（环境工程专业论文）sbr与aao工艺生物强化除磷特性研究.pdf

摘要 摘要 聚磷菌通过对磷的 超嫩吸收去 除废 水中的 磷， 该过程 称为生物 强化除磷 ( e b p r ) 0 e b p r复 杂的过程和机理研究的滞后给 f 程上污水厂的设计、 运行、 控制及模拟带来了 较大困 难。 在当 前 水体富营养化日 益严重的情况下， 进一步 研究e b p r过程具有重要意义。 本论文在实 验室进行了 s b r 和a a o 1 : 艺处理人_ 一 配制废水的小试工作，以 考察两工艺各自 的生物强化除磷特性， 并研 究聚磷菌厌氧动力学。 s b r反应器进水以乙酸为单一碳源，长 时间稳定运行后实现了聚磷菌的富 集。富集聚磷菌 外观呈颗粒状，粒径为0 ,5 -2 m m ;污泥沉降性能良 好，s v i 达 4 0 m u g ;污泥含磷煲高达 1 4 0 m g - p l g - v s s 。反 应器 运行过 程符合e b p r ， 对c o d ,总 磷及总氮的去除 率分 别在9 0 , 9 5 及 7 5 % 以 上， 氨 氮去 除 率 可 达1 0 0 % , 试 验测 得 富 集 聚 磷菌 厌 氧条 件下 每吸收i m g 乙 酸 在 胞内 合 成 0 .9 6 m g 聚羚基链 烷酸脂( p h a s ) ; 好氧条件 一 f 每吸收i m g 磷要消耗1 . 1 m g p h a s 以 及。 .0 8 m g 氨 氨， 并 生成0 _8 5 m g 糖原。 a a o反应器进水为人i : 配制， 与实际废水浓度接近。 共运行三个z况，除改变进水磷浓度 分别为5 , 7 .5 和1 0 m g ( l 左右外， 其它 进水组分与运行 参数均恒定，其c o d i p 值分 别为6 0 , 4 0 和3 0 左右。 三1 : 况对c o d , b o d s 、 总氮及氮氮的去除率接近， 分别为9 0 , 9 0 . 6 7 和9 9 % 左右; t 况一和二对总磷的去除率 达9 0 01 0 ， 而t 况三出 水 磷为3 -4 m g t l ， 去除率为6 0 7 0 01 0 。 通 过对 各物质在厌氧一 缺桥 好氧二段的迁移分析得出: 进水中的 c o d大部分在厌氧段去除: 厌氧段和 缺氧段对硝态氮的去除比例相当: 缺氧段和好氧段均出现磷的吸收。 经测定，三上 况反稍化聚磷 菌 活 性几 n 0 3 分 别 为0 .4 2 , 0 .3 6 和0 .3 7 . 磷 吸 收 与 硝 态 氮 消 耗 的 比 例 为0 .6 0 .9 m g - n o x f tn g - p 口 另经分 析得出 ，较高的 进水磷浓 度和环境p h有利于 聚磷菌对聚搪菌竞争。 通过厌氧批式试验研究聚磷菌厌氧条件下吸收乙酸动力学方程。 结果表明: 协乙酸吸收速 率不受 其浓度影响， 而在胞内 聚磷浓 度低于6 0 m g - p i g - v s s 时， 与聚磷浓度y m o n o d 关系: ( 2 ) 本 研究 培养的富 集聚 磷菌最大乙 酸吸 收速率为3 m g - h a c / g - v s s - m i n ; ( 3 ) 乙 酸吸收 速率与 温度 的关系 可由 阿 仑尼乌 斯公式表示， 温 度系数为1 .0 3 ; ( 4 ) 乙 酸吸收 速率不受p h影响， 但p h显 著 影响 厌氧 释 磷量， 其关系式 为: r 3 。 。 二 o a 6 ( p h ) - 0 .6 2 ( m o l p / c - m o l h a c ) 关键词:生物强化除磷 反硝化除磷 s b r a a o 动力学 ab s t r a c t ab s t r a c t b i o l o g i c a l p h o s p h a t e r e m o v a l f r o m w a s t e w a t e r c a n b e a c h i e v e d 妙p o l y p h o s p h a t e a c c u m u l a t i n g o r g a n i s m s ( p a o s ) , a p r o c e s s c a l le d e n h a n c e d b i o lo g ic a l p h o s p h o r u s re m o v a l ( e b p r ) , y e t l it t le i s s t i l l k n o w n a b o u t t h e m e c h a n i s m o f c o m p le x e b p r p r o c e s s , w h i c h l e a d s d i f f i c u l t ie s t o d e s i g n , o p e r a t i o n , c o n t r o l a n d m o d e l i n g o f w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p l a n t s . t h e s t u d y t o e b p r i s v e ry i m p o r t a n t , a s e n t r o p h i c a t i o n is m o r e a n d m o r e s e r i o u s n o w . i n t h is p a p e r , l a b s c a le t e s t s o f t h e s b r a n d a a o p r o c e s s w e re c a r r i e d 。 呱 t h e e b p r c h a r a c t e r i s t i c s o f t w o p r o c e s s e s w e re d i s c u s s e d , a n d t h e k i n e t i c s o f a c e t a t e u p t a k e u n d e r a n a e r o b i c c o n d i t i o n s b y a n e n r ic h e d c u l t u r e o f p a o s w e r e s t u d i e d . a c e t a t e i s t h e s o le - c a b o n s o u r c e i n t h e f e e d o f t h e s b r r e a c t o r . a n e n r i c h e d c u lt u r e o f p a o $ w a s a c h ie v e d a ft e r l o n g s t e a d y - s t a t e o p e r a t i o n . t h e e n r ic h e d c u lt u re w a s g r a n u l a r , w it h a d i a m e t e r o f 0 . 5 - 2 m m a n d s h o w i n g g o o d s e t t l i n g p r o p e rt i e s , w i t h s v i 4 0 m l / g , a n d t h e m e a s u r e d t o t a l p h o s p h a t e c o n t e n t w a s 1 4 0 m g - p / 9 - v s s . t h e r e m o v a l e ffi c ie n c y o f c o d , t p a n d t n w a s a b o v e 9 0 , 9 5 a n d 7 5 1 i n t h e s b r re a c t o r , a n d t h e r e m o v a l e f fi c i e n c y o f n h 3 - n w a s 1 0 0 %. t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e a m o u n t o f p h a s a c c u m u l a t e d p e r a c e t a t e t a k e n u p w a s 0 . 9 6 m g t m g u n d e r a n a e r o b ic c o n d i t i o n s , t h e a m o u n t o f p h a s a n d n h , - n c o n s u m e d p e r p h o s p h a t e t a k e n u p w a s 1 . 1 a n d 0 . 0 8 m g / m g , a n d 0 .8 5 m g g ly c o g e n w a s a c c u m u l a t e d . t h e s y n t h e t ic f e e d o f a a o re a c t o r w a s s i m i l a r t o t h e r e a l w a s t e w a t e r . a l l p a r a m e t e r s o f t h r e e t r i a l s w e re s a m e e x c e p t t h a t t h e p c o n c e n t r a t i o n w a s 5 , 7 . 5 a n d 1 0 m g / l , r e s p e c t i v e l y , a n d t h e c o d / p w a s 6 0 , 4 0 a n d 3 0 , r e s p e c t i v e l y . t h e r e m o v a l e ff i c i e n c y o f c o d , b o d 5 , t n a n d n h 3 - n i n t h e s e t r i a l s w e re 9 0 , 9 0 , 6 7 a n d 9 9 % , re s p e c t i v e l y . t h e r e m o v a l e ffi c ie n c y o f t p i n b o t h t r i a l o n e a n d t w o w a s 9 0 9 % b u t w h i c h w a s b e l o w 7 0 % i n t r i a l t h r e e . i t w a s f o u n d t h a t a l a r g e n u m b e r c o d o f t h e f e e d w a s r e m o v e d i n a n a e r o b i c u n i t , t h e n o x - n r e m o v a l p r o p o rt i o n w a s s a m e i n a n a e r o b i c a n d a n o x i c u n i t s , a n d p u p t a k e o c c u r r e d i n a n o x i c a n d a e r o b i c u n i t s . f u r t h e r s t u d i e s r e v e a l e d t h a t t h e d e n i t r i f y i n g f r a c t i o n o f p a o s w a s 0 . 4 2 , 0 .3 6 a n d 0 . 3 7 . r e s p e c t i v e ly , a n d t h e a m o u n t o f n o x - n r e m o v a l p e r p u p t a k e w a s 0 .6 . 0 .9 m g - n o x / m g - p t h e r e s u l t s a l s o i n d i c a t e d t h a t a h i g h e r p c o n c e n t r a t i o n i n f e e d a n d p h w e r e f a v o u r a b l e t o p a o s c o m p e t i t io n o u t o f g a o s t h e k i n e t i c s o f a c e t a t e u p t a k e u n d e r a n a e r o b ic c o n d i t i o n s b y p a o s w e r e s t u d i e d i n b a t c h t e s t s , w h i c h s h o w e d t h a t ; ( i ) t h e r a t e o f a c e t a t e u p t a k e w a s i n d e p e n d e n t o f t h e a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n , b u t i t w a s i n fl u e n c e d b y t h e p o l y p h o s p h a t e c o n t e n t o f t h e b i o m a s s , ( 2 ) t h e m a x i m u m s p e c i fi c a c e t a t e u p t a k e ah s t r a c t r a t e w a s 3 m g - h a c / g - v s s m i n . ( 3 ) t h e r e l a t i o n b e t w e e n a c e t a t e u p t a k e r a t e a n d t e m p e r a t u r e c o u l d b e e x p r e s s e d w it h t h e a r r h e n i u s e q u a t i o n a n d t h e c o e f f i c ie n t w a s 1 . 0 3 . ( 4 ) t h e a c e t a t e u p t a k e r a t e w a s i n d e p e n d e n t o f p h , b u t t h e a m o u n t o f p r e l e a s e d w a s i n fl u e n c e d b y p h , a n d t h e i r r e la t i o n s h i p w a s 今 ， ， 、= 0 . 1 6 ( p h) 一 0 . 6 2 ( m o l p / c一 m o l h a c ) k e y w o r d s : e n h a n c e d b i o l o g ic a l p h o s p h o r u s r e m o v a l( e b p r ) , d e n it r i f y i n g p h o s p h a t e r e m o v a l s e q u e n c i n g b a t c h r e a c t o r , a n a e r o b i c - a n o x i c - a e r o b i c , k i n e t ic s 二 二口口 尸明 本人郑重声明: 本论文是在导师的指导下， 独立进行研究工作所取 得的 成果， 撰写成硕士学 位论文 s b r与a a o工艺生物强 化除 磷 特 性h ) f 。除论文中已 经注明引 用的内 容外， 对论文的 研究做出 重 要 贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。 本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 :汀几 2 0 0 5 年 1 月 1 8日 第一章 生物强化除瞬 ( 曰 3 p r ) 研究进展 第一章 生物强化除磷 ( e b p r) 研究进展 第一节 概述 1 ， 城市污水中磷的 来源及危害 磷是生物圈中重要的元素之一， 它不仅是生物细胞中的重要组成成分， 而且在遗 传物质的组成和能量的贮存中都需要它。磷作为微生物细胞的重要组分， 主要存在 于核酸、 核昔酸、 磷脂及其它磷化合物之中，壁酸核聚合磷酸盐是主 要的磷化合物， 同时磷元素也是许多重要辅酶的组成成分。 城市污水中磷的来源主要包括人类活动的排泄物及废弃物、 工商企业合成洗涤剂 和 家用 清 洗剂 川 。 相对 来 说， 生活 污 水中 的 磷 化合 物 浓度 较高， 大 部分 的 无机磷 来自 人体的排泄物， 这些排泄物是由 于蛋白质的代谢分解以及尿液中的磷酸盐排放的结 果. 在合成洗涤剂中， 无机磷含量通常为2 一 3 m g / l ， 有机磷为( 1 .5 一 1 m g / l 。而在家 用清洗 剂中， 含有大量增加洗涤剂 清洁作用成分的聚 磷酸盐， 其中 许多含 磷 1 2 一 1 3 呱， 有的甚至超过5 0 %. 用这些洗涤剂代替肥皂， 大大增加了生活污水中的磷含量。 污水中的磷直接进人水体会引起污染， 是造成水体富营养化的重要原因. 受磷污 染的水体， 藻类大量繁殖， 藻体死亡后分解会使水体产生霉味和臭味。许多藻类还 会产生毒素，并通过食物链影响到人类的健康。随着工农业生产的增长、 人口的增 加， 含磷农药、 农肥的大量使用， 使水体的磷污染日 益加剧. 文 城市污水中 磷的去除 污水中磷的去除有化学和生物两种途径。 化学除磷法是将可溶性钙盐、铁盐或 铝盐投加到污水中与磷酸盐反应生成不溶性的磷酸钙、磷酸铁或是磷酸铝沉淀物， 然后将它们与液相分开。其特点是磷的去除率较高，处理结果稳定，管理方便，污 泥在处理和处置过程中不会重新释磷而造成二次污染。其缺点在于对有机污染物去 除很有限， 对氨氮几乎没有去除， 而且药剂耗量大， 产生大量的 化学污泥难于处置， 生物除磷法是指微生物对磷进行吸收，磷最终通过沉淀池排放剩余污泥得以去 除。微生物对磷的吸收又分为两种:一种是微生物生长的生理需要，对磷的正常吸 收。 在好氧生物处理过程 比 如活性污泥法) 中产生的生物量， 磷占 其干重的 2 一 3 % 。 含磷的微生物化学计量式可以 写成c 5 h 7 c 2 n p o . i ， 分子量为1 1 b g / m o l ， 其中磷占 第一章 生物强化除瞬 ( 曰 3 p r ) 研究进展 第一章 生物强化除磷 ( e b p r) 研究进展 第一节 概述 1 ， 城市污水中磷的 来源及危害 磷是生物圈中重要的元素之一， 它不仅是生物细胞中的重要组成成分， 而且在遗 传物质的组成和能量的贮存中都需要它。磷作为微生物细胞的重要组分， 主要存在 于核酸、 核昔酸、 磷脂及其它磷化合物之中，壁酸核聚合磷酸盐是主 要的磷化合物， 同时磷元素也是许多重要辅酶的组成成分。 城市污水中磷的来源主要包括人类活动的排泄物及废弃物、 工商企业合成洗涤剂 和 家用 清 洗剂 川 。 相对 来 说， 生活 污 水中 的 磷 化合 物 浓度 较高， 大 部分 的 无机磷 来自 人体的排泄物， 这些排泄物是由 于蛋白质的代谢分解以及尿液中的磷酸盐排放的结 果. 在合成洗涤剂中， 无机磷含量通常为2 一 3 m g / l ， 有机磷为( 1 .5 一 1 m g / l 。而在家 用清洗 剂中， 含有大量增加洗涤剂 清洁作用成分的聚 磷酸盐， 其中 许多含 磷 1 2 一 1 3 呱， 有的甚至超过5 0 %. 用这些洗涤剂代替肥皂， 大大增加了生活污水中的磷含量。 污水中的磷直接进人水体会引起污染， 是造成水体富营养化的重要原因. 受磷污 染的水体， 藻类大量繁殖， 藻体死亡后分解会使水体产生霉味和臭味。许多藻类还 会产生毒素，并通过食物链影响到人类的健康。随着工农业生产的增长、 人口的增 加， 含磷农药、 农肥的大量使用， 使水体的磷污染日 益加剧. 文 城市污水中 磷的去除 污水中磷的去除有化学和生物两种途径。 化学除磷法是将可溶性钙盐、铁盐或 铝盐投加到污水中与磷酸盐反应生成不溶性的磷酸钙、磷酸铁或是磷酸铝沉淀物， 然后将它们与液相分开。其特点是磷的去除率较高，处理结果稳定，管理方便，污 泥在处理和处置过程中不会重新释磷而造成二次污染。其缺点在于对有机污染物去 除很有限， 对氨氮几乎没有去除， 而且药剂耗量大， 产生大量的 化学污泥难于处置， 生物除磷法是指微生物对磷进行吸收，磷最终通过沉淀池排放剩余污泥得以去 除。微生物对磷的吸收又分为两种:一种是微生物生长的生理需要，对磷的正常吸 收。 在好氧生物处理过程 比 如活性污泥法) 中产生的生物量， 磷占 其干重的 2 一 3 % 。 含磷的微生物化学计量式可以 写成c 5 h 7 c 2 n p o . i ， 分子量为1 1 b g / m o l ， 其中磷占 第一章 生物强化除确 ( e b p r ) 研究进展 2 .6 7 % ) 。 另 外一 种是 有一 类细菌 能 够超 量摄 取磷 形成 细 胞内 聚 合磷酸 盐. 如 果选 择 这种细菌吸磷，当其富含聚磷酸盐时通过排放剩余污泥将其排放，这样通过生物吸 收去除的磷含量就会大大提高。通常人们将这个现象称为生物强化除磷 ( e n h a n c e d b i o l o g i c a l p h o s p h o r u s r e m o v a l , e b p r ) ， 将这类能够超量吸 磷的 细菌统称为聚 磷菌 ( p o l y p h o s p h a t e a c c u m u l a t i n g o r g a n i s m s , p a o s ) 。 3 . e b p r过程概述 进水 厌氧反应器 无b o o 权化 二p h 甘 合成; 月 确水 解， 碑 释 故 沉淀 池出 水 血 污泥回流 _ 污泥排放 、 图1 . 1 e b p r过程的4 个主要组成部分 图1 . 1 是e b p r过程的4 个主要组成部分，其处理步骤如下: ( 1 ) 进水与回流污泥混合后首先进人厌氧反应器。在厌氧条件下，无0 2 . n 0 3 等任何最终电子受体，有机底物进行水解与发酵反应，聚磷菌吸收低分子脂肪酸并 合成为胞内贮存物p h a s ( p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e s , 聚经a链烷酸脂) ，同时胞内聚磷 水解释放出大量磷。 ( 2 ) 混合液随后进人好氧反应器。在电子受体 0 2 ) 充足的条件下，聚磷菌通 过分解厌氧时贮存的p h a s 获得能量， 大量吸收环境中的磷为胞内聚磷。 并自 生生长。 ( 3 ) 混合液在沉淀池中泥水分离，部分沉淀污泥回流至过程开始处，同进人厌 氧反应器的进水混合。 这个回流过程保证所有的微生物都交替经过厌氧和好氧条件。 ( 4 ) 剩余污泥排放。最终通过排放含高浓度磷的污泥获得高的磷去除率。 第二节 聚磷菌胞内 贮存物 与废水生物处理中其它细菌不同，聚磷菌厌氧释磷、好氧超量吸磷等反应过程 主要发生在细胞内.因此在分析 e b p r机理之前， 有必要了解聚磷菌的三种胞内贮 存物的性质和功能。 第一章 生物强化除确 ( e b p r ) 研究进展 2 .6 7 % ) 。 另 外一 种是 有一 类细菌 能 够超 量摄 取磷 形成 细 胞内 聚 合磷酸 盐. 如 果选 择 这种细菌吸磷，当其富含聚磷酸盐时通过排放剩余污泥将其排放，这样通过生物吸 收去除的磷含量就会大大提高。通常人们将这个现象称为生物强化除磷 ( e n h a n c e d b i o l o g i c a l p h o s p h o r u s r e m o v a l , e b p r ) ， 将这类能够超量吸 磷的 细菌统称为聚 磷菌 ( p o l y p h o s p h a t e a c c u m u l a t i n g o r g a n i s m s , p a o s ) 。 3 . e b p r过程概述 进水 厌氧反应器 无b o o 权化 二p h 甘 合成; 月 确水 解， 碑 释 故 沉淀 池出 水 血 污泥回流 _ 污泥排放 、 图1 . 1 e b p r过程的4 个主要组成部分 图1 . 1 是e b p r过程的4 个主要组成部分，其处理步骤如下: ( 1 ) 进水与回流污泥混合后首先进人厌氧反应器。在厌氧条件下，无0 2 . n 0 3 等任何最终电子受体，有机底物进行水解与发酵反应，聚磷菌吸收低分子脂肪酸并 合成为胞内贮存物p h a s ( p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e s , 聚经a链烷酸脂) ，同时胞内聚磷 水解释放出大量磷。 ( 2 ) 混合液随后进人好氧反应器。在电子受体 0 2 ) 充足的条件下，聚磷菌通 过分解厌氧时贮存的p h a s 获得能量， 大量吸收环境中的磷为胞内聚磷。 并自 生生长。 ( 3 ) 混合液在沉淀池中泥水分离，部分沉淀污泥回流至过程开始处，同进人厌 氧反应器的进水混合。 这个回流过程保证所有的微生物都交替经过厌氧和好氧条件。 ( 4 ) 剩余污泥排放。最终通过排放含高浓度磷的污泥获得高的磷去除率。 第二节 聚磷菌胞内 贮存物 与废水生物处理中其它细菌不同，聚磷菌厌氧释磷、好氧超量吸磷等反应过程 主要发生在细胞内.因此在分析 e b p r机理之前， 有必要了解聚磷菌的三种胞内贮 存物的性质和功能。 第一章 生物强化除磷 ( e b p r ) 研究进展 1 .聚磷 ( p o ly p h o s p h a t e ) 聚磷是由上百个正磷单体 p i ) 聚合成的线型聚合物， 单体之间由高能磷酥联结， 其 结 构 如 图1 .2 所 示 叭 011 9一 011 ” 一 p - 。 一 p _一 “ 一 p -1。 0 0 j 0 图1 . 2 聚麟结构简图 微 生 物 系 统中， 聚 磷 通 过 金 属 离 子( k + . m g t + , c a t 十 ) 或 小的 碱 性蛋白 质 来 稳 定，从化学计量学角度考虑， 可假定聚磷的组成为( k 0 3 3 m 9 o 3 3 p a 3 ) n 。高分子的聚 磷能与其它聚合物如蛋白质和核酸结合。聚磷菌中的聚磷主要起磷贮存器和能量贮 存器的作用，有研究表明聚磷菌中存在低分子和高分子的聚磷，低分子的聚磷在厌 氧 条 件下 起能 量 贮存 器的 作 用， 高 分 子的 聚 磷作为 磷贮 存 器用于 细 胞生 长 3 1聚 磷作 为磷贮存器时， 通过结合的胞外聚磷酶 ( e x o p o l y p h o s p h a t a s e s ) 转化为p i ， 用于微生 物新陈代谢。聚磷作为能量贮存器的作用表现为替代a t p 或产生a t p :当细胞内聚 磷水平远远高于a t p 水平时 即a t p / a d p比值低) ，聚磷能水解生成a t p 。目前认 为 该 过 程 可 能 有三 种 机理 12 1 . 一 是聚 磷激 酶( p o l y p h o s p h a t e k in a s e ) 的 直接 催化; 二 是通过a m p - 磷转移酶和腺昔激酶反应生成a d p ， 从而生成a t p : ( p i ) n 十 a m p -( p i ) n + 1 十 a d p ;三是聚磷释放的磷与金属离子鳌合， 并与一个质子结合后被输出胞外， 产 生质子推动力 ( p mf ) ，从而产生a t p , 2 . p has p h a s 存在于细胞质中，是被膜包围的0 .2 一 0 . 5 p m的微粒。由子其低水溶性和 高分子质量， 是理想的碳一 能量贮存物质。 厌氧条件下， 低分子挥发性脂肪酸( v f a s ) 被聚 磷菌吸收贮存为p h a s . 聚磷菌中 贮存的p h a s 是典型的多聚物， 包含大多数3 h b 和3 h v以 及少 量3 h 2 m b和3 h 2 m v 见 表1 . 1 ) 4 1 ， 其组 成 取决于 碳 源的 性 质和 浓 度15 1 : 当 碳 源为 丙 酸时， 主 要生 成3 h v ( h b / h v比 值为。 .3 9 ) ; 碳源 为丁 酸 时， h b / h v 比 值为 1 .4 8 ;碳源为乙酸时，主要生成3 h b h b / h v比值为3 .0 4 ) .以乙酸吸收被 贮存为p h b( 聚p 经 基丁 酸) 为 例， p h b 合 成与降解途径如图1 3 所示6 第一章 生物强化除磷 ( e b p r ) 研究进展 表 1 . 1 3 hb3 hv 聚磷菌中p h m 单体形式 3 h2 mb 3 h2 mv 挥发 酸 尸 h c h , -c h -c h x -0 0 0 h o h c h ., -c h z -c h -c h x -c o o n oh c h , i 1 c h , -c h-c h-0 00 h oh c h , i! c h i -c h , -c h -c h -c o o n c h ,i c h , c h， p has( -o -c h -c h , -c o) n c h , -c h , i ( -o -c h -c h , -c o -) n i 1 ( -o -c h -c h -c o -) n c h , -c h , i (- o-ch c 月 ， i -c h-c o- ) . o c h 。 一 c ti s c o a 乙酸辅酶a o 止.一 .1口， 朴目 c 。 二 ic一c h : 一c -s c o a 乙i ft乙酸辅酶 r 八队 洲 c h 3 o h o - c 。 一 c h ， 一 c 二 s c o a 、 _ 一 h s c o a 合成 6 经基丁酸辅酶a 一、hscoa 一 c h 3 0 0 二c一c h 3 - c一o h 乙酸乙酸 盛 一 、 a d c h 3 o h o 一c h -c h ， 一c 一o h 肠轻基丁酸 一.下 降解 c h 3 0 c h 3 c c h 3 o h o 一 ic 。 一 c h ，一 c - 。 一 ci 。 一 c 1h - c 一 。 一 c 。 一 c h ，一 c 一 。 聚 公经基丁酸 图1 . 3 p f i b 合成与降解途径 由上图可以看出， 在乙酞辅酶a存在的条件下， p h b合成不需要a t p 的直接参 与， 但是需要还原态的氢载体n a d h , 最终电子受体的不存在抑制了n a d h的氧化， 使发 生p h b 的 合 成。当 胞内n a d + 和 辅 酶高， 同 时乙 酞 辅 酶低 时， p h b 发 生 降 解， p h b的合成需要n a d h的参与， n a d h的来源途径有两种观点: 一是由乙酞辅 酶a 通过t c a 循环产 生 16 1 ， 一 是由 细 胞内 碳 水化合 物 糖原) 降 解 产生 17 1 . w e n t z e l 等 将前 者 称为c o m e s u - w e n tz e l 模型， 后 者 称为m in o 模型 18 1 . m i n o 模型 被 后 来的 许 多研究者在试验中证明， 如s m o l d e r s 等发现m i n o 模型中 的理论计量学与聚 磷菌厌氧 第一章 生物强化除磷 ( e 仑 p r 研究进展 试验中 观察到的乙 酸吸收、 p h a s 形成、 糖原利用以及c 仇产生非常吻合; 而且在较 低的p h 条件下， 试验中 观察到 磷的 释放相比 形成乙 酞辅酶a理论释磷量少， 故厌氧 条件下存在另 外的 途径提供 a t p ， 这也证明了聚 磷菌机 理中 很可能存在 糖原的 代谢 作用i9 i 3 .糖原 ( g ly c o g e n ) 糖原是由 多个葡萄糖组成的带分枝的大分子多糖， 是胞内糖的贮存形式。分子 中葡萄糖主要以。 _ 1 , 4 . 糖昔键相连形成直链， 其中 部分以a - i 万 菇昔键相连构成枝链 c i o . 目 前普 遍认为聚 磷菌中 糖原的主 要作用 是为p h a s 的 合成提供n a d h , s a t o h 等 在研究中发现p h a s 中3 h v单体的形成需要乙酞辅酶和丙酞辅酶，即微生物胞内存 在产生丙酞辅酶的代谢途径， 并假定是丙酮酸通过耽拍酸. 丙酸途径生成了 丙酸辅酶， 如图1 .4 所示c i 伙 _ ( 产牛n a d h ) ，一 i 消耗能盆i _ _军 产生能盘i 盖 磷酸烯醇式丙酮酸- - 一一 丙酮酸_乙 酞 辅 酶卜 二 一 寺 _ _ _ 一 一 佃- i i m a a t) 一一 卜 草酸乙酸盐 一 一 ， 珑拍酸辅酶一 ， ( 消耗n a d h ) s m g / l ) 能完全抑制缺氧条件下磷的吸收， 而且能部分抑制好氧磷的吸收. 李勇智等在实验室采用s b r反应器对以n 0 3 为电子受体的反硝化聚磷菌的选择 和富 集 进行了 研究 r 4 l结果表明， 反硝 化聚磷 菌存 在 于 传统 的强 化生 物除 磷体 系 之 中。经过三个阶段的选择和富集， 反硝化聚磷菌在聚 磷菌中的比 例从巧% 上升到7 3 肠 。 稳定运行的强化反硝化生物除磷体系具有良 好的强化生物除磷和反硝化脱氮性 能， 缺 氧 结 束 时体系中 磷 浓度 小 于l m g l l , 除 磷和 脱氮 效率 分 别 大 于9 4 % 和% 。 2 ，反硝化除磷机理 反硝化聚磷菌厌氧机理与好氧聚磷菌相同，吸收挥发性脂肪酸贮存为胞内 第一章 生物强化除磷 ( e b p r ) 研究进展 p h a s ，同时胞内聚磷水解释磷以及糖原浓度降低;其缺氧吸磷机理与好氧聚 磷菌类 似: 通过降解胞内p h a s 吸收胞外正磷同时恢复聚磷和糖原浓度， 唯一不同之处在于 产生能量的电子传递链的最终电子受体不同，见下两式: 好氧: n a d h , 十 。 s 仇分mt p 十 h 2 0 ( 1 .2 ) 缺氧:n a d h , + 0 a h n o 3 凡a t p + 0 .2 n , + 1 .2 凡c ? ( 1 . 3 ) 上 两式中 :占 和心分 别为 好 氧和 缺氧 产能 效率( m o la t p /m o in a d h 2 ) e k u b a 等 基 于 前 人 好 氧 吸 磷的 研 究 建 立 了 反 硝 化 除 磷 模 型 114 1 ， 模型 中 动 力 学 方 程 与 s m o l d e r s 好氧模型相同，主要区别在于两者的产能效率不同，经试验测定，缺氧 条件 下今大约为1 .0 m o l a t p / m o 1n a d 玩， 为 好氧条件下的4 0 ， 这也使得 缺氧 条件 下 聚 磷 菌 产 率系 数减 小2 0 % 川 。 另 缺 氧 条 件 下 磷的 吸收 速 率 要 低于 好 氧， 但总 体 除 磷效 果 却相当 12 5 1 ， 这可 能 是因 为聚 磷菌吸 磷机 理中 用于合 成聚 磷的 能 量相 对 于用 于 细胞生长或合成p h a s 的能量较低， 聚磷合成受可利用能量减小的影响不大州 气 第五节 聚糖菌与聚磷菌的竞争 1 .聚糖菌机理 在许多实验室 e b p r反应器运行过程中，经常会出现除磷效果恶化而不能解释 其原因。此时发现有一类微生物在厌氧条件下能吸收有机基质却不释磷，表明该类 微生物厌氧机理中不包含聚磷的作用.c e c h 和h a r t m a n 在以葡萄糖为进水的反应器 中 发 现 了 具 有 上 述 特 征 的 微 生 物， 并 称 之为“ g 细 菌 ”12 6 1 . 在以 后 的 研 究 中 ， 将 该 类细菌一般称为聚糖菌( g ly c o g e n a c c u m u l a t i n g o r g a n i s m s , g a o s ) 。 表1 .4 中 列出了 聚 磷菌与聚 糖菌 分别 在厌氧与好氧条件 下反应的相同 点和不同点 4 . 表1 . 4 p a o s 与g a o s 机理的比 较 厌氧反应p a o s g a o s好氧反应p a o s g a o s 吸收环境中 有机基质十十 消耗胞内糖原十+ 贮存胞内p h a s十+ 胞内聚磷水解并释磷十 恢复胞内 糖原浓度十十 消耗贮存的p h a s+十 微生物生长+十 恢复胞内聚磷浓度+ 第一章 生物强化除磷 ( e b p r ) 研究进展 p h a s ，同时胞内聚磷水解释磷以及糖原浓度降低;其缺氧吸磷机理与好氧聚 磷菌类 似: 通过降解胞内p h a s 吸收胞外正磷同时恢复聚磷和糖原浓度， 唯一不同之处在于 产生能量的电子传递链的最终电子受体不同，见下两式: 好氧: n a d h , 十 。 s 仇分mt p 十 h 2 0 ( 1 .2 ) 缺氧:n a d h , + 0 a h n o 3 凡a t p + 0 .2 n , + 1 .2 凡c ? ( 1 . 3 ) 上 两式中 :占 和心分 别为 好 氧和 缺氧 产能 效率( m o la t p /m o in a d h 2 ) e k u b a 等 基 于 前 人 好 氧 吸 磷的 研 究 建 立 了 反 硝 化 除 磷 模 型 114 1 ， 模型 中 动 力 学 方 程 与 s m o l d e r s 好氧模型相同，主要区别在于两者的产能效率不同，经试验测定，缺氧 条件 下今大约为1 .0 m o l a t p / m o 1n a d 玩， 为 好氧条件下的4 0 ， 这也使得 缺氧 条件 下 聚 磷 菌 产 率系 数减 小2 0 % 川 。 另 缺 氧 条 件 下 磷的 吸收 速 率 要 低于 好 氧， 但总 体 除 磷效 果 却相当 12 5 1 ， 这可 能 是因 为聚 磷菌吸 磷机 理中 用于合 成聚 磷的 能 量相 对 于用 于 细胞生长或合成p h a s 的能量较低， 聚磷合成受可利用能量减小的影响不大州 气 第五节 聚糖菌与聚磷菌的竞争 1 .聚糖菌机理 在许多实验室 e b p r反应器运行过程中，经常会出现除磷效果恶化而不能解释 其原因。此时发现有一类微生物在厌氧条件下能吸收有机基质却不释磷，表明该类 微生物厌氧机理中不包含聚磷的作用.c e c h 和h a r t m a n 在以葡萄糖为进水的反应器 中 发 现 了 具 有 上 述 特 征 的 微 生 物， 并 称 之为“ g 细 菌 ”12 6 1 . 在以 后 的 研 究 中 ， 将 该 类细菌一般称为聚糖菌( g ly c o g e n a c c u m u l a t i n g o r g a n i s m s , g a o s ) 。 表1 .4 中 列出了 聚 磷菌与聚 糖菌 分别 在厌氧与好氧条件 下反应的相同 点和不同点 4 . 表1 . 4 p a o s 与g a o s 机理的比 较 厌氧反应p a o s g a o s好氧反应p a o s g a o s 吸收环境中 有机基质十十 消耗胞内糖原十+ 贮存胞内p h a s十+ 胞内聚磷水解并释磷十 恢复胞内 糖原浓度十十 消耗贮存的p h a s+十 微生物生长+十 恢复胞内聚磷浓度+ 第一章 生物强化除磷 ( e b p r ) 研究进展 s a -jr s f ，一一 j x p h a 、 一 、 勺 一 一一声 声吕、 - 一_ 一 / g a o 好氧生长 x g l p 、一扮 一 - 一- . . 口转变 刁 . 曰 卜 能量流 图1 . 7 聚糖菌厌氧与好氧机理 由 表 1 .4 可以看出， 聚糖菌与聚磷菌机理大部分类似， 只是在厌氧条件下是否以 聚磷作为能源不同.在聚糖菌机理中， 厌氧条件下利用胞内糖原降解提供能量和还 原力用于基质吸收，而在好氧条件利用 p h a s分解产生能量用于恢复糖原浓度 ( 图 1 .7 ) ，因此糖原也就成为聚糖菌的关键贮存物。 2 .聚糖菌与聚磷菌的竞争 在 e b p r厌氧条件下，聚糖菌会与聚磷菌竞争有机基质的吸收， 两者竞争的根 本点在于吸收基质的能源:聚磷菌通过降解聚磷能非常有效地产生能量，而聚糖菌 通过降解糖原生成p h a s 同时产生能量.相比之下，聚糖菌中的糖原机理更为复杂， 而 且 在能 量产 生上 效率 较 低， 这也 成为聚 糖菌 竞争 的不 利点 14 1 . 在实际 研 究中， l iu 等 也 发 现 了 在 一 定 条件 下 聚 磷 菌 吸 收 乙 酸比 聚 糖菌 更多 更 快 2 7 1 ， 即 聚 磷 菌比 聚 糖菌 在竞争中更有优势. 这表明， 如果聚磷菌受某因素影响使得吸收有机基质速率变慢， 或 是 在 厌氧 结 束时 仍存 在能 被聚 糖菌 利用的 有 机基 质， 则聚 糖菌 可 能 得以 生 长 4 1 l i u 等在研究中发现， 在富集聚糖菌系统中加人葡萄糖和乙酸能减少厌氧乙酸吸 收 所 需 的 胞内 糖原 量 12 8 1 。 该 现 象 表明 胞 外葡 萄 糖能 取 代 胞内 糖 原 提 供 还 原 力 和 能 量 用于p h a s 合成， 意味着p h a s 合成对聚磷的依赖性减弱. 以上分析可用来解释进水