（模式识别与智能系统专业论文）反硝化除磷特性及连续流反硝化除磷工艺改进研究.pdf

摘要 摘要 ( i ) 不同运行条件下反硝化聚磷菌特性及其生态位研究 不同反应系统中反硝化聚磷菌的特性及生态位是不同的，甚至同一系统 不在同运行条件下或不同时期也有很大的差别。为此，建立不同的反硝化除 磷系统，控制不同运行工况，进行了反应器内聚磷菌的反硝化除磷特性及其 生态位的研究。 实验过程中作了两组共六个反应器的对比实验。1 4 、2 4 、3 撑号反应器为 一组，采用厌氧缺氧交替运行的方式，厌氧反应阶段投加不同炭源，三个反 应器分别投加乙酸钠、丙酸钠和葡萄糖，其他运行条件相同；4 4 、5 4 、6 群反 应器为一组，4 “反应器控制厌氧好氧运行方式，5 4 、6 “反应器控制厌氧缺氧 交替运行的方式，所不同的是5 4 、6 4 在缺氧段投加的电子受体不同，分别为 硝酸氮和亚硝酸氮。 第一组实验结果表明碳源类型对反硝化除磷影响较大。聚磷菌对乙酸钠 和丙酸钠的利用几乎没有选择性，二者效率相当。在条件相同条件下，以乙 酸钠为炭源的系统吸、释磷量最大，而丙酸钠的吸、释磷效率最高，两个系 统对磷的去除率分别达到8 6 和8 2 。葡萄糖对反硝化聚磷菌的诱导作用最 差，磷去除率仅为3 1 。葡萄糖的引入造成系统除磷能力的大幅度下降。 d g g e 方法分析结果表明，以乙酸钠和丙酸钠为碳源的系统污泥生物群落结 构极为相似，以葡萄糖为碳源造成了除磷系统生物群落结构的彻底改变，以 m i c r o p r u i n a g l y c o g e n i c a 为代表的典型g a o s 在系统中富集起来。 另一组实验结果表明亚硝酸盐氮对好氧聚磷菌的吸磷和呼吸速率具有很 强的抑制作用，在水厂的实际运行中应该严密检测亚硝酸盐的含量以免对除 磷系统造成不利影响。亚硝酸盐氮对好氧除磷系统的影响远大于缺氧除磷系 统，亚硝酸盐氮对好氧和缺氧除磷的抑制浓度分别为o 8 8 m g n g v s s 和6 7 2 m g n g v s s 。同时发现在以n 0 3 n 为电子受体的反硝化除磷基础上采用逐渐增 加亚硝酸氮浓度的方法驯化聚磷污泥，可以增加污泥对亚硝酸盐氮的适应性， 并最终可以选择亚硝酸氮作为唯一电子受体吸磷，但其除磷效率低于以氧和 n 0 3 n 为电子受体的除磷系统。通过对系统运行数据和各系统污泥吸磷能力 的分析，发现对生物除磷有贡献的聚磷菌至少有六类。分别为同时以0 2 、 n 0 3 n 和n 0 2 一n 为电子受体的聚磷菌p a o o n n ，同时以0 2 、n 0 3 - n 为电子受体的 摘要 聚磷菌p a o o n ，只能以0 2 为电子受体的的聚磷菌p a o o ，只能以n 0 3 n 为电子 受体的聚磷菌p a o n ，同时以n 0 3 n 和n 0 2 n 为电子受体的聚磷菌p a o n n ，只 能以n 0 2 n 为电子受体的聚磷菌p a o 。d g g e 结果显示，除磷系统生物群落 结构随着电子受体的变化而改变，聚磷菌种类具有多样性。 ( i i ) 反硝化除磷工艺的利弊分析及其改进实验研究 本部分研究是针对传统的a 2 o 工艺在除磷脱氮方面存在的不足，和在 前期提出改进工艺和长期实验的基础上进一步改进工艺并展开实验，以期优 化系统脱氮除磷效率。 在a 2 0 工艺中，包括其他的除磷工艺中普遍存在的问题是碳源不足的问 题，继而引起聚磷菌厌氧释磷和反硝化菌反硝化对污水中短链脂肪酸的争夺。 导致反硝化不彻底，硝酸盐有剩余并容易进入厌氧区干扰释磷。而厌氧区也 由于缺少底物而无法正常释磷，最终导致系统除磷脱氮效率低下。 a 2 n 工艺可以解决上述矛盾，即利用反硝化聚磷菌能够反硝化同时除磷 的特性，在缺氧段实现吸磷并反硝化，解决炭源不做不足的矛盾。但是其系 统复杂，控制麻烦，抗冲击能力相对弱。而且出水氨氮受超越污泥回流影响 较大，出水氨氮高。对a 2 n 工艺进行改进，改变回流顺序，与好气生物滤池 联合，可以克服上述弊端。通过长期实验表明，改进后的工艺出水氨氮可以 控制很低，工艺流程短。但总氮的去处效率到一定程度难于进一步提高，尚 需进一步研究。 关键词反硝化除磷；a 2 n 系统；吸磷速率；反硝化聚磷菌；硝化 a b s t r a c t a b s t r a c t ( i ) t h ec h ara c t e ris tico fd e nitrif yin gp h o s p h oru s r e m o v aiu n d e rdif f e re n tc o n ditio n s i no r d e rt oi n v e s t i g a t i o nt h em e c h a n i s mo 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 ， i nt h i sp a p e ra n a e r o b i c a n o x i c ( a e r o b i c ) s b rr e a c t o ra n dm i c r o b i a lm o l e c u l a r e c o l o g yw e r es t u d i e dw i t hs y n t h e t i cw a s t e w a t e rt os t u d yt h ee f f i c i e n c yo f p h o s p h o r u sr e m o v a ls y s t e m sw i t hd i f f e r e n te l e c t r o na c c e p t o r sa n dd 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 y s t e m sw i t hd i f f e r e n tc a r b o ns o u r c e s b e s i d e sa n a e r o b i c p h o s p h o r u sr e l e a s ea n da n o x i cp h o s p h o r u su p t a k e i nd i f f e r e n tm i x e dc a r b o n s o u r c e sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e dm a c r o s c o p i c a l l yi nt h i sp a p e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c to fp h o s p h o r u su p t a k ew a sg o o dw h e n o x y g e na n dn i t r a t ea c t e da se l e c t r o na c c e p t o r h o w e v e r , t h ep h o s p h o r u sr e m o v a l r a t ei na n o x i cc o n d i t i o nw a sm u c hl o w e rt h a nt h a ti na e r o b i cc o n d i t i o n t h er a t i o o fm a x i m a lp h o s p h o r u sr e m o v a lr a t ei na n o x i cc o n d i t i o nt ot h a ti na e r o b i c c o n d i t i o nw a s1 ：1 8 5 n i t r i t ei na e r o b i cp h o s p h o r u sr e m o v a ls y s t e mp o s s e s s e d g r e a ti n h i b i t i n ge f f e c t w h i l ei tm a d en od i f f e r e n c et od e n i t r i f y i n gp r o c e s si 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 ls y s t e m ( n i t r a t e ) ，a n dn i t r i t ew a sa b l et oa c ta s e l e c t r o na c c e p t o rw i t h o u tt o x i ce f f e c tw h e ni t sc o n c e n t r a t i o nw a sl o w a sn i t r i t e w a st h es o l ee l e c t r o na c c e p t o ri nd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u ss y s t e m ，t h eh i g h e rt h e c o n c e n t r a t i o no fn i t r i t ew a s ，t h el e s st h ea m o u n to fp h o s p h o r u su p t a k ep e ru n i t s l u d g ew a s w h e nt h es y s t e mo p e r a t e ds t e a d i l ya f t e rl o n gt i m ed o m e s t i c a t i o n ，t h ee f f e c t 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 ls y s t e mw i t hs o d i u ma c e t a t ea n ds o d i u m p r o p i o n a t ea ss o l ec a r b o ns o u r c ew a sp r o m i n e n t a n dt h er e m o v a le f f i c i e n c yo f p 0 4 3 pi nt h et w os y s t e m sw a s8 6 a n d8 2 r e s p e c t i v e l y t h ep h o s p h o r u s r e m o v a le f f e c to fg l u c o s ea sc a r b o ns o u r c ew a st h ew o r s t t h er e m o v a le f f i c i e n c y o fp 0 4 ) - - pi nt h i ss y s t e mw a so n l y31 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 mt o o k al o to ft i m et ou t i l i z eg l u c o s e ，a n dt h i sp r o c e s sw a sc o m p l e x c o n s e q u e n t l y p r o l o n g i n ga n a e r o b i cr e a c t i o nc o u l di m p r o v et h ee f f e c to fp h o s p h o r u sr e m o v a li n i - a b s t r a c t t h es y s t e m a n a e r o b i cp h o s p h o r u sr e l e a s ea n da n o x i cp h o s p h o r u su p t a k ei nm i x e d c a r b o ns o u r c e so fs o d i u ma c e t a t ea n ds o d i u mp r o p i o n a t ew e r eb o t hb e t t e rt h a ni n m i x e dc a r b o ns o u r c e so fs o d i u ma c e t a t ea n dg l u c o s e w h e ns o d i u ma c e t a t ea n d s o d i u mp r o p i o n a t ew e r em i x e di nt h er a t i oo f1 ：1 ，t h ep h o s p h o r u su p t a k e e f f i c i e n c yw h i c hw a s4 35 3 m g m g n 0 3 。w a st h eg r e a t e s t a n dt h ep h o s p h o r u s r e l e a s ee f f i c i e n c yw h i c hw a s15 17 8 m g g m l s s hw a st h eg r e a t e s ta st h er a t i o w a s3 ：1 a n a e r o b i cp h o s p h o r u sr e l e a s ea n da n o x i cp h o s p h o r u su p t a k ew e r eb o t h t h ew o r s ti nt h es y s t e mo fs o d i u ma c e t a t ea n dg l u c o s em i x e di nt h er a t i oo f1 ：3 i n m i x e dc a r b o n s o u r c e s ， s o d i u ma c e t a t ec o u l db eu s e db e s t b y p h o s p h o r u s a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ，w h i l es o d i u mp r o p i o n a t e w o r s ea n d g l u c o s ew o r s t b u ta saw h o l e ，t h ee f f e c to fa n a e r o b i cp h o s p h o r u sr e l e a s ei n m i xc a r b o ns o u r c e sw e r ea l lw o r s et h a nt h a ti ns y s t e m so fs o d i u ma c e t a t ea n d s o d i u mp r o p i o n a t ea ss o l ec a r b o ns o u r c e 16 s r d n ao fd e n i t r i f y i n g - p h o s p h o r u s - r e m o v a l s l u d g e sf r o mt h es y s t e m so f d i f f e r e n te l e c t r o n a c c e p t o r sa n dd i f f e r e n tc a r b o n s o u r c e sw e r er e s p e c t i v e l y a n a l y s e da n dc o m p a r e de l e m e n t a r i l y i tc o u l db ef o u n di ne x p e r i m e n t st h a t m i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r ea n da m o u n to fp o p u l a t i o nw e r er e l a t e dw i t h e l e c t r o na c c e p t o ra n dc a r b o ns o u r c e t h et y p eo fc a r b o ns o u r c ei n f l u e n c e d s l u d g e sw h i c hh a dt h ec a p a b i l i t yo 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 lg r e a t e r e s p e c i a l l yt h es y s t e mw i t hg l u c o s ea ss o l ec a r b o ns o u r c ew a sd i f f e r e n tg r e a t l y f r o mt h es y s t e mw i t hs o d i u ma c e t a t eo rs o d i u mp r o p i o n a t ea ss o l ec a r b o ns o u r c e ( i i ) s t u d yo nm o d ifie dd e nitrjf yin gp h o s p h o ru s r e m o v ai t w o 。siu d g ep r o c e s s i nt h er e s e a r c h ，t h ea u t h o rd e s i g n st h em o d i f i e dd 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 lt w o s l u d g ep r o c e s sb yc o n s u l t i n gal o to ft h e s i sr e l e v a n tt ot h e p r o j e c t w ei n i t i a l e dt h el a b s c a l er e s e a r c ha f t e rt h ee x p e r i m e n te q u i p m e n tw a s e s t a b l i s h e d t h et w o s l u d g ep r o c e s ss p u r n st h es h o r t a g eo fc o n v e n t i o n a lb i o l o g i c a l n u t r i e n tr e m o v a la n ds o l v et h ec o n f l i c sb e t w e e nt h ep a o sa n d n i t r i f y i n gb a c t e r i a t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no fd p b ( d e n t r i f y i n gp h o s p h o r u sb a c t e r i a ) h o w e v e r , - a b s t r a c t n h 4 + ni ne f f i u e n tc a l l tm e e tt h es t a n d a r da n dt h ew h o l ep r o c e s si st o ol o n g t h e s t u d yp r o m o t et h em o d i f i e da 2 np r o c e s sb a s e d o nt h et r a d i t i o n a la 2 np r o c e s s i n t h e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ：t h ep r o p o s a l o ft h em o d i f i e dd 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 lt w o - s l u d g ep r o c e s s ；( 多t h es t u d yw a sm a d eo nt h eu s eo f d o m e s t i cs e w a g ea st r e a t m e n to b je c tt oi n v e s t i g a t et h es t a r t u po ft h en i t r i f y i n g f i l t r a t i o na n dt h ea c c u m u l a t i o no ft h ed p bi nm o d i f i e da 2 np r o c e s s ：t h e a u t h o rh a sd o n eal o to fr e s e a r c hf o rt h ei m p a c tf a c t o r ss u c ha st h ec n 、s l u d g e b y p a s sr a t i o 、t h en i t r i f y i n ge f f l u e n tb y p a s sr a t i o 、t e m p e r a t u r e i nt h ew h o l e m o d i f i e da 2 np r o c e s s t h em o d i f i e da 2 np r o c e s ss o l v e st h en h 4 + - ni n e f f l u e n tb yt h ea p p l i c a t i o no ft h en i t r i f y i n gf i l t r a t i o nc o l u m ni nt h el a s to ft h e w h o l ep r o c e s s ( t h en h 4 + - nc o n c e n t r a t i o ni sa l m o s t0m g l ) t h et u r b i d i t yi n e f j f l u e n ti sb e t w e e n4 2 n t u 10 5 n t u t h ew a t e rq u a l i t yh a sb e e ni m p r o v e dal o t c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a la 2 np r o c e s s ；t nr e m o v a le f f i c i e n c yk e e ph i g ha n d s t a b l eb e c a u s eo ft h es i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o np h e n o m e n o n i nt h en i t r i f y i n gf i l t r a t i o nc o l u m n t h er e s u l t so ft h el o n gt i m ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h em o d i f i e da 2 n p r o c e s ss h o w e d ：t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d 、n h 4 + - n 、t n 、t p i nt h es y s t e m i s8 0 9 3 、9 7 4 4 、81 4 6 a n d6 8 2 i n d e p e n d e n t l y w ec a nf i n dt h ea v e r a g e c o n c e n t r a t i o no fc o d 、n i - h + n 、t na r e 4 2 5 m g l 、1 2 m g la n d9 5m g l r e s p e c t i v e l y , a n dt h ee f i n u e n tq u a l i t yc a nm e e tt h el e v e la s t a n d a r di nu r b a n w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tp o l l u t a n td i s c h a r g e ( g b18 918 - 2 0 0 2 ) t pc o n c e n t r a t i o n i ne f f i u e n tw a s0 8 9 m g l a c h i e v e dl e v e lbd i s c h a r g e s t a n d a r d si nu r b a n w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tp o l l u t a n td i s c h a r g e ( g b18 918 - 2 0 0 2 ) t h ep r o m o t i o no ft h em o d i f i e da 2 np r o c e s si sm e a n i n g f u lf o rs o l v i n gt h eh i g h e m u e n tn h 4 + - nc o n c e n t r a t i o na n dl o n gp r o c e s s t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho f m o d i f i e da 2 np r o c e s si sa t t e m p tt op r o v i d et h eo p e r a t i o np a r a m e t e r sa n d r e f e r e n c ef o rt h ea p p l i c a t i o no fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sp r o c e s s k e y w o r d sd 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 w o - s l u d g es y s t e m ，p h o s p h o r u s u p t a k er a t i o ，d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sa c c u m u l a t i n gb a c t e r i a ，n i t r i f i c a t i o n v 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 水体富营养化问题是一个全球性的问题。由于n 、p 等营养物质向水体中 的不断排放，导致水体中营养物质浓度不断升高，当n 、p 的浓度超过生物正 常生长的极限浓度时，水体中的生态平衡就会遭到破坏，利用光合作用维持 生长的生物( 主要为藻青菌、真核藻类等) 就会超量繁殖 1 - 2 】。在这些能引起富 营养化的营养元素中，p 被认为是更为关键的元素1 3 圳。因为许多藻青菌利用 的是二氮化合物，能够利用空气中的n 2 直接固氮以满足其对氮的需求，所以 水体中的氮浓度应该不会对其生长产生制约。 水体富营养化的危害是多方面的1 5 。6 | ，小至可以影响被污染水体的美学， 大至使水体中溶解氧不足或耗尽，导致依靠光合作用的生物大量死亡【7 j 。水 体中浮游植物的不断增加打破了原有的生态平衡，阻止了阳光穿透水体，从 而导致光和作用制造氧的能力下降【8 1 。现已有研究证明，饮用富营养化水体 的水会影响健康。因为一些藻青菌能够产生毒素，这些毒素虽然是微量的， 但如果经常饮用是非常危险的，有时甚至会导致死亡一d 。 有资料表明，我国水质劣于v 类标准河段占4 4 o ；不能满足i 类水质 标准、不能做集中水源的河段占7 0 5 i 1 。近3 0 年来我国淡水湖泊水质污染 现象呈迅速增长之势。全国大型淡水湖泊均达到中度和重度污染，其污染程 度由重到弱依次为滇池、巢湖、南四湖、洪泽湖、太湖、洞庭湖、镜泊湖。 滇池和巢湖全湖水质劣于v 类。我国近海海域水质污染严重并有继续恶化之 趋势，劣于类水质标准的比例近5 3 6 i l2 1 。国家环境公报报导，我国江河 流域普遍遭到污染，全国河川的生态功能已严重衰退，且呈发展趋势。 调查表明，污水处理厂是这些n 、p 等营养物质的主要源头，其次是垃圾、 工商业污染和大量合成的去污剂以及其它清洁剂【3 j 。常规的生化处理工艺可 以有效地降低污水的b o d 5 和s s ，但对污水中同时存在的n 、p 等营养物只能 去除l o 2 0 ，大量含磷污水直接排入水体 3 , 6 , 1 3 j 。在近3 0 多年里，许多污 水厂在设计上都考虑到了利用微生物对氮、磷的同步去除1 1 3 。1 6 】。但是，大多 数生污除磷水厂的设计运行都是依据实际经验的，关于生物处理的机理还没 有明晰，因此多数水厂经常出现这样那样问题而无法彻底解决。也可以说现 第1 章绪论 在人们对除磷工艺的设计，是经验多于理论指导的、工艺研究多于对微生物 机理的研究。 传统的生物除磷脱氮工艺中存在着自身难以解决的弊端： c o d 的氧化 和氨氮的硝化耗能巨大，同时由于c o d 的氧化，无形中失去了贮存在c o d 中 的大量化学能；反硝化菌反硝化与聚磷菌厌氧释磷都需要碳源，两者对 c o d 竞争始终存在。硝化菌污泥龄长，而聚磷菌污泥龄短，二者混合在同 一反应器中很难实现同时满足二者的最佳运行条件。 我国最新颁布的污水排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 一级标准2 0 0 6 年1 月1 日以后要求t p l m g l ，t n 2 0 m g l ，氨氮1 5 m g l ( 水温如果低于1 2 c ， 氨氮、 8 m g l ) 。由此可见，无论是新建污水厂还是已有污水厂都面临着污水 除磷脱氮的挑战。 为适应当前污水资源化及提高污水处理深度的要求，解决传统生物除磷 工艺的固有矛盾，提出“反硝化除磷技术研究”。将厌氧池、缺氧池、硝化池 有效结合，通过改变污泥回流走向及回流比大小，利用反硝化聚磷菌( d p b ) 具有反硝化同步除磷的特性，完成对有机物和氮磷的有效去除。并通过一系 列微生物实验、厌氧缺氧s b r 静态烧杯实验深入研究反硝化聚磷菌的特性， 以期为反硝化除磷理论的实际应用和基于其基础上的工艺设计提供理论指 导。 1 2 生物除磷机理的研究现状 1 2 1 生物除磷过程中的化学转化特征 目前关于除磷脱氮机理还有很多争议。因为有很多结论都是在实验室得 到的，实验室的实验条件与实际运行有很大差距。更重要的是模拟生物除磷 反应器中微生物菌群组成、种类和数量都与实际生物除磷水厂都有很大的差 异。尽管如此，有些观点，无论是在实际污水厂还是在实验室得到的还是普 遍被接受的：一些菌种在厌氧阶段能迅速吸收短链挥发性脂肪酸【l7 1 ，这些被 吸收的有机物并不是用来维持细胞生长的需要，而是以p o l y 1 3 h v d r o x v a l k a n o a t e s ( p h a ) 的形式贮存于生物体中。p h a 的化学结构组成主要取 决于原水中有机底物的种类。如果用乙酸盐作为碳源，p h a 组成以p o l y 1 3 h y d r o x y b u t y r a t e ( p h b ) 为主；如果用丙酸盐为碳源，则以p o l y 一1 3 h y d r o x y v a l e r a t e ( p h v ) 为主。通常情况下在系统中生物体中，可以发现多种 第l 章绪论 p h a 的混合物”。 目前关于活性污泥中能合成p h a 微生物的研究还很少。k u b a 等研究认 为，在厌氧阶段，微生物体中p h a 含量与乙酸盐的吸收量之间成线性关系 1 1 6 , 1 9 1 。随着乙酸盐不断被吸收，p h a 不断合成，生物体内聚合磷酸盐含量不 断下降，而混合液中磷含量随着生物体中磷的释放而增加。 在随后的好氧阶段，生物体内p h a 含量下降，与此同时，混合液中磷浓 度下降，生物体内聚合磷酸盐( p o l y v ) 增加，p o l y v 的含量可以超过细胞干重的 1 5 口o l 。对活性污泥染色后镜检就会发现，好氧结束后微生物体内p o l y p 非常 丰富，而p h a 几乎没有了。相反，在厌氧结束后，生物体内p h a 含量丰富， 而p o l y p 几乎没有了( 如图l 一1 ) 。虽然有些除磷水厂表现出与此不同的生化反 应，但这些是一般除磷水厂中是普遍存在的事实。而且，一般经验表明，经 染色后看上去象似球杆菌的细胞，一般都成对的出现，这些成对的细胞叉丛 生成大块的絮状菌落。 。疆疆。墅。 有人认为，正是聚磷菌的这种这种群落结构，使聚磷菌才能通过上述化 学转化实现独特的除磷能力。一般经验而言，聚磷菌这种丛生苗落越大，越 紧凑，除磷系统表现的除磷效果越好，关于其中原因目前还不清楚。但有时 第l 章绪论 也有例外的情况，例如有些个别情况下这些菌落也表现的非常松散2 0 2 2 】，但 却有很好的除磷效果。 1 2 2 生物除磷系统中的生物化学特征 1 4 2 1 以乙酸为底物有许多生化模型试图解释除磷过程中发生的化学变化 2 1 - 2 3 1 ，但是这些模型都是都建立在用乙酸盐作为唯一碳源基础上。主要依据 如图1 1 所示。虽然这些模型对生物除磷系统中一些主要化学反应的阐述基 本一致，但是关于有些对除磷过程起重要作用的化学变化和观点却相差的很 多。而且这些模型都只是分别建立在各自的实验系统上，不具有普遍意义 2 4 - 2 5 。尤其值得一提的是这些模型都只能粗略的反应我们所未知的复杂的微 生物菌群，不可能阐述各个独立的菌种的活动变化。这些模型都假设：发生 p o l y p 的释放和吸收，p h a 的合成和利用等生化反应的生物菌群是单一菌种， 并假设这些生物菌种具有相同的生化特征【26 。这些都是不实际的，与实际的 除磷系统的群落结构相去甚远。 一般生化模型认为，成功的强化生物除磷( e b p r ) 是因为p a o 在厌氧好氧 交替循环系统中占优势。而这种优势正是由于p a o 具有其他菌种所没有的特 性：在厌氧条件下能够依靠体内聚磷分解释放磷酸盐的同时释放的能量迅速 吸收外界短链脂肪酸( 例如乙酸) ，并以p h a 的形式贮存在体内；在好氧阶段， 由于有机物匮乏，聚磷菌就利用贮存的p h a 作为碳源和能量维持细胞生长， 同时吸收体外的磷酸盐，并以聚合磷酸盐的形式贮存在生物体内。正是由于 这一特殊性质，使厌氧好氧条件成了p a o 的选择器。聚磷菌快速吸收有机底 物并贮存能量和碳源，但自身并不增长【2 卜2 引，在下面的好氧阶段，利用生物 体内贮存的内碳源，使聚磷菌更能适应这种有机物匮乏的环境。 大多数模型都是基于上述原理，但关于合成p h a 的电子的来源各种模型 的说法不一。有人认为，这一过程中所需要的电子主要是来源于厌氧条件下 t c a 循环 2 3 , 2 9 j 。但m i n o 等认为，聚磷菌在好氧环境合成的另一种能量贮存物 质糖原( g l y c o g e n ) ，糖原在厌氧环境被分解，为p h a 的合成提供电子【2 3 , 3 0 】。至 此之后，越来越多的证据证明在强化生物除磷( e b p r ) 中糖原起着关键作用， 并且m i n o 模型也颇受支持。也有实验研究表明，当糖原降解所提供的电子满 足不了p h a 合成的需要时，由t c a 循环来补充额外所需的电子1 3 1 。3 2 】。m i n o 等 认为糖原还通过调节p a o 的氧化还原平衡在e b p r 中起着关键作用【2 3 1 ，这一 功能可能也是厌氧同化吸收和各种易生物降解有机底物新陈代谢所必需的。 第l 章绪论 也有一些研究认为，由于糖原的作用，取代了生物体靠聚磷水解所完成的一 系列代谢，厌氧有机负荷低时，可能最终会限制细胞在厌氧条件吸收有机底 物的能力【3 2 - 3 3 1 。 关于生物体内能量的转换，尤其是围绕p a o 在厌氧条件吸收有机底物和 合成p h a 等问题也有很多争论。早期研究表明，由p o l y p 分解产生的三磷酸 腺苷( a t p ) 是p a o 厌氧吸收有机底物、p h a 合成、维持细胞生长以及其他生物 合成反应唯一的能量来源。虽然糖原的异化分解现在也被认为能够为p h a 的 合成提供a t p ，但是究竟能够提供多少可利用的能量还有赖于对肝糖异化分 解的路径 2 3 , 3 2 - 3 3 j 。 化学分析手段只能大概反应出一些主要的化学变化，一些菌群对除磷所 作的贡献可能被掩盖了，而且在对数据的解释上通常存在一定的困难。各种 核磁共振( n m r ) 手段已经被用于在复杂的生物群落中以跟踪其代谢途径，反 应在特定条件下特殊底物的代谢。这种手段已经阐明了一些化学分析方法无 法解释的疑惑和矛盾。同时我们也应该认识到了我们对除磷菌群中所发生的 一系列生化反应还知之甚少p 卜圳。 通过n m r 手段，p e r e i r a 等 3 1j 非常清晰的展示了厌氧阶段生物体内的t c a 循环，并且确认，糖原通过e d ( e n t n e rd o u d o r o f 0 支路循环降解为p h a 的合成 提供了电子( r e d u c i n gp o w e r ) 。更为重要的是，乙酸和糖原都对厌氧p h a 的合 成起作用，并且p h a 又随后被用于好氧段糖原的合成【3 3 1 。一些研究也支持了 这种说法。如h e s s e l m a n 等【3 2 j 研究表明，t c a 循环为p h a 的合成提供部分电子， 同时糖原通过e d 循环支路异化分解也提供部分电子。 h e s s e l m a n 等的一些数据对先前关于e b p r 生化反应尤其是生物能量转换 方面的许多假设也提出质疑。他们甚至认为，细胞吸收乙酸时不是靠以前认 为的主动运输，而是靠被动运输或是扩散作用，不需要消耗能量。而且，在 厌氧条件下，乙酸的活化作用，这一重要能量转化步骤，没有乙酸激酶的参 与，这一点与早期模型研究中的假设正相反【2 引。 除此之外，关于能量来源问题还有其它说法。如在生物活动中当p o l y p 降解酶达到很高含量时，会释放出焦磷酸盐，焦磷酸盐：磷酸烯醇丙酮酸 盐：a m p 转磷酸酶，参与了磷酸化和质子移动力的形成。通过二次运输，伴随 着质子置换，m g h p 0 4 被释放出。 许多实验室研究还表明，厌氧释磷与乙酸盐吸收之间的比率不是恒定的， 这一比率受混合液d p p h 的影响，p h 直接影响乙酸运输过程中对能量需求【2 3 1 。 h e s s e l m a n 等1 3 2 j 也认为p h 与这些代谢密切相关，如他们认为p h 直接反应生物 第1 章绪论 体内聚磷和糖原的浓度。当然，不同除磷菌群的表现也不同，不可能完全符 合这些生化模型。依据h e s s e l m a n 等的观点数据，他们又提出了修正了的生化 模型。 但是，到目前为止，这些经验模型与实际试验中的所得的数据几乎都不 能吻合，甚至依靠核磁共振( n m r ) 手段所得到的数据，也不能清楚的解释不 同生物菌群的行为。因为各种群之间的结构、相互关系还是完全不清楚的。 即使在几乎相同的运行条件下，不同反应器中的种群组成也会不同，所以不 同的试验研究，所得到的试验数据是不会相同的1 3 4 弓5 1 。因此，要想阐述清楚 其中的原因，化学试验手段和关于反应器中分子微生物学应该同步进行，这 样才有可能说明问题。 1 4 2 2 其他底物关于对除磷系统研究的另一个困难之处还在于，实际各除 磷水厂处理的污水是不同的，尤其是各原水中除了乙酸和其他短链挥发性脂 肪酸外，还含有的各种不同的其他底物。有研究认为，这些有机物( 非挥发性 脂肪酸1 对除磷也是有贡献的【3 6 7 1 。这些有机底可能先转化为短链挥发性脂肪 酸，然后被利用【2 3 1 。然而这些底物究竟对除磷过程会产生何种影响我们还知 之甚少。有人认为，源水中的短链脂肪酸( v f a ) 含量直接决定了厌氧p h a 的合成量和p h a 的化学组成。从而决定好氧磷的吸收1 3 引。但是，仍缺少微 生物方面的支持。 很多研究表明，以葡萄糖为单一碳源，会导致除磷系统的失败【3 争4 。但 是也有很多以葡萄糖为碳源的实验试研究以及建立在此基础上的数学模型认 为，在试验室规模的反应器中，以葡糖为碳源的是可以达到很好的除磷效果 的f 4 1 。4 5 1 。例如，1 3 c n m r 研究表明【7 引，在厌氧阶段，乳酸菌起了重要作用。 乳酸菌在厌氧环境吸收葡萄糖，产生乳酸的同时贮存糖原 4 4 - 4 6 1 。文献 4 】中的 数学模型前题是：假设聚磷菌p a o 在厌氧环境将糖原转化成p h a ，同时乳酸 菌利用肝糖合成聚合乳酸盐贮存于生物体内，然后p a o 好氧吸磷。但是遗憾 的是，文中除了对主要菌群的形态描述外，缺少微生物学方面研究的支持。 文献【4 5 描述的数学模型也是如此，机制上极类似于m i n o 和c o m e a u w e n t z e l 模型，但仍是缺少微生物学方面和生化方面的研究。 至于氨基酸作为底物对生物除磷有什么影响，研究的人很少。因为污水 中氨基酸的含量不是很多。有试验室研究表明谷氨酸盐和天冬氨酸盐作为唯 一碳源，能够实现生物除磷【4 7 。研究表明在厌氧条件下生物体储存碳