会导致系统除磷 效果的下降。而在缺氧条件下，d n p a o 能同时进行吸磷和反硝化脱氮，有效地 克服了传统生物脱氮除磷工艺的缺陷，具有广阔的应用前景。 目前研究表明，d n p a o 不仅能以n 0 3 。一n 为电子受体进行反硝化吸磷，而 且可以以n 0 2 n 为电子受体进行反硝化吸磷反应。h u 等【8 j 分别以n 0 3 - n 、 n 0 2 一n 、0 2 三种电子受体对厌氧缺氧条件下驯化的污泥进行了反硝化除磷试验 研究，发现只能利用0 2 为电子受体的聚磷菌占少数，大部分聚磷菌都能以 n 0 3 n 、n 0 2 n 、0 2 作为电子受体，超过聚磷菌总数量的5 0 ，因此可以充分 利用这些聚磷菌进行反硝化除磷。另有资料表明，未经驯化的p a o s 不能利用 n 0 2 。一n 作为电子受体吸磷。在适宜的条件下，p a o s 经过驯化培养可以利用 n 0 2 一一n 作为电子受体吸磷，吸磷能力逐渐增加，并且吸磷量与缺氧段的时间成 正比。n 0 2 - n 作为电子受体的缺氧吸磷速率及反硝化速率均大于n 0 3 - - n 作为电 子受体的情况，因此以n 0 2 - n 为电子受体反硝化吸磷能够节约反应器的容积， 而且消耗单位氮的吸磷量n 0 3 。一n 大于n 0 2 。一n 。但是当n 0 2 。n 的浓度较高时， 会对d n p a o 缺氧吸磷产生抑制作用 1 3 短程硝化反硝化工艺 1 3 1 短程硝化反硝化的原理 传统的生物脱氮包括硝化和反硝化两个反应过程。其中硝化部分首先是由氨 氧化菌( a m m o n i ao x i d i z i n gb a c t e r i a ，a o b ) 将n i - h + - n 氧化为n 0 2 - n 的氨氧化 北京工业大学工学硕士学位论文 过程；然后是由亚硝态氮氧化菌( n i t r i t eo x i d i z i n gb a c t e r i a ，n o b ) 将n 0 2 。- n 氧 化为n 0 3 - n 的亚硝态氮氧化过程。最后通过反硝化细菌将产生的n 0 3 - n 转化为 n 2 桫j 。其中a o b 包括亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属等；n o b 有硝酸杆菌属、 硝酸螺菌属和硝酸球菌属等；a o b 和n o b 统称为硝化细菌。a o b 和n o b 都 属于化能自养型菌，它们都能够利用c 0 2 、c 0 3 和h c 0 3 等作为碳源，通过与 n h 3 、n 地+ - n 或n 0 2 的氧化还原反应获得能量，但其生长缓慢，世代时间长。 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。假定细胞的 组成为c 5 h 7 n 0 2 ，其反应方程式可以表示为： n h 4 + + 1 3 8 3 0 2 + 1 9 8 2 h c 0 3 。0 0 9 2 n 0 2 + 1 0 3 6 h 2 0 + 1 8 9 1 h 2 c 0 3 + 0 0 1 8 c 5 h t n 0 2 ( 1 1 ) n o b n 0 2 + 0 4 8 8 0 2 + o 0 0 3 h c 0 3 + o 0 1 h 2 c 0 3 n 0 3 + 0 0 0 8 h 2 0 + 0 0 0 3 c s h 7 n 0 2 ( 1 - 2 ) 总反应为： 。硝化菌 n h 4 + 1 8 6 0 2 + 1 9 8 2 h c 0 3 。卜0 9 8 2 n 0 3 + 1 0 0 4 h 2 0 + 1 8 8 1 h 2 c 0 3 + 0 0 2 1 c s h v n 0 2 ( 1 - 3 ) 其中n 0 2 - n 是硝化和反硝化两个过程的中间产物。如果将n h 4 + 一n 的氧化 控制在亚硝化阶段，然后通过反硝化作用直接将n 0 2 n 还原为n 2 ，经n h 4 + - n n 0 2 - n n 2 这样的途径完成脱氮，即短程硝化反硝化途径。短程硝化反硝化 将会大大缩短脱氮历程，同传统的全程生物脱氮技术相比，短程脱氮技术有着无 可比拟的优越性咿j ： ( 1 ) 硝化过程节省2 5 需氧量 短程硝化：n h 4 + - nf + 1 5 0 2 ”j 叁至塑n 0 2 - n + h 2 0 + 2 h + ll 全程硝化：丑+ _ n | + 2 0 2| 蛆n o ，- - n + h ：o + 2 矿 ( 2 ) 反硝化过程节省4 0 碳源，更加适合处理低碳氮比的生活污水。 ( 1 - 4 ) ( 1 5 ) 短程6 n 0 2 - n 1 3 c h 2 0 h 肇趟域9n 2 + 3 h 2 0 + 3 c 0 2 十6 0 h - ( 1 - 6 ) ll ； 全程：6 n 0 3 n ：i + 5 c h 2 0 h 些趟域9n 2 + 7 h 2 0 + 5 c 0 2 + 6 0 i - i ( 1 - 7 ) i ； ( 3 ) 缩短反应时间和水力停留时间，从而可以减少反应器容积，节省基建投 第1 苹绪论 资。 (