（环境工程专业论文）电场强化条件下生物除磷过程规律研究.pdf

摘要 本课题把电场引入污水生物处理系统，强化了其除磷能力，为开发出一种 新型高效水处理工艺奠定了试验基础。 鉴于厌氧放磷和好氧超量吸磷反应是传统厌氧，好氧生物除磷工艺的两个 基本生物化学反应过程，首先在这两个不同的反应阶段施加电场( 电流密度 i = 0 0 4 m a c m 2 ) ，以观察电场对生物除磷的影响。研究表明，在试验条件下 ( i = 0 0 4 。0 0 8 m a c m 2 ) ，无论那个反应时段施加电场，对提高、稳定生物除磷 效率都有积极的贡献。对比研究发现，在相同的电流密度下，好氧段电场强化 的除磷效果更明显，在最佳：t = 况( i = 0 0 8 m a c m 2 ) ，电场强化反应器t p 平均去 除率高达9 2 ，比对照组普通生物反应器高出1 5 。有关试验数据显示，电场 强化反应器剩余污泥含磷率达5 0 4 ( 干重) ，比对照组普通生物反应器高o 6 8 ，进一步表明了电场可强化活性污泥的超量吸磷能力。 按照生物除磷的机理，除磷效率的高低与基质中易降解有机物的含量及有 机物的去除密切关联。因此，本课题在重点研究电场强化除磷同时，还进一步 考察了有机物强化去除的规律。试验研究表明，电场对有机物的强化去除规律 不同于总磷。从反应时段看，厌氧段施加电场对有机物去除有积极的作用，而 好氧段电场强化效果并不明显；从最终的效果看，电场对有机物去除率的贡献 不及总磷。 此外，对反硝化除磷技术进行了初步研究，结果表明：以硝酸盐作为电子 受体的反硝化聚磷菌与以氧气作为电子受体的普通聚磷菌有不同的吸磷反应动 力学特征；硝酸盐的消耗量与缺氧吸磷量呈现良好的线性关系；缺氧段电场强 化可提高反硝化脱氮、除磷速率，但并不改变脱氮和除磷的数量关系。 在试验的基础上，对生物除磷动力学模式进行了初步探讨。研究发现，厌 氧放磷反应较好地符合一级反应动力学规律：竺掣= 一k l ( p 。一p ) ，试验 a t 数据表明：电场强化反应器( i - o 0 8 m a c m 2 ) 厌氧放磷速率常数：k 。= o 4 7 h ， 而对照组普通生物反应器的厌氧放磷速率常数：k ，= o 3 5 h 一，厌氧段电场强化 可增大厌氧放磷速率，促进磷的有效、充分释放，从而提高除磷效果；好氧吸 磷反应较好地符合一级反应动力学：譬= 一k 2 p ， 试验数据表明：电场强化反 “f 应器( i - - o 0 8 m a c m 2 ) 好氧吸磷速率常数：k ，= 1 o l h 一，而对照组普通反应器 好氧吸磷速率常数：k ，= o 7 1 h 一，好氧段电场强化亦可增大好氧吸磷速率，促 进磷的彻底吸收，从而提高除磷效率。 关键词：电场强化；生物除磷；反硝化除磷；除磷模式 i i a b s t r a c t t h ee l e c t r i cf i e l dw a si n t r o d u c e di nas y s t e mo fb i o - t r e a t m e n ti no r d e rt o i m p r o v e i t sa b i l i t yo f r e m o v i n gp h o s p h o r u s ，w h i c hw a st h eb a s eo fd e v e l o p i n ga n e w k i n do f t e c h n o l o g y f o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti nt h ep a p e r c o n s i d e r i n gt h a ta 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 e r o b i cp h o s p h o r u su p t a k e w e r et h eb a s i c p r o c e s s o fe n h a n c e db i o l o g i c a l p h o s p h o r u sr e m o v a l ( e b p r ) ，t h e e l e c t r i cf i e l dw a si n t r o d u c e df i r s t l yi nt w od i f f e r e n tp e r i o d so fr e a c t i o ni no r d e rt o s t u d y i t s i m p a c t s o n b i o l o g i c a lp h o s p h o r u s r e m o v a l t h er e s u l t so b t m n e d d e m o n s t r a t e dt h a ti nb o t hr e a c t i o n p e r i o d t h e e l e c t r i cf i e l dc o n t r i b u t e dt ot h e e f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t yo fd e p h o s p h o f i z a f i o n t h ec o n t r a s t i n gi n v e s t i g a t i o ns h o w e d t h a ta tt h e $ a n l ec u r r e n td e n s i t y , a g g r a n d i z e m e n to fe l e c t r i cf i e l di na e r o b i cp e r i o d c o u l do b t a i nb e t t e rr e s u l t s ，a n du n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n ( i = 0 0 8 m a c m 2 ) ，t h e a v e r a g e r e m o v a lr a t i oo ft o t a l p h o s p h o r u s w a s9 2 1 5 h i g h e rt h a n t h a to f o r d i n a r yb i o r e a c t o r t h er e s u l t sa l s os h o w e d t h a tp h o s p h o r u sc o n t e n to fd r ys l u d g e i ne n h a n c i n gr e a c t o r b y e l e c t r i cf i e l d ，w a s5 0 4 ，0 6 8 h i g h e rt h a nt h a to fo r d i n a r y b i o r e a c t o r , w h i c hi n d i c a t e df u r t h e rt h a tt h ee l e c t r i cf i e l dc o u l de n h a n c ei t sa b i l i t yo f d e p h o s p h o r i z a t i o n a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s mo fb i o l o g i c a ld e p h o s p h o r i z a t i o n ，t h ee f f i c i e n c yo f r e m o v i n gp h o s p h o r u sr e l a t e d t oc o n t e n ta n dr e m o v a lo fo r g a n i cs u b s t a n c e t h i s p a p e ra l s oi n v e s t i g a t e dt h ee n h a n c e dr e m o v i n gr e g u l a r i t yo fo r g a n i cs u b s t a n c e s ，t h e r e s u l t ss h o w e dt h a te l e c t r i cf i e l dh a dd i f f e r e n ti m p a c t s o n o r g a n i c s u b s t a n c e s r e m o v a lf r o mo np h o s p h o r u sr e m o v a l f r o mr e a c t i o np e r i o d ，a g g r a n d i z e m e n to f e l e c t r i cf i e l di na n a e r o b i cp e r i o dh a da p o s i t i v ee f f e c to no r g a n i cs u b s t a n c e sr e m o v a l ， a n dt h a to fa e r o b i cp e r i o dw a sl i t t l e ；f r o mu l t i m a t ee f f e c t s ，t h ee l e c t r i cf i e l dm a d e l e s sc o n t r i b u t i o nt oo r g a n i cs u b s t a n c e sr e m o v a lt h a nt h a to f t o t a lp h o s p h o r u s f u r t h e r m o r e ，t h et e c h n o l o g yo fd e n i t r i f y i n gd e p h o s p h o r i z a t i o nw a si n v e s t i g a t e d ， t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t d e n i t r i f y i n gp 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 l i i ( d n p a o s ) u s i n gn i t r a t e a se l e c t r o na c c e p t o rh a dd i f f e r e n tc h a r a c t e ro f k i n e t i c s f r o mo r d i n a r y p o l y p h o s 曲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 ) u s i n go x y g e na s e l e c t r o na c c e p t o r ；a n dt h e r ew a sal i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en i t r o g e nr e m o v a l a n da n o x i cp h o s p h o r u su p t a k e ；a n da l s oa g g r a n d i z e m e n to fe l e c t r i cf i e l di na n o x i c p e r i o dc o u l di n c r e a s ed e n i t r i f i c a t i o na n dd e p h o s p h o r i z a t i o ne f f i c i e n c y , b u td i dn o t c h a n g e t h eq u a n t i t y r e l a t i o n s h i po f t h e m t h ek i n e t i cm o d eo f b i o l o g i c a ld e p h o s p h o r i z a t i o nw a sd i s c u s s e do nt h eb a s i so f e x p e r i m e n t t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tu n d e ra n a e r o b i c c o n d i t i o n s ，t h e r a t eo f p h o s p h o r u s r e l e a s ea c c o r d e dw i t h a p p a r e n t f i r s t o r d e rk i n e t i c s ： - ! ! ! - ! ! ；= 二旦! = 一( p m - - p ) ，。fe n h a n c i n g r e a c t 。ro fe l e c t r i cf i e i dw a s0 4 7 h - 1 , a n dt h a to fo r d i n a r yr e a c t o rw a s0 3 5 h 一t h e a g g r a n d i z e m e n to fe l e c t r i c f i e l di n a n a e r o b i cp e r i o dc o u l de n h a n c et h er a t eo f p h o s p h o r u sr e l e a s e ，w h i c hw a sh e l p f u lt o s t a b i l i z et h ee f f e c to f d e p h o s p h o r i z a t i o n u n d e ra e r o b i cc o n d i t i o n s ，t h e r a t eo f p h o s p h o m s u p 掘k e w a sa l s o c o n s i s t e n tw i t ht h e f i r s t _ o r d e r k i n e t i c s ：鲁一咖， k 2 o f e n h a n c i n g r e a c t o ro fe l e c t r i cf i e l dw a s1 0 1 h ，a n dt h a to f o r d i n a r yr e a c t o rw a s o 71 h - 1 t h ea g g r a n d i z e m e n to fe l e c t r i cf i e l di na e r o b i cp e r i o dc o u l da l s oe n h a n c et h e r a t eo f p h o s p h o r u su p t a k e a n d a c c o r d i n g l yi n c r e a s ee f f i c i e n c y o fd e p h o s p h o r i z a t i o n k e y w o r d ： a g g r a n d i z e m e n t o fe l e c t r i c f i e l d ；b i o l o g i c a ld e p h o s p h o r i z a t i o n ； d e n i t r i f y i n gd e p h o s p h o r i z a t i o n ；d e p h o s p h o r i z a t i o nm o d e 第一章绪论 随着工业的飞速发展和农村城市化水平的不断提高，供水紧张和污水净化已 成为我国乃至世界各地面临的主要难题之一。占世界总人口4 0 的8 0 个国家现 在正出现严重缺水现象，而且情况还会进一步恶化【l 】。我国的水资源状况也极不 乐观，大部分地区“水资源稀缺、人均水资源占有量少、利用率低、污染严重”。 全国6 6 8 座建制市约有4 0 0 多座城市缺水，其中1 0 8 座城市严重缺水【2 】。另一方 面，我国废水、污水排放量且以每年1 8 亿吨的速度增加，全国工业废水和生活 污水每天的排放量近1 6 4 亿吨，其中8 0 未经处理直接排入水域，造成严熏的 水体污染p 】。现阶段，我国的水污染主要表现为无机物、有机物、病原体、植物 营养物质、热和放射性等污染 4 5 ，从而导致了一系列的水污染灾害，如水质性 缺水、水生态环境遭受严重破坏、人类健康造成损害等 6 】，其中氮、磷等植物营 养物污染更加日益严重。 氮、磷污染是指随着人类对环境资源开发利用活动的增加，使大量含氮、磷 营养物质的生活污水、工业废水排入江河湖泊中，增加了水体营养物质的负荷， 其直接后果是引起水体的富营养化m 。据统计，我国主要湖泊处于氮、磷污染而 导致富营养化的占统计湖泊的5 0 以上嘲。从水体中藻类对氮、磷需要的关系看， 对于内陆水体，磷是使水体富营养化的主要限制因素；一般认为，磷也是温带海 湾以及大多数热带海域富营养化的限制因素，因此，有效地控制和削减排放废水 中磷含量已成为防治水体富营养化的重要途径【9 j 。 1 1 含磷污水的来源及污染特征 1 1 1 含磷污水的来源 污水中的磷主要来源于排泄物、洗涤制品、某些工业废水以及给水中控制腐 蚀和结垢所用的磷化物。 1 人均磷排泄量磷是人体必需的重要元素，为维持正常的生命活动，一 个成年人日均需摄入一定量的磷，通过代谢作用，每日有相同数量的磷随粪便排 泄到体外。根据有关资料统计，我国人均每天磷排泄量大约为o 8 1 0 9 ，如按1 0 2 计算，加上生活污水的食物残渣和其他家庭污物排磷量o 3 9 ，合计 1 3 9 ( 人d ) = 4 7 5 5 9 ( 人年) 。 2 人均消费洗衣粉排磷量禁磷前我国市场上含磷洗衣粉普通型含磷量为 4 2 5 ，浓缩型为7 5 ( 用量为普通裂的一一半) ，人均消费洗衣粉排磷量为 1 0 6 2 5 9 ( 人年) ，这仅占生活污水含磷量的1 8 3 【1 0 。 可见，即使洗衣粉禁( 限) 磷之后，城市污水中仍含有大量的磷，事实证 明，“治前”( 禁磷) 是前提，“治后”( 除磷) 是手段，“禁磷”必须辅以“除磷”， 这也是世界各国水环境控磷的大趋势。 1 1 2 污水中过量磷的危害 磷过量排入受纳水体的主要危害是使水体富营养化，刺激藻类等光合水生生 物的生长，从而使藻类出现暴发性增长，与其他水生生物争夺溶解氧，破坏水生 态平衡。有学者提出下列公式来测算水体是否达到富营养化“。 珊= 【耗氧量( m g l ) x 无机氮( pg l ) x 无机磷( ug l ) 1 5 0 0 ( 1 1 ) 若测定结果i h 1 ，则说明水体中氮、磷的含量达到富营养化程度，此时如 果水体光照充足，气温高则很容易形成赤潮，其最终后果是因藻类代谢需要大量 溶解氧，引起水体厌氧，使水生生物大量死亡，释 | _ i 大量有毒气体：h 2 s 、n h 3 、 c i - 1 4 等，使水质恶化l 。水体的富营养化危害大致有： 1 导致水体含氧量急剧下降，破坏水体生态的平衡和稳定性，影响渔业 产： 2 恶化水源水质，增加供水处理的难度和成本； 3 降低水体的美学价值。 1 2 磷污染控制方法 控制污水中磷的方法在于“防”和“治”两个方面。其中“防”主要是指禁 磷和限磷，而“治”则是指污水中磷的去除和削减。 1 2 1 禁磷和限磷 随着磷对水体的危害越来越严重，人们开始意识到污水除磷和控制磷的使用 量的重要性。7 0 年代以来，世界上许多国家相继颁布限磷、禁磷法律。如美国 占人口2 7 的地区已禁磷；日本也已实施了限磷措施：1 9 9 5 年5 月欧麸体( e c ) 城市污水处理指南u w w t d 要求排入“敏感水体”的处理出水达到8 0 t p 去除 率；德国和奥地利等国颁布的“污水排放法”要求处理出水的t p 浓度低于1 m g l ； 瑞士是水环境控磷最有成效的国家之一，1 9 8 6 年通过了国家立法，成为世界上 第一个在洗衣粉中禁磷的国家。由于污水中的磷主要来源于排泄物，由洗涤剂带 入的磷含量不超过总磷含量的2 0 ，这意味着即使全部取缔含磷洗涤剂，充其量 也只能减少2 0 的磷污染问题，并不能从根本上解决水体富营养化。因此，世界 各国在禁磷问题上存在较大争议，争议观点主要有两点：禁磷、限磷和除磷。此 处提到的禁、限磷主要是指禁止或限制使用磷类助洗剂，除磷主要是指采取工程 措施有效地控制和削减排放废水中磷含量。如德国、荷兰等欧洲国家就曾经不赞 成以洗衣粉禁磷的方式解决水体富营养问题，它们期望通过污水处理的方式消除 磷污染。瑞典至今还不同意洗衣粉禁磷的动议，仍坚持以污水除磷的方式控制水 环境的磷污染。我国对禁磷问题也存在较大争议，有学者认为，单一实施洗涤剂 限磷、禁磷，对环境保护成效不大，建设污水处理系统，进行有效除磷，爿是解 决水质富营养化问题的根本办法 1 4 , 1 5 , 1 6 】。 1 2 2 污水除磷技术 污水的除磷方法包括生物方法、物理方法、化学方法以及这些方法的组合运 用。其中应用最广泛的生物法将在随后一节( 1 3 ) 单独讨论，这里先简要介绍 电解法、电渗析法、吸附法、膜法和水生生物法和化学沉淀法。 1 电解法电解法常采用铜、铝、铁等材料做电极，以去除污水的污浊物 质。相对于其它的废水处理而言，电解法装景简单，控制容易，如今直流、交流 电解处理废水技术已经工业化，但是，电解法易产生大量含磷污泥。 电解法去除污水中磷的效率高，曾有日本科学家使用碳、铝、铜或铁为电 极，必要时可以添加电解质氯化钠，在直流电流为o 5 a 的条件下，电解生活污 水2 h ，使磷的去除率高达9 9 5 1 7 , 1 s i 。 电解法的主要缺点是沉淀生成量及电极材料消耗量较大，运行费用较高。 2 电渗析法电渗析是一种膜法分离技术，它利用施加在阴阳膜对之间的 电压去除水溶液中的溶解物质。电渗析法除磷】j 岂，预处理和离子选择性特别重 要。高选择性的防污膜仍在发展中，其目的在于使电渗析系统成为一个去除水中 营养物的实用方案之一。全面的磷去除工艺，必须有浓废水的处理或处置措旌。 3 吸附法吸附法主要是利用吸附剂吸附废水中的污染因子从而达到处理 目的。吸附剂是具有很强吸附能力的多孔物质，主要有活性炭、膨润土和一些天 然的吸附剂如玉米棒子、椰子壳和棕桐纤维【l ”，此外还可以用微生物和塘沟污泥 中的腐殖质作吸附剂捌。据报道，以天然沸石、膨润土为基材，经氯化镁和 氯化铝处理并活化而制得的新型吸附剂对磷有良好的吸附能力，用来处理含磷废 水时，磷的去处率在9 5 以上。且饱和吸附磷后的吸附剂，可用洗脱液进行洗脱， 洗脱率高达1 0 0 。 4 膜生物反应器水处理专家们将膜分离技术引入废水的生物处理系统 中，开发了一种新型的水处理系统，即膜生物反应器( m b r ) 。它是膜组件与生 物反应器相组合的一个生化反应系统。膜技术应用于废水生物处理，以膜组件 ( u f 或m f ) 替代二沉池，提高了泥水分离率。在此基础上又通过降低污泥有 机负荷来减少污泥增长量( 甚至为o ) ，从而基本解决了生物法中难以解决的3 个问题( 活性污泥沉降性、生化反应速率和剩余污泥的处置费用较高) 。 膜分离技术与生物法相比较，膜技术的劣势不仅在于经济卜，还在于技术上。 生物技术可使生物体不断生长，膜技术则没有这种能力。因此，无论是除磷还是 回收磷，膜技术只适用于特定的化合物，特定的污水，这是膜技术除磷( 回收磷) 难以克服的应用上的障碍。因此，膜技术在大多数除磷的领域，都要与生物法结 合，以获得更高的经济效益【2 2 】。 5 水生物法水生物法是利用生物吸收氮、磷元素进行代谢这自然过程 去除水体中的营养物质的方法。国内外常采用藻类等水生植物除去富营养化水体 中的氮磷。因为藻类能在富营养化水体中大量地生长、繁殖，吸收水体中的营养 成份，若能有效地控制其生长、繁殖，就可以得到较好的去氮除磷的效果。我国 研究人员对水网藻、刚毛藻等藻类采用筛绢制成的网袋进行了中间试验，试验结 4 果表明，水网藻在富营养化水体及污水一级一二级处理出水中的氮、磷浓度条件 下，对氮、磷均有较强的去除功能，5 日内磷的最大去除率为9 1 。刚毛藻与水 网藻一样，对水质也有良好的净化效果掉绷。此外，国内外还有不少学者研 究了采用水域浮床无土种植法，种植水稻等水栽生物，通过生物的吸收吸附作用， 去除水体中的氮、磷元素，以实现变废为宝、净化水质的日的，并使水体产生良 性循环 2 6 2 7 , 2 8 , 2 9 。 水生生物法的最大缺点是具有局限性，对水质环境要求比较苛刻。因此，水 生物法只能与其它方法相结合使用，才能达到最佳的除磷效果。 6 化学沉淀法化学沉淀法是指用试剂与污水中的磷反应，分散颗粒由于 相互作用结合成聚集体而增大，生成化学沉淀，达到除磷目的的方法。 近几年，化学沉淀法得了进一步发展。f y t i a n o s 研究了使用三价铁模拟去除 水和废水中的磷，并建立了化学沉淀法除磷的模型3 0 。铁盐是常用的除磷试剂， 除了经常利用f e c l 3 6 h 2 0 之外，f e s 0 4 7 h 2 0 也是很好的除磷试剂，有中试研 究表明，使用f e s 0 4 7 h 2 0 ，其运行成本可以满足实际应用，废水中的磷的排放 量可以完全符合e c ( 欧洲共同体) 的限值要求口1 舶 。 自然环境中，有许多含磷物质，如何以磷制磷，也是化学沉淀法除磷中一项 有意义的工作。c l a r k t 在1 9 9 7 年发表了利用鸟粪石( m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0 ) 回收 磷盐的方法，其原理是利用鸟粪石结晶过程使磷结晶去除洗流床反应器( f b r ) 中 厌氧消化污泥上清液中的磷盐 ，另有研究采用的是种直接使用的缓效肥料磷 酸镁氨( m a p ) 3 4 。这两项研究的特点都是以存在的磷化物为晶种，利用废水中的 磷盐使晶种生长，最终达到除磷的效果。 化学沉淀法的最大缺陷就是引入了新的化合物，而且该法的试剂消耗量大， 运行费用高产生大量易造成二次污染的化学污泥。虽然有的方法可做到以磷除 磷，但这些方法都有局限性。在当今世界各国普遍强调水环境应大规模控磷的情 况f ，化学沉淀法很难满足实际应用的需要。 1 3 污水的微生物法除磷 1 3 1 生物除磷的机制 生物除磷就是利用聚磷菌一类的微生物，过量地、超出其生理需要地从外部 环境摄取磷，并将其以聚合的形态贮藏在菌体内，形成高磷污泥，排出系统，从 而实现生物除磷的目的。其基本过程是： 1 聚磷菌的厌氧放磷在厌氧条件。卜，聚磷菌水解菌体内的聚磷为正磷酸 盐( p 0 4 3 。) 释放到胞外，从中获取能量，以吸收污水中易降解的c o d 如挥发性脂 肪酸( v f a ) 至j j 胞内，合成贮藏物聚b 一羟基丁酸盐( p h b ) 等贮于胞内。 2 聚磷菌好氧过量摄取磷在好氧条件下，聚磷菌营有氧呼吸，氧化分解 其体内储存的p h b ，产生的能量为a d p ( - - 磷酸腺菅) 所获得，并结合h 3 p 0 4 合成a t p ( 三磷酸腺苷) ，即： a d p + h 3 p 0 4 + 能量卜a t p 十h 2 0 大部分h 3 p o 。是通过主动输送的方式从外部将环境中摄入的，一部分用于合 成a t p ，另一部分则用于合成聚磷酸盐。这种现象就是“磷的过量摄取”。 这样，聚磷菌具有在厌氧条件下释放h 3 p 0 4 ，而在好氧条件下又过量摄取 h 3 p 0 4 的功能，生物除磷就是利用聚磷菌这一生化特性而实现。 1 3 2 聚磷细菌p a o s ( 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 ) 1 不动杆菌一莫拉氏菌群f u h s 等以过量除磷污水厂的污泥做试验对象， 用美兰对污泥作染粒染色，发现在一类细胞大小和形状很易识别的细菌中富含异 染粒( 聚磷颗粒) 3 5 1 。这些菌经鉴定为不动杆菌，它们在污泥内可形成微菌落，借 助某些荚膜类物质粘在一起。此外，d e i n e m a 、b u c h a n 和c l o e t e 等也在污泥中发 现并分离出不动杆菌阢3 7 ，38 1 。1 9 8 5 年，m m e g a n c k 等人的结果表明，除磷污泥中 有不动杆菌一莫拉氏菌群的细菌3 9 】。 2 其它聚磷细菌c l o e t e 等对南非的去磷污泥做了试验，发现不动杆菌不 是污泥中唯一的聚磷细菌，因为他们测定了污泥中不动杆菌的数量和它们的含磷 量，表明不动杆菌仅除去系统中5 1 6 的磷【3 。 m e g a n c k 、b r o d i s c h 分别报道了在复杂的污泥微生物区系中，不动杆菌仅是 有聚磷能力的菌种之一，其他的聚磷细菌有气单胞菌、假单胞菌、微丝菌和诺卡 氏菌等 3 9 , 4 0 】。 1 3 3 生物除磷工艺 生物除磷工艺有多种，如a o 工艺、a 2 o 工艺、改良氧化沟工艺、u c t 工 艺、s b r 工艺、等。下面简单介绍a d o 工艺、a 2 o 工艺、u c t 工艺、s b r 工艺。 1 a o ( 厌氧好氧) 工艺该工艺有以下优缺点： 优点：工艺简单，a 段置于。段前，有利于抑制丝状菌生长，防治污泥膨 胀，且减轻0 段负荷：停留时间短，泥龄也较短；剩余污泥含磷高，有利于污 泥的综合利用；投资、运行费用低。 缺点：二沉池有磷释放，所以在污水除磷过程中，一般除磷效率只达到7 5 ，出水含磷在l m g l 左右，效率难以再提高。 污水 ( f i g 1 1f l o w o f a ot e c h l e t i c so f p h o s p h o r u sr e m o v a l ) 水 2a 2 o ( 厌氧缺氧好氧) 工艺a 2 o 工艺是在a o 工艺的基础上，增设一 个缺氧区，并使好氧区的混合液回流至缺氧区，这样就使厌氧、缺氧、好氧三种 不同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。 3 u c t 工艺a d o 、a 2 o 工艺中污泥都直接回流到厌氧区。由于二沉池紧 接在好氧池后，回流污泥中有较高的n 0 3 - 进入厌氧区会发生反硝化作用，消耗 可被聚磷菌所利用的易降解有机基质，从而影响厌氧区聚磷菌菌体内p h b ( 聚一 b 羟基丁酸盐) 的合成，降低整个系统的除磷效率。 南非的c a p e t o w n 大学开发的u c t 工艺( 见图1 2 ) 把污泥回流到缺氧区， 克服了这一缺点，以维持较好的除磷效果。 混合液回流混合液回流 污水 图1 2u c t 除磷工艺流程图 ( f i g 1 - 2f l o w o fu c tt e c h l e t i c so f p h o s p h o r u sr e m o v a l ) 出水 4 序批式间歇活性污泥法( s b r 工艺) 序批式间歇活性污泥法( s e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o r ) 是近年来开发的活性污泥法新工艺，它的整个处理过程实际上 是在一个反应器内进行的。该工艺通过程序化自动控制充水、反应、沉淀、排水 排泥和闲置五个阶段，实现对废水的生化处理。s b r 工艺在时间控制上比较灵活， 在处理废水时，碳氧化、硝化及反硝化脱氮、除磷可同时完成，因而是一种很有 前途的生物除磷工艺。 1 3 4 生物除磷的主要影响因素 影响生物除磷的因素有很多，其中主要有c o d p 的比值、d o 浓度和n 0 3 一n 浓度。 生物除磷要求c o d p 的比值大于3 0 ，系统才能有效工作，磷的去除率随 c o d p 的比值上升而上升。s i e b r i t z 的试验表明，磷的去除与污水中快速降解的 c o d 浓度密切相关【4 “。 溶解氧浓度对生物除磷影响很大。厌氧放磷过程必须保持严格的厌氧状态 f d o o 2 m g l ) ，一旦有氧，兼性厌氧菌就不会诱导放磷；而好氧区则应保持定 浓度的溶解氧，使聚磷菌能利用好氧代谢氧化磷酸化释放出的大量能量充分吸收 磷。根据工程实践经验，好氧池出水端d o 值为1 5 2 0 m g p l 时除磷效果较好。 n 0 3 - 的存在也会影响厌氧池放磷，其影响有两个方面：一是产酸菌可利用 n 0 3 - 为最终电子受体氧化有机物而抑制厌氧发酵和产牛挥发性脂肪酸；二是反硝 化菌可利用进行n 0 3 - 进行反硝化，与聚磷菌竞争易降解的有机基质，而前者的 竞争能力远大于后者，因此抑制和破坏了磷的释放。只有当厌氧池中的n 0 3 - - n 浓度降低到2 m g n 以下时，厌氧放磷才能正常进行m 1 。 此外，温度、p h 、泥龄等也是生物除磷的重要影响因素。 1 3 5 反硝化除磷技术 传统脱氮除磷理论认为，生物脱氮和除磷，是由不同微生物参与的生化过程。 生物脱氮需经过硝化菌的好氧硝化，反硝化菌的厌氧反硝化来协同完成；而除磷 过程是由聚磷菌的厌氧放磷、好氧超量吸磷，最终排放富磷污泥来实现；且二者 有矛盾之处，即厌氧区反硝化会消耗一部分可被聚磷菌所利用的易降解有机基 质，从而影响聚磷菌的厌氧放磷及p h b 的合成，最终降低除磷效率。但最近的 研究表明，至少存在一部分聚磷菌可以在缺氧条件下利用硝酸盐作为电子受体氧 化菌体内的p h b ，在反硝化脱氮的同时进行超量吸磷，这一类微生物称为反硝 化聚磷菌( d n p a o s ) 。反硝化聚磷菌被证实具有和好氧聚磷菌极为相似的代谢特 征。k u b a 等从动力学性质上对这两类聚磷菌进行了比较，认为以硝酸盐作为 电子受体的反硝化聚磷菌有着和以氧气作为电子受体的好氧聚磷菌同样高的强 化生物除磷性能】。因为反硝化聚磷菌可在缺氧环境吸磷，这就使得吸磷和反 硝化( 脱氮) 这两个生物化学过程借助同一种细菌在同一种环境下一并完成，其结 果，吸磷和脱氮过程的结合不仅节省了对碳源的需要，而且吸磷在缺氧内完成可 节省因曝气所消耗的电能【4 5 。 可以说，反硝化除磷技术开辟了生物脱氮除磷理论新领域，且符合目前所倡 导的可持续除磷脱氮技术的概念m 1 ，所以，一经出现，就成为污水处理技术领域 研究的热点。 1 3 6 化学强化生物除磷 作为一种经济有效的除磷技术，生物法除磷己被广一泛采用，但在一些对出水 总磷控制严格的地区( 如水源保护区、水库和湖泊的上游) 往往要求废水处理厂 的出水磷浓度低于0 s m g l 。一般的废水生物处理工艺难以达到这4 要求，因此 将化学法作为生物除磷的补充，使两者有机结合，就形成一种有效的除磷工艺。 化学法与生物法结合的除磷工艺，加药点一般选择二沉池前，这样耗药量及 化学污泥量小，但化学法的应用，使出水中增加了新的化学物质，而且运行成本 较高。 1 4 生物技术的电场强化 随着有关研究的不断深入，发现彼此似乎无关的电场技术与生物工程技术之 间却有着紧密的联系，这动向不仅开拓了电场技术的新领域，也为生物：i ：程技 术提供了新的研究方向。电生物效应已涉及到种子萌发、幼苗生长、作物增产、 果蔬保鲜和食品消毒等领域；对其作用机制的研究也由宏观开始向微观发展，由 植物器官水平向细胞甚至分子水平转移。这一发展趋势必然使电场作用机制更清 楚，并为电场技术拓展应用领域提供更翔实的理论依据【4 ”。 关于电场技术对细胞增殖的影响国内外均有一定的研究。研究资料表明：电 场能够缩短细胞有丝分裂周期，提高细胞分裂速度，从而促进生物体的生长速度。 对植物细胞而言，正常生长的生物体内部都有一股小而恒定的电流，它影响着植 物的生长与演变。被分离出来的原生质体化的细胞表面常带有负电荷，当利用外 加电场在给植物细胞一个适当的直流电流，便可影响细胞的繁殖，外加电场若使 细胞带上正电荷则会中和原有的负电荷，对细胞的繁殖有一定抑制作用；外加电 场若使细胞带上负电荷，则会加强细胞表面固有的负电荷，从而加速细胞的繁殖。 对动物细胞而言，清华大学在低频低压交变电场中，探讨了成骨细胞的增殖机理。 人们将电场促使细胞增殖这一机理广泛应用于医疗保健，在骨伤治疗、牙齿整形、 软组织损伤恢复方面，取得了意想不到的疗效【4 8 4 9 l 】。 但是，电场对微生物细胞的作用机理的研究较少，大部分集中在高压静电场 对微生物的影响上瞪o l 。一般认为高压静电对微生物有促进其生长而后又加速其死 亡的双重性作用。低压的电场对微生物细胞的影响，直接反映在细胞物理、化学、 电化学等特性变化上，同细胞的繁殖、生长、衰老、变异等有关。有研究表明： 应用小幅值交变电场( e l o m v c m ) 可以影响细胞的代谢过程、细胞的基因表达、 细胞增殖、酶活力、膜转移和细胞膜的通透性，影响细胞内的自由基反应和生物 高分子的合成。酵母菌在低频电场( e 。、 t 汪ii = i l - - i -i 1 023456 反应时间( h ) 图3 1 典型运行周期内液相总磷浓度变化曲线图 ( f i g 3 - 1p e r i o d i cc h a n g e c u r v eo ft o t a lp h o s p h o r u si nl i q u i dp h a s e ) 从图3 - 1 中可以看出，在进水后的厌氧阶段，髓反应器中液相总磷浓度迅速 提高，在厌氧末段达到最大值。而进入好氧段后，聚磷菌快速吸磷使水中总磷浓 度迅速f 降，尤其在曝气反应段前1 h ，聚磷菌吸磷速率最快，据测算，两反应 系统该时段吸磷量分别为整个好氧段吸磷量的7 0 和6 0 。随后的好氧反应段 总磷浓度缓慢下降，且在缺氧阶段略有上升，原因可能是经过长达3 h 的好氧反 应后，污水中的有机基质已消耗殆尽。聚磷菌无法从基质中获得充足的外源营养 基质，只能分解其在好氧段吸收储存在体内聚磷酸盐，以获得维持其基础代谢所 需的能量，从而导致磷的无效释放所致。 对比两条曲线，发现电场强化反应系统厌氧段的有效释磷速率比普通反应系 统要快，臣释磷量要高。计算表明，电场强化反应器整个厌氧段的释磷量达 5 8 m g l ，比对照组普通生物反应器高2 4 7 ，可见，微弱电场激发了聚磷菌有关 蛋白酶的活性，提高了聚磷酸盐的水解反应及释磷速率，从而可获得更充足的能 量以吸收更多厌氧段大分子有机物的水解产物挥发酸，同化合成为p h b ( 聚一 b 一羟基丁酸盐) ，而进入好氧段聚磷菌体内p h b 是否充足是决定好氧吸磷速率 快慢及整个生物系统除磷效率高低的关键。 图3 1 还显示，电场强化反应系统厌氧段充分有效释磷后，进入好氧反应段 时，虽已无电场的强化作用，但仍呈现出比普通生物反应器更快的吸磷速率和更 强的吸磷能力，可见，厌氧段有效释磷越充分、彻底，好氧段吸磷速率越快，出 水的总磷浓度越低，整个系统除磷效果也就越好。本研究表明，在无无效释磷的 条件下，厌氧段每多放磷l m g ，则好氧段多吸磷1 4 3 m g 。磷的厌氧充分有效释 放是磷的好氧快速吸收和高效除磷的前提条件。厌氧段电场强化正是通过促进磷 的充分有效释放和p h b 的快速合成，来提高、稳定除磷效果。 3 3 好氧段电场强化下生物除磷规律研究 3 3 1 好氧段微生物的微电流驯化 在试验的第二阶段，着重研究好氧段电场强化下生物除磷规律。对其中一反 应器( 1 # 反应器) 在运行周期的好氧反应段实施微电流驯化( 电流强度2 0 m a ， 电流密度o 0 4 m a c m 2 ) ，驯化一周后可进入好氧段电流强化运行阶段。 3 3 2 典型周期内液相总磷变化情况 待两反应器运行稳定后，分别测定两反应器运行周期内液相的总磷浓度变化 情况，绘制典型周期内液相总磷浓度交化衄线图( 图3 2 ) ，、1 0 叠8 型6 蠖 蓬4 凳2 艇0 十好氧段电场强化反应器 ( i = 0 0 4 m a c m 2 ) 滞通反麻器 ! y 厌氧段 i i 好氧段缺氧段 。 、弋：罡： ) - 0 ( 1 1 i i 1 023456 反应时间( h ) 图3 2 典型运行周期内液相总磷浓度变化曲线图 ( f i g 3 - 2p e r i o d i cc h a n g e c u r v eo ft o t a lp h o s p h o r u si nl i q u i dp h a s e ) 图3 - 2 显示：在进水后的厌氧阶段，1 # 和2 # 反应器液相总磷浓度逐渐提升， 厌氧反应段放磷速率分别为1 19 m g p ( g m l s s h ) 和1 2 2 m g p ( g m l s s h ) ，相差无 几，但是进入好氧反应段后，两反应器的吸磷速率却产生了明显差异。据测算， 好氧段电场强化反应器吸磷速率高达1 4 1 m g p ( g m l s s h ) ，比对照组普通反应器 的1 3 0 m g p ( g m l s s h ) 高出8 4 6 ，这表明，电场强化反应体系中聚磷菌菌体内 有关蛋白酶的活性被激发，促使p f i b 的充分、快速氧化分解，从而能产生更多 的能量和动力去同化、吸收基质中的磷酸盐，体现出更强的吸磷能力和更好的除 磷效果。好氧段电场强化正是通过促使p h b 的充分、快速氧化分解，来加快吸 磷速率，提高除磷效果。 3 4 电流密度对污染物去除率的影响 为研究电流密度对污染物( 有机物、总磷) 去除率的影响，本节对比研究了 不同反应段( 厌氧段、好氧段) 施加