（环境工程专业论文）倒置a2o工艺生物脱氮除磷中试及其机理研究.pdf

n i t r o g e n & p h o s p h o r u s r e m o v a la n dm ec h a n i s m c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： l ed e z h i p r o c h e n g “一 i u a p r o b ix u e j u l l a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l 锣： i n s t i t u t e ： e n v i r o n m e n te n g i n e 缸n g i n s t i t u t eo fe n v i r o n m e n t & m u n i c i p a l e n g i n e e r i n g d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：j u n e ，2 01o u n i v e r s i 够：q i n g d a ot e c h n o l o g i c a lu 1 1 i v e r s i t y 硕士学位论文 倒置a 2 o 工艺生物脱氮除磷中试及其 机理研究 学位论文答辩日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： z 田l 、a 6 f 第1 章绪论1 1 1 课题来源及背景1 1 2 污水生物脱氮除磷技术原理与发展趋势2 1 2 1 生物脱氮基本原理2 1 2 2 有关污水生物脱氮技术理论的最新进展5 1 2 3 生物除磷的基本原理6 1 2 4 对生物除磷现象的新发现与认识8 1 3 生物脱氮除磷工艺9 1 4 生物脱氮除磷微生物学研究进展1 5 第2 章研究内容与方法2 0 2 1 研究目的及意义2 0 2 2 试验研究内容2 1 2 3 试验方法2 2 2 3 1 试验水质2 2 2 3 2 现场中试试验装置2 4 2 2 3 分析测试方法2 6 第3 章倒置a 2 o 工艺与常规a 2 o 工艺中试对比试验研究2 7 3 2 试验结果及讨论2 8 3 2 1 有机物污染物质去除效果3 0 3 2 2 氮的去除3 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 2 3 除磷效果3 2 3 2 4 水力停留时间的影响3 2 3 2 5 混合液回流比的影响3 3 3 2 6 污泥龄的影响3 3 3 2 7 低温条件的影响3 4 3 2 8 中试系统沿程氮、磷浓度变化分析3 4 3 2 9 中试系统基质p h b 转化规律研究3 7 本章小结4 0 污水生物脱氮除磷静态实验研究4 2 试验装置与方法4 2 4 1 1 试验研究方法4 2 4 1 2 试验装置4 3 试验结果与讨论4 4 4 2 1 生物脱氮除磷静态实验研究4 4 4 2 2 活性污泥微生物代谢活性试验研究5 0 4 2 3 以实际生活污水为碳源时的基质p h b 变化5 2 本章小结5 4 倒置a 2 0 工艺与常规a 2 o 工艺中试系统中微生物群落结构研究5 5 微生物群落结构研究内容5 6 试验装置与方法5 7 5 2 1 试验装置及运行条件5 7 5 2 2f i s h 技术操作步骤及药剂制备5 7 5 2 3f i s h 核酸探针的准备5 8 5 3 试验结果与讨论5 9 5 3 1 探针的选择5 9 5 3 2f i s h 荧光照片分析6 0 5 4 本章小结6 2 i j i i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 本研究通过中试试验，对比了倒置a 2 o 工艺与常规a 2 o 工艺在污染物去除 效果上的差异；通过静态试验研究，分析了倒置a 2 o 工艺的脱氮除磷机理；采 用f i s h 技术，分析倒置a 2 o 工艺与常规a 2 o 工艺系统中微生物的结构特征。 目的在于探讨倒置a 2 o 工艺生化反应机制和在不同水质与环境条件下的运行处 理效果，确定合理的工艺运行参数。 研究结果表明： ( 1 ) 在不同外界环境和工艺控制条件下，倒置a 2 o 工艺和常规a 2 o 工艺 对n h 4 + - n 、有机污染物的去除效果相当；水温1 0 以上时，两工艺对n h 4 + - n 的 去除效果都比较好，n h 4 + - n 硝化率均高达9 0 以上；低温下倒置a 2 o 工艺比常 规a 2 o 对n h 4 + n 的去除具有更好的适应能力；在相同试验条件下倒置a 2 o 工 艺出水的p 0 4 孓p 和t p 浓度均低于常规a 2 o 工艺，倒置a 2 o 工艺的平均出水 p 0 4 孓一p 均在o 5 0m g l 以下，平均出水t p 在o 6 0 m g l 以下，去除率均在8 0 以 上，且处理出水效果较稳定。 ( 2 ) 通过对不同厌氧历时的活性污泥的比好氧呼吸速率的测定，发现厌氧历 时的长短对活性污泥微生物的活性影响不大，但厌氧历时有一个最佳值，本研究 的最优值为厌氧历时为2 h 。倒置a 2 o 工艺活性污泥微生物活性高于常规a 2 o 工 艺：通过静态试验分析p h b 的转化机理，可知在常规a 2 o 工艺的厌氧反应中生 成的p h b 量明显高于倒置a 2 o 工艺的厌氧反应中生成的p h b 的量，但进入好氧 反应时p h b 含量的变化则相反。 ( 3 ) 采用荧光杂交( f i s h ) 技术对两系统活性污泥微生物群落的研究结果 表明，倒置a 2 o 工艺的活性污泥微生物中p a o s 所占的比例明显高于常规a 2 o 工艺，且聚磷菌( p a o s ) 在与聚糖菌( g a o s ) 的竞争中占有优势。 关键词：污水处理；倒置a 2 o 工艺；生物脱氮除磷；中试；p a o s ；g a o s ；生化 机制 i v a n a e r o b l ct m l ed l d n t 硪e c t 廿l em l c r o b l a lm e t a b o l i ca c t i v i t ) ，h o 、v e v e r ，t 1 1 e r ew 舔a n o p t i m u ma l l a e r o b i ct i m e ，t h eo p t h a lv a l u eo f “sm l ( 1 yl a s t e df o r2 hf o r t h ea i l a e r o b i c ， 恤血c r o b i a lm 鼬o l i ca c t i v 埘o f 恤r e v e r s e da 2 op r o c e s si sb 甜e r 妇m ea 2 o p r o c e s s ；t l l l 0 u 啦蹴i ct e s ta 1 1 a l y s i so f t h ep h b 觚f o n n a t i o nm e c h a i l i s m ，w ec a ns e e p h bg e n e r a t e di i l 跏i ct e s ti n 锄勰r o b i cr u m 曲go na 2 op r o c e s sw a ss i 鲥f i c a n t l y t l i 曲e rt l 姗廿1 a t 吐l ed e v e r s e d op r o c e s 瓯b u tt h ep h bc o m e n ti n 幻吐l ea e r o b i c 、v 嬲 o p p o s i t ei n 铆os y s t e m s ( 3 ) s n l d i e d 面c r o b i a lc o m m u r l i t i e sd 嘶r 培t 1 1 ee x l e r i m e n tb y f 1 u o r e s c e n t 谴s i mh y b r i d i z a t i o n ( f i s h ) t e c h n o l o g ) r ，m ep r o p o n i o no fp a o si n a c t i v a t e ds l u d g ei i l i c 啪r g a m s m si nt 1 1 ei n v e r s e da 2 op r o c e s sw a ss i g m f i c 锄l yl l i 曲e r 也趾op r o c e s s ，锄ds u p 嘶o r i t yi 1 1c o m p e t i t i o nw i mn l eg a o s v 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题来源及背景 第1 章绪论 本课题得到国家“十一五 水体污染控制与治理重大专项“南四湖流域重点 污染源控制及废水减排技术与工程示范 课题之“城市污水脱氮除磷高效节能技 术与示范 子课题( 2 q q 窆圣x q 2 21 q ：q q 墨：q q 3 ) 、山东省中青年科学家科研奖励基金 项目( b s 2 0 0 9 s w 0 1 9 ) 以及青岛市应用基础研究计划项目( 0 9 1 3 1 ：i c h ) 课题的 支持。 随着工业的快速发展和人民生活水平的提高，使得排入自然水体中的氮、磷 元素逐步升高，而这两种元素是造成水体富营养化的主要元素。因而怎样更经济 有效地从废水中去除氮和磷已成为研究的热点。 将废水处理同水体“富营养化”联系起来始于上世纪8 0 年代。最早，“富营养化” 是湖泊学家用来描述湖泊的演变过程的，湖泊的富营养化过程也就是湖泊老化和 消失的过程。自然状态下的这种富营养化过程极为缓慢，可能要持续几千年甚至 几万年。但在人为因素的影响下，例如向水体中排入大量含营养物质的废水，水 体的富营养化过程就会加速，可能在几十年甚至几年时间内形成。人们过去通常 认为，富营养化只是发生在像湖泊这类水流流速十分缓慢的水体中，但2 0 世纪7 0 年代以来，在某些水浅的急流河段，由于生活污水和工业废水的大量排入，河床 砾石上大量生长着藻类，出现了十分明显的富营养化现象l l j 。 2 0 0 8 年中国环境状况公报显示，我国地表水总体水质属中度污染，在国家环 境监测网实际监测的7 4 5 个地表水监测断面中( 其中，河流断面5 9 3 个，湖库点 位1 5 2 个) ，i 类，、v 类，劣v 类水质的断面比例分别为4 0 、3 2 和 2 8 。主要污染指标为高锰酸盐指数、氨氮和石油类等。其中，国控网七大水系 的1 9 7 条河流4 0 8 个监测断面中，i 类，、v 类和劣v 类水质的断面比例 分别为4 6 、2 8 和2 6 。其中，珠江、长江水质良好，松花江、黄河、淮河为 中度污染，辽河、海河为重度污染。与上年相比，污染轻重顺序未变，污染程度 相近。各大流域片的主要污染河段均集中在城市河段。地表水污染普遍，特别是 流经城市的河段有机污染较重。 青岛理工大学工学硕士学位论文 在湖泊水库水质方面，2 7 个国控重点湖( 库) 中，满足i i 类水质的湖( 库) 2 个( 占7 ) ，i 类水质的湖( 库) 6 个( 占2 2 ) ，类水质的湖( 库) 1 个 ( 占4 ) ，v 类水质的湖( 库) 5 个( 占1 9 ) ，劣v 类水质的湖( 库) 1 3 个 ( 占4 8 ) 。其中，巢湖水质为v 类，太湖和滇池为劣v 类。主要污染指标为总 氮和总磷。水库水质好于湖泊，富营养化程度较轻。主要湖泊富营养化问题依然 突出，2 0 0 6 年太湖和滇池外海均属中度富营养状态，巢湖属中度富营养状态；地 下水受到点状或面状污染，水位下降，加剧了水资源的供需矛盾；生态破坏加剧 的趋势尚未得到有效控制。 在海水水质方面，全国近岸大部分海域水质良好，局部海域污染依然严重； 远海海域水质良好。全国近岸海域中达到第一、二类海水水质的海域比例为 6 7 7 ，比上年上升o 5 个百分点；达到第三类海水水质的海域比例为8 0 ，下 降o 9 个百分点；属于第四类、劣四类海水水质的海域为2 4 3 ，上升0 4 个百分 点。四大海区中，南海、黄海近岸海域水质良好，渤海近岸海域水质为轻度污染， 东海近岸海域水质为中度污染。2 0 0 8 中国海域共发生赤潮9 3 次，较上年约增加 1 3 ，累计面积约1 9 8 4 0 平方公里，较上年约减少2 7 。发生1 0 0 平方公里以上 的赤潮3 1 次，累计面积1 8 5 4 0 平方公里，分别占赤潮发生次数和累积面积的3 3 和9 3 。超过1 0 0 0 平方公里的赤潮发生7 次，较上年减少2 次，累积面积减少 5 l 【2 】o 水体富营养化现象发生的机理虽然复杂，但其根本原因是水体中氮、磷等营 养性物质含量过高造成的。我国各大水系、主要湖泊及海域的污染主要是氮、磷 引起的，如巢湖、太湖及滇池等湖泊的富营养化问题。因此研究从废水中去除氮、 磷已具有重要的现实意义。 1 2 污水生物脱氮除磷技术原理与发展趋势 1 2 1 生物脱氮基本原理 废水脱氮的方法很多，包括物理化学法、生物处理法。例如，可以采用吹脱 法、离子交换法、氯化法脱氮。生物处理法是利用硝化细菌的硝化作用与反硝化 细菌的反硝化作用实现生物除氮。由于生物处理法是一种经济、高效和可靠的处 理方法，在污水处理中得到广泛的应用。 2 硝化上 硝态氮州0 3 ) 反硝化 = ，圈 反硝化一 污水 。废 充足 氨氮 分用 化作 态氮 氮的 余污 又依 约占 总氮 转化 图1 1 生物处理中氮的转化 f i g 1 - ln i 仃o g 如t 阳n s f b 珊i nb i o l o 科r 朗c 伽n ( 1 ) 氨化作用 微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作用，很多细菌、真菌和放 线菌都能分解蛋白质及其含氮的衍生物，其中分解能力强并释放出n h 3 的微生物 称为氨化微生物，废水中的有机氮化合物首先在微生物产生的水解酶作用下逐步 青岛理工大学工学硕士学位论文 水解为氨基酸，这个过程可在细胞内或细胞外进行；然后水解形成的氨基酸在氨 化细菌脱氨基酶的作用下产生氨。脱氨方式有水解脱氨；氧化脱氨；还原脱氨及 减饱和脱氨5 1 。 ( 2 ) 硝化作用 硝化作用是指在有氧存在的条件下，氨基酸脱下的氨经亚硝酸菌和硝酸菌的 作用转化为n 0 3 。的过程。氨氮氧化成硝酸盐的硝化反应是由两组自养型好氧微生 物通过两个过程来完成的。第一步由亚硝酸菌( f 加s d m o n a s ) 将氨氮( n h 4 + 和 n h 3 ) 转化为亚硝酸盐( n 0 2 。) 。第二步是硝酸菌( f 护d 6 口c 纪，) 将亚硝酸盐转化 为硝酸盐( n 0 3 ) 。硝化的生物化学过程下式表示： n h 4 十+ 1 8 6 0 2 + 1 9 8 h c 0 3 ( 0 0 1 8 1 + o 0 0 2 5 ) c 5 h 7 0 2 n + 0 9 8 n 0 3 。+ 1 0 4 h 2 0 + 1 8 8 h 2 c 0 3 ( 3 ) 反硝化作用 反硝化作用将硝酸盐( n 0 3 。) 和亚硝酸盐( n 0 2 - ) 还原为气态氮的n x o y 和n 2 的过 程，反硝化是由一群异养性微生物完成的生物化学过程。参与这一生化反应的微 生物是反硝化菌，反硝化的生物化学过程如图1 2 所示【6 】： + 4 ( h + + e ) + 4 ( h + + e ) 2 h n 0 3 一哆2 h n 0 2 尹 一2 h 2 0 - 2 h 2 0 + 4 ( 1 + 托) n h 2 0 h n h 3 2 h 2 0 + 2 ( h + + e ) + 2 ( 】旷+ e ) n 2 0 n 2 - h 2 0 图1 2 反硝化过程 f i g 1 2p r o c 鹤so fd e n i t r i f l c a t i o n 经研究，目前公认的从n 0 3 还原为n 2 的过程为： + 2 e + e 。+ e - + e n o r n 0 2 +n o n 2 0 n 2 ( 1 - 1 ) 。硝酸盐还亚硝酸盐氧化氮还氧化亚氮 原酶还原酶原酶还原酶 由此可以看出，异化硝酸盐还原一系列反应的第一步是n 0 3 。在硝酸盐还原酶 作用下还原至n 0 2 。，在某些情况下，反硝化过程中会出现n 0 2 。的积累，由于n 0 2 4 7咖 嘲 喇 3 _ 莹 一 邺 存的一种途径【1 2 1 。 和自养硝化菌相比，这类异养型硝化菌大多数可以在好氧条件下进行反硝化 作用f 1 3 1 。异养型硝化作用的底物、中间产物和最终产物与自养型硝化相同，但是 二者的酶系统存在差异。在污水处理系统中，人们研究较多的异养硝化好氧反硝 化细菌是砀f d 印砌p ，口尸砌，d 肌p 办口【1 4 1 。 ( 2 ) 同步硝化反硝化技术 同步硝化反硝化就是硝化反应和反硝化反应在同一个反应器中、相同操作条 件下同时发生。最近几年国内外有很多试验和报道，证明同步硝化反硝化现象 ( s 曲u l t 锄e o u sn i t r i f i c a t i o na i l dd e i l i t r i f i c a t i o n ，简称卧d ) 确实存在f 1 5 - 1 9 1 。 目前国内外学者从微环境理论、微生物学和生物化学三个方面对同步硝化反 硝化理论进行研究【2 0 2 1 1 。同步硝化反硝化的优势在于能同时满足处理过程中对碳 青岛理工大学工学硕士学位论文 源和碱度等条件的要求【2 2 1 。如果各种因素控制得比较好，如d 0 在0 5 m g l 附近 时硝化和反硝化速率相等，则易于实现彻底的s n d 【2 3 1 。 ( 3 ) 厌氧氨氧化技术 早在1 9 7 7 年，b r o d a 就曾表示自然界应该存在反硝化氨氧化菌( d e n i t r i 匆i n g a m m o l l i a o x i d i z e r s ) 【2 4 】。该理论在1 0 年之后，荷兰d e l f 技术大学k l u y v e r 生物技 术实验室开发出了a n a m m o x 工艺( a n a e r o b i c m m o i l i u mo x i d a t i o n ) 【2 5 矧， 即在厌氧条件下利用n h 4 + 作为电子供体将n 0 3 。或n 0 2 。转化为n 2 。试验研究发现， 厌氧反应器中n h 4 + 浓度的降低与n 0 3 的去除存在着一定的比例关系。由于该过 程是自养的，因此不需要另加碳源，省去了外源电子供体。显然，该工艺能减少 反应器中的需氧量和降低污泥量。因而，它比传统的硝化系统的运行费用明显低 得多【2 7 1 。 ( 4 ) 中温亚硝化技术 中温亚硝化( s i n g l er e a c t o rf o rh i 曲a m m o i l i u mr e m o v a lo v e rn i t r i t e ，简称 s h a r o n ) 就是将氨氮氧化至亚硝酸氮的过程【2 8 - 3 川下的硝化是由两种不同的自养 菌所完成的生物化学过程。在通常环境条件下( 1 0 2 5 ) ，硝化细菌的比增长 速率比亚硝化细菌要快，这导致亚硝酸氮作为一种中间过渡产物，很难以聚集浓 度存在于环境中。当温度升高到( 3 0 3 5 ) ，则硝化细菌的比增长速率比亚硝 化细菌要慢，即硝化细菌的最小污泥停留时间要比亚硝化细菌长。s h a r o n 工艺 正是利用这两者之差，恰当地选择污泥龄将硝化细菌淘汰出系统，从而将硝化过 程控制在亚硝化阶段，然后直接从n 0 2 。进行反硝化。通常将3 5 作为该工艺的安 全运行温度【3 1 1 。 1 2 3 生物除磷的基本原理 传统的生物除磷理论根据是某些微生物在好氧时不仅能大量吸收磷酸盐 ( p 0 4 3 。) 合成自身核酸和a t p ，而且能逆浓度梯度过量吸磷合成贮能的多聚磷酸 盐颗粒( 即异染颗粒) 于体内，供其内源呼吸用。称这些能逆浓度梯度过量吸磷 合成贮能物质的细菌为聚磷菌。聚磷菌在厌氧又能释放磷酸盐( p 0 4 孓) 于体外。 故可创造厌氧、缺氧和好氧环境，让聚磷菌先在含磷污水中厌氧释放磷，然后在 好氧条件下充分地过量吸磷，然后通过排泥从污水中除去部分磷，可以达到减少 污水中磷含量的目的。 6 聚磷颗粒 图l - 3 聚磷菌释放和吸收磷的代谢过程 f i g 1 - 3t h em e t a b o i i cp r 姻so fp a o st o 代l 翰a n da b s o r p t i 仰o fp h o s p h o 咖s 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 2 4 对生物除磷现象的新发现与认识 在过去的几十年中，尽管生物脱氮除磷工艺在污水处理中得到了广泛的应用， 但与生物脱氮的研究相比，生物强化除磷系统中聚磷菌的代谢仍不是十分清楚。 因而，目前国内外对生物强化除磷系统中聚磷菌的代谢进行了大量的试验研究， 并得到了比较认可的新理论。 ( 1 ) 聚磷菌的厌氧代谢 有关p a o s 的厌氧代谢比较一致的看法是：厌氧条件下，p a o s 吸收环境中 的挥发性脂肪酸( v f a s ) ，在体内合成聚b 羟基丁酸( p h b ) ，并释放磷酸盐 于溶液中。磷酸盐释放生成的能量用于将乙酸等v f a s 输入体内并将其活化。活 化后的v f a s 被还原后合成p h b 以供好氧条件下使用。 由于p h b 中的碳原子相对于乙酸中的碳原子具有更低的氧化态，p 耶的合 成过程中需要某种还原动力。c o m e a u 等【3 6 】认为这种还原动力来自三羧酸循环中 的n a d h ，并提出了聚磷菌c o m e a u 代谢模型。而m n i o 等人【3 7 ，3 8 1 观察到在聚磷 菌吸收乙酸盐过程中体内的碳水化合物含量减少的现象，认为微生物细胞在厌氧 条件下利用细胞内储存的糖原通过糖酵解( e m b d e m m e y e r h o f p a rn 嬲，简称e m p ) 途径产生还原能以用于合成p h 触。采用核磁共振技术，p e r e i m 等【”】在厌氧代谢 过程中证实确有t c a ( 仃i c 打b o x y l i c a c i dc y c l e 三羧酸循环) 发生，且糖原的分解 的确为p h a s 合成提供了还原动力，不过该实验中糖原的分解是通过 e d ( e n 协e r - d o u d o r o f d 途径又称2 酮3 脱氧6 磷酸葡糖酸的3 ，3 裂解途径，而 不是e m p ( e m b d e mm e y e r h o f p 锄a s p 甜1 w a y 糖酵解) 途径进行的。 有关厌氧代谢能量来源的研究也存在不同的看法，早期的研究认为聚磷分解 所产生的a t p 是厌氧条件下p a o s 代谢的唯一能源供应，现在则发现糖原的分解 代谢也为p h a s 的合成提供能量，数量多少则取决于糖原代谢的途径。 ( 2 ) 反硝化除磷菌的代谢 近年来大量研究发现一部分p a o s 在厌氧缺氧( a a ) 交替的环境下能利用 n 0 3 作为电子受体，且其基于细胞体内贮存p h a s 和糖原的代谢机理与厌氧好氧 ( o ) 相似。荷兰d e l r 技术大学和日本东京大学研究人员确认了这种反硝化菌的 生物释放吸收磷作用，并称之为反硝化聚磷菌( d e i l i 仃i 毋i n g p h o s p h o m s a c c u m u l a t i n go r g a m s m s ，简称d n p a 0 ) 【4 0 】。反硝化聚磷菌将减少对 8 p a o s 则在p h 值为7 7 5 时处于有利环境。w b 卸g 等【删的研究证实温度同样是一 个对p a o s 与g a o s 的竞争产生影响的因素，根据实验结果2 0 条件对p a o s 有 利，而3 0 条件下情况正好相反。 1 3 生物脱氮除磷工艺 生物脱氮系统的基本工艺组成( 好氧和缺氧区) 是在2 0 世纪6 0 年代得到开 发的，并形成了多种处理不同的方式组合【4 5 4 9 】。一种方法是用一系列独立的悬浮 生长式系统以分步方式完成去除有机物质和脱氮过程。第一步去除有机物，第二 步进行硝化，第三步进行反硝化脱氮。这种三步脱氮系统在文献上已得到了广泛 的报道，但由于其投资和运行费用高而没有在实际中得到应用【5 0 1 。另一种方法称 为单级污泥脱氮，将好氧硝化区和缺氧反硝化区结合成为一个系统，两个区同时 又进行碳氧化过程。在单级污泥法中引入了内循环等概念，即将硝态氮回流到首 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 端的缺氧区进行反硝化。这概念已经在生物脱氮领域得到了广泛的使用。 在脱氮系统发展的同时，在一些生产性活性污泥系统中观察到了强化除磷过 程【4 5 ，4 9 ，5 0 1 。这些系统通常是推流式生物反应器，而且沿着反应器长度方向均匀曝 气，使得首端溶解氧浓度非常低，这种未充分曝气段为聚磷微生( p a o s ) 提供了 必要的厌氧区。目前生物脱氮除磷主要有以下工艺： 1 9 3 2 年w u l l m 猢利用内源反硝化建立了后置反硝化工艺，如图1 4 ，但是 内源反硝化效率很低，需要的反应容积也很大。为了提高脱氮效率，图1 5 是改 进的l u d z a c k e n i n g e r ( m l e ) 【5 1 】，该工艺缺氧区反硝化速率相对较高，原因是它 直接与进水易生物降解基质接触，出水硝态氮浓度能够降低至4 8 m g n l 。 外加碳源 图l - 4 w u h r m a n n 工艺 f 遮1 4w u h r m a n np r o o 髓晦 图l 一5l u d 髓c k - e n i n g e r 工艺 f i g 1 5l u d z a c k - e t t i n g e rp r o c e s s 在以上流程基础上，增加一个缺氧区和一个小型好氧区，可以实现进一步脱 氮，如图1 6 所示的四阶段b a r d e n p h o 工艺一样。该工艺认为第二个缺氧池可以 把a o 工艺剩余的硝酸盐进一步反硝化；最终一级好氧区仅仅是用来吹脱氮气并 为进入沉淀池之前的混合液进行充氧。一级好氧区容积比较小，以尽量减少微生 物的衰减，因为衰减会释放溶解性的氮，影响出水含氮浓度。 内循环 图l - 6b a m a r d 工艺 f i g 1 6b a r n a r dp r o c e s s 1 0 水中v f a 的数量是有益的。根据这种认识，研究人员提出了旨在增加短链脂肪酸 含量的e a s c 和儿s 工艺( 见图1 9 ) 。其中e a s c 工艺的厌氧段( a 1 ) 实际上是用初 沉池改造而成的。二沉池回流污泥与进水一起进入a 1 段，二沉污泥与初沉污泥 混合沉入泥斗。由于初沉污泥中含有大量有机物，而泥斗中的厌氧环境将一部分 大分子有机物水解酸化，故开发者认为这种做法可增加污水中v f a 浓度，为有效 释磷提供了条件。儿s 工艺的特点是在a 2 o 工艺的每一段都放置生物转盘 ( r d t a t i n gb i o l o g i c a jc o n t a c t o r ，简记i m c ) 。开发者认为，厌氧段的r b c 上可以生 长永久性的厌氧菌，故对进水有机物的水解酸化有促进作用。 青岛理工大学工学硕士学位论文 内循环 ( a ) e a s c 工艺 内循环 ( b ) j l s 工艺 图1 9 试图提高污水中 a 含量的工艺 f i g 1 - 9t h ep r o c 鹤st oi n c 他a s et h ec o n t e n to f v l i ai nw a s t e w a t e r 有些研究报道认为，回流污泥中携带的硝酸盐对脱氮除磷工艺的除磷效果有 不利影响，这是因为在硝酸盐反硝化过程中将消耗污水中v f a s ，从而消耗了厌 氧释磷所需碳源的量。1 9 8 3 年s i e b r i t z 发现当回流污泥中硝酸盐浓度上升时，系 统除磷效果有下降趋势，但并不成比例关系；他们甚至在一组试验中发现了相反 的例子，尽管回流污泥携带较多的硝酸盐，但系统的除磷效果却很好。值得注意 的是，1 9 8 5 年h a s c o e t 和q 觚g e r 【5 4 】也观察到加入硝酸盐对系统的除磷效果未构 成影响的例子。由此可见，回流污泥中的硝酸盐对生物除磷系统的厌氧区释磷将 构成不利影响，但就系统的除磷效果而言，硝酸盐的作用却不是完全一致的。 针对硝酸盐对同步脱氮除磷工艺的不利影响，人们开发了u c t ，j 船等工艺 ( 如图1 1 0 ) 。其中u c t 工艺有两个内循环【5 5 1 。内循环1 将硝化液从好氧( o ) 段回 流至缺氧池) 段，内循环2 将缺氧( a 2 ) 段的混合液回流至厌氧( a 1 ) 段。回流污 泥不是直接进入厌氧( a 1 ) 段而是先进入缺氧( a 2 ) 段。这种作法避免了回流污泥 中大量硝酸盐对厌氧( a 1 ) 段的冲击，从而改善了聚磷菌的释磷环境。 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 内循环2内循环1 ( a ) u c t 工艺 内循环 ( b ) j l i b 工艺 图1 1 0 试图解决硝酸盐问题的工艺 f i g l 。l o 。i h ep r o c e s st os o t 、，en i t r a t eq u e s “o n 硝化细菌繁殖速度慢，世代时间长；而聚磷脱氮菌多为短泥龄微生物。此外， 生物除磷的唯一渠道是排除剩余污泥，为保证系统的除磷效果就不得不维持较高 的污泥排放量，系统的泥龄也不得不相应地降低，显然硝化菌和聚磷脱氮菌在泥 龄上存在着矛盾。针对此泥龄矛盾，人们开发了a l o a 2 o ，a l a 2 o o ( 如图1 1 1 ) 以及前面提到的儿s 等工艺。 内循环 ( a ) a 1 ，o a 2 ，o 工艺 内循环 ( b ) a l ，a 2 ，m o 工艺 图1 1 1 试图解决泥龄矛盾的工艺 f i g 1 一l lt h ep r o c 够st o 鲫i ，es l u d g ea 矿n n i c t 青岛理工大学工学硕士学位论文 a i o a 2 o 工艺实际上是由相对独立的两段组成的。第一段泥龄较短，主要用 于除磷；第二段泥龄较长，主要用于脱氮。由于两段各自有独立的回流污泥系统， 从而避免了硝化菌和聚磷菌在泥龄上的矛盾。但是该工艺的第二段容易发生碳源 不足的情况，致使脱氮效率大受影响。对此，刘谨等( 1 9 9 4 ) 5 6 】提出了a l a 2 o o 工艺。该工艺仍然由各具独立的出回流污泥系统的前后两段构成，流程上所不同 的是：在第一段增加了一个a 2 区，第二段的硝化液通过内循环回至第一段的a 2 区；在功能上该工艺除了除磷外又增加了反硝化脱氮。由于第一段泥龄很短，微 生物主要为聚磷菌和脱氮菌；第二段泥龄很长，且只有一个好氧区( o ) ，其功能只 是硝化。由于硝化菌为自养型微生物，几乎不需要有机物作碳源，因此该工艺不 仅解决了泥龄矛盾，而且避免了a i o - a 2 o 工艺中第二级碳源不足的问题。该工 艺在第二段投放填料可以进一步强化硝化功能。图1 9 所示儿s 工艺在o 段设置 了i 强c ，硝化菌栖于i 也c 表面不参与回流，在理论上解决硝化菌和聚磷菌的泥 龄矛盾。 上述脱氮除磷工艺的共同特点是将厌氧区( a 1 ) 置于工艺的最前端，缺氧区 ( a 2 ) 、好氧区( o ) 依次顺居其后。该布置在理论上基于这样一种认识，即：聚磷菌 厌氧释磷水平高低对于提高工艺的除磷能力具有重要意义，厌氧区在前可以使聚 磷菌优先获得碳源并得以充分释磷。对于常规脱氮除磷工艺系统，由于存在硝化 液内循环，系统所排放的剩余污泥实际上只有一少部分经历了完整的厌氧、好氧 过程，其余则基本上未经厌氧状态而直接由缺氧区进入好氧区。而且回流污泥中 硝酸盐会对厌氧区产生不利影响，为了避免这种影响而开发的一些新工艺趋于复 杂化。张波【57 j 对短时厌氧区生化特性及其对聚磷菌释磷吸磷影响的研究表明，聚 磷菌厌氧有效释磷充分与否可能并不是决定系统除磷能力的充分必要条件。根据 该研究，张波将常规生物脱氮除磷系统的厌氧、缺氧环境倒置过来，首次提出了 倒置a 2 0t 艺( 如图1 1 2 ) 【5 7 5 8 ，5 9 1 。 f i g 1 1 2i n v e r t e da 2 ，op r o c e s s 通过生产性试验研究证明，将常规a 2 o 工艺的厌氧、缺氧环境倒置，可以明 显提高系统的除磷脱氮能力。在同等条件下，倒置a 2 o 工艺p 0 4 孓p 和t n 的去 1 4 图1 1 3 同歇曝气工艺流程 f i g 1 1 3i n t e 珊i t t e n t8 e n t i 仰p m c 鹤s 自开始研究生物脱氮除磷技术以来，可以说人们在工艺和机理两方面均取得 了重大进展。研究人员开发了不下几十种生物脱氮除磷工艺。但是迄今为止人们 关于脱氮除磷工艺中存在的矛盾关系的认识还不够深入，仍需不断的研究。 综上所述，目前生物脱氮除磷新技术的开发正朝着高效低能的方向发展。 1 4 生物脱氮除磷微生物学研究进展 微生物在污水处理过程中承担着污染物转化降解的功能，决定着生物处理系 青岛理工大学工学硕士学位论文 统的稳定性和废水处理效果。然而，长期以来，人们对于污水处理过程中微生物 群落的结构及其动态变化知之甚少，这在很大程度上限制了人们对污水处理工艺 与运行条件、实现微生物功能优化调控以及提高工艺处理性能水平方面的作用。 近年来分子生物学技术的迅速发展为系统研究活性污泥中微生物群落的结构、功 能与动态提供了有力的支持，使人们全面认识废水生物处理过程中的微生物的作 用成为可能。 从年代上来看，微生物群落结构和多样性解析技术的发展可以分为三个阶段。 2 0 世纪7 0 年代以前主要依赖传统的培养分离方法，依靠形态学、培养特征、生理 生化特性的比较进行分类鉴定和计数，对环境微生物群落结构及多样性的认识是 不全面和有选择性的，方法的分辨水平低。在2 0 世纪7 0 、8 0 年代，研究人员通过 对微生物化学成分的分析总结出了一些规律性的结论，从而建立了一些微生物分 类和定量的方法即生物标记物方法，对环境微生物群落结构及多样性的认识进入 到较客观的层次上。在2 0 世纪8 0 、9 0 年代，现代分子生物学技术以d n a 为目标物， 通过r r n a 基因测序技术和基因指纹图谱等方法，比较精确地揭示了微生物种类和 遗传的多样性，并给出了关于群落结构的直观信息。 纯培养方法是最早认识微生物群落结构和多样性的方法。f u l l s 和c h e n ( 1 9 7 5 ) 删 最早用传统的培养方法从能高效除磷的活性污泥中分离出细菌，鉴定这些细菌属 于丫亚纲变形菌中的不动杆菌似c f 行p f d 6 钟纪力。在好氧条件下，纯培养【6 1 】和活性污 泥中【6 2 】的不动杆菌都能累积磷，其它的研究组用不同的选择性培养基也从各自的 实验室或污水处理厂分离出不动杆菌【6 3 。因此，那时的人们普遍认为，e b p r 系 统中的p a o ( p h o s p h a t e - a c c 啪山a t i l l gor g ；l n i s m s ) 主要就是不动杆菌。但有些研究者发 现，培养从e b p r 系统中分离的这些被认为是真正p a o 的细菌时，大多数没能成功 传代，而一些存活下来的细菌经鉴定并不是不动杆菌1 6 5 加】。大多数从e b p r 系统中 分离的不动杆菌为琼氏不动杆菌似c f 玎p 幻6 口c 纪，“聆f f ) 、鲁氏不动杆菌“伽q 厉) 和约 氏不动杆菌“加厅瑚d ，z f 搿6 7 删。此外，活性污泥中的假单胞菌( n p “如聊d ，z 甜) 、莫 拉氏菌( a 知麟p 砌) 、气单胞菌似p 阳，z d ，2 甜) 等同样能除磷【7 0 1 。s u r e s h 等【7 1 】也认为， 假单胞菌和克雷伯氏菌( 胁6 s 把砌) 都是具有除磷能力的细菌，并发现一种假单胞菌 ( n p “如聊d 嬲c 甜f c “胁括) 甚至比不动杆菌能累积更多的磷。因此，许多研究者对不 动杆菌在e b p r 系统中的重要性产生了怀疑。从e b p r 系统获得的纯培养可以在好 氧状态下利用乙酸盐高效地合成p o l y p 和p h a ，但不是所有的纯培养菌都能合成此 1 6 青岛理工大学工学硕学位论文 两种物质，此能力也不仅限于某几种细菌。很多细菌都能合成胞内p o l y p 颗粒【7 2 】， 如死伊鲫p 办伽，口属的放线杆菌口c 砌d 6 口c 纪，训【7 3 ，7 4 1 ，在e b p r 系统中常见的可引起污 泥膨胀或泡沫的丝状菌，如 衙仃d 砌，灰阳w 记p 妇和 枷幻死坛，砌泐肠，在原位或纯 培养条件下其胞内的p o l y p 颗粒都可被染色【7 5 ，7 6 1 ，又如球状的积磷小月菌 ( 磁c 加胁凇，淞肋d 印厅d v d ，淞) 也可以在厌氧状态下释放磷，在好氧状态下累积磷。研 究表明，其代谢途径和p a o 是不一样的，在厌氧状态下同化的葡萄糖并不用于生 长，而是被发酵成乙酸盐储存起来，也不被转化成p h a s ，而是用于有氧呼吸释放 能量【7 7 1 。进一步的研究表明，积磷小月菌并非e b p r 系统中的优势类科7 们。此外， s t a n t e 等【7 9 】从e b p r 系统分离出的一种俊片菌口节印p 如s p ) 能在厌氧状态下同 化乙酸盐生成p h a 并释放磷，但有关这种菌生理生化方面的特征还研究不多。既 然能合成胞内p o l y p 颗粒的细菌不仅限于不动杆菌，因此人们自然想到，那些从 e b p r 系统中分离出的革兰氏阳性菌或革兰氏阴性菌可能是潜在的p a o 。 通常认为微生物所含的酶与其丰度或活性是密切相关的。酶分子对于所催化 的生化反应特异性很高，不同的酶参与不同的生化反应。l i u 等( 2 0 0 0 ) 【8 0 】的研究表 明，e b p r 系统和非e b p r 系统呼吸酶的差别并不大，这说明在细菌群落中只有小 部分酶参与了e b p r 过程。l i n 等【8 l 8 2 1 的研究表明，在e b p r 的生物样品中，辅酶q 2 8 和辅酶q 2 1 0 比辅酶q 2 9 含量多，发现随着s b r 系统除磷能力的提高，辅酶q 2 9 的含 量随之增加；除磷能力的提高是由于具有除磷细菌种群数量的增加，而非除磷细 菌除磷能力的增加；认为不动杆菌和假单胞菌都是代表性的聚磷菌。h i m i s h i 等【8 3 】 用呼吸酶方法研究表明，无论在实验室还是在污水处理厂的e b p r 系统或非e b p r 系统的检测中，标志变形菌纲p 亚纲的辅酶q 2 8 都是最多的，而并非标志变形菌纲丫 亚纲( 不动杆菌属于此亚纲) 的辅酶q 2 9 ，辅酶q 2 1 0 为标志的放线杆菌和变形菌纲a 亚纲的细菌数量也很多，还有革兰氏染色阳性的低m o l ( g 卜c ) 的细菌，浮霉状菌 属( 尸伽c 幻力驴p 胞ss p ) 和c f b 菌群的细菌数量较少，而积磷小月菌只占放线杆菌总 数的约3 。 现代分子生物学方法以微生物基因组d n a 的标记序列为分类依据，通过分 析不同d n a 分子的种类及其数量来反映微生物的种群结构。可以用于微生物群 落结构分析的基因组d n a 的序列信息包括：核糖体操纵子基因序列( r r n a ) 、已 知功能基因的序列、重复序列和随机基因组序列等。最常用的标记序列是核糖体 操纵子基因( r i 冰a ) 。r r n a ( r d n a ) 在细胞中相对稳定，同时含有保守序列及高可 1 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 变序列，是微生物系统分类的一个重要指标。其中，1 6 s r r n a 分子大小适中( 约 1 5 k b ) ，既能体现不同菌属之间的差异，又宜于利用测序技术而得到有关系统发 育关系的充足信息，故被广泛采用。l i u 等【8 4 1 、g i e s e k e 等【8 5 】研究发现在以乙酸盐 为碳源的s b r 反应器中具有较高除磷能力的活性污泥中至少包含三种主要微生 物。w a l l g e r 等、k 锄p