（模式识别与智能系统专业论文）污水生物处理系统内源特征实验与模拟研究.pdf

北京建筑工程学院硕士学位论文 封面 泄未耋囊；镀普侥 污水 学位论文 分类号 t u 9 9 生物处理系统内源特征实验与模拟研究 e x p e r i m e n t a la n d s i m u l a t i o ns t u d yo ne n d o g e n o u s c h a r a c t e r i s t i c si nb i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n ts y s t e m s ( b w t s s ) 王放林 申请学位级别王堂亟 专业名称 直照：e 程 论文提交日期 2 q ! q 生墨耳 论文答辩日期2 q ! q 生鱼目 学位授予单位和日期j 匕塞建筑= e 程堂瞳2 q ! q 生月 2 0 1 0 年6 月 北京建筑工程学 学位论文作者签字：乏废林 日期：m j o 名月2 7 日 死亡引起的数量衰减在两个系统中分别占细胞总衰减的4 2 ( b n r ) 和2 0 ( s b r ) ， 而由细胞活性降低引起的活性衰减分别占细胞总衰减的5 8 ( b n r ) 和8 0 ( s b r ) 。g a o s 富集s b r 系统中g a o s 衰减速率和死亡速率分别为0 1 3 2d 1 和0 0 3 4d 1 ，其数量衰减和 活性衰减占其细胞总衰减比例分别为2 6 和7 4 。 其次，在活性污泥2 d 模型( a s m 2 d ) 基础上，将该模型中细菌衰减系数区分为3 部分：1 ) 高等微生物捕食引起的衰减；2 ) 病毒感染引起的衰减；3 ) 其它因素引起的 衰减。借助于升级后的a s m 2 d 模型和模拟软件a q u a s i m ，主要对高等微生物捕食和 病毒感染在一p a o s 富集s b r 系统中的影响进行工况模拟实验。模拟结果显示，高等微 生物捕食可以使剩余污泥量减少约1 7 ，病毒感染可以使剩余污泥量减少约6 。 关键词：污水生物处理；内源过程；细胞衰减；细胞死亡；活性衰减；高等微生物捕食； 病毒感染 北京建筑工程学院硕士学位论文摘要 a b s t r a c t e n d o g e n o u sp r o c e s s e si nb i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n ts y s t e m s ( b w t s s ) r e f e rt o c o m b i n a t i o n so fb i o l o g i c a la n de c o l o g i c a lm e c h a n i s m sa n dp r o c e s s e s ，w h i c hh a v es i g n i f i c a n t i n f l u e n c e so np r o c e s sp e r f o r m a n c ea n de x c e s ss l u d g ep r o d u c t i o no fb w t s s h o w e v e r , t h e c u r r e n tk n o w l e d g ea b o u te n d o g e n o u sp r o c e s s e si sv e r yl i m i t e d w i t ht h i sd i s s e r t a t i o n , f u n d a m e n t a l e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o ns t u d yo nc e l ld e c a y c h a r a c t e r i s t i c s ，p r e d a t i o na n dv i 谢i n f e c t i o nw e r ep e r f o r m e d t h ea e r o b i cd e c a yc h a r a c t e r i s t i c so fp o l y 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 m s ( p a o s ) i na b i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a l ( b n r ) s y s t e ma n da ne n r i c h e dp a o ss e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( s b r )s y s t e m w e r e f i r s t l yi n v e s t i g a t e d t h e a e r o b i c d e c a y c h a r a c t e r i s t i c so f g l y c o g e n - a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ( g a o s ) i na ne n r i c h e dg a o - s b rs y s t e mw e r ea l s o a s s e s s e dt h e r e a f t e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h ed e c a yr a t e so fp a o si nt h eb n r a n de n r i c h e dp a o - s b rs y s t e m sw e r eo 113d 1a n do 181d - 1 r e s p e c t i v e l y , a n dt h ed e a t hr a t e s w e r e0 0 4 8d - 1a n d0 0 3 6d i na d d i t i o n , t h er e s u l t sa l s od e m o n s t r a t e dt h a tc e l ld e a t h c o n t r i b u t e d4 2 a n d2 0 ，r e s p e c t i v e l y , t ot h ec e l ld e c a yi nt h eb n ra n de n r i c h e dp a o s b r s y s t e m s i no t h e rw o r d s ，t h ea c t i v i t yd e c a ya c c o u n t e df o r58 a n d8 0 o ft h et o t a lc e l ld e c a y a l s o ，t h ed e c a yr a t ea n dd e a t hr a t eo fg a o sw e r ed e t e r m i n e da t0 1 3 2d - 1a n d0 0 3 4d ， r e s p e c t i v e l y b yc a l c u l a t i o n s ，i tw a sf o u n dt h a tc e l ld e a t ho n l ym a d eu p2 6 o ft h et o t a lc e l l d a c a y , a n da c t i v i t yd e c a yc o n s t i t u t e dab i gp r o p o r t i o no f7 4 o ft h ec e l ld e c a yo fg a o s b e s i d e s ，d e c a yc o e f f i c i e n t si na c t i v a t e ds l u d g e2 dm o d e l ( a s m 2 d ) w e r ed i v i d e di n t ot h r e e p a r t s ：d e c a yc a u s e db yp r e d a t i o n , d e c a yc a u s e db yv i r a li n f e c t i o na n dd e c a yc a u s e db yo t h e r f a c t o r s t h ee f f e c t so fp r e d a t i o na n dv i r a li n f e c t i o no nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n r i c h e d p a o - s b rs y s t e mw e r et h e ne v a l u a t e do nt h eb a s i so fu p d a t e da s m 2 da n dm o d e l i n g t o o l - a q u a s i m s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a te x c e s ss l u d g ew a sr e d u c e db y17 d u et o p r e d a t i o n ，a n db y6 o w i n gt ov i r a li n f e c t i o n k e y w o r d s ：b i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ；e n d o g e n o u sp r o c e s s e s ；c e l ld e c a y ；c e l ld e a t h ； a c t i v i t yd e c a y ；p r e d a t i o n ；v i r a li n f e c t i o n v 北京建筑工程学院硕士学位论文 目录 1 概论 目录 1 1 1 课题研究背景1 1 2 污水生物处理系统内源过程研究现状一1 1 3 衰减速率2 1 4 捕食3 1 5 病毒感染一4 1 6 衰减系数在数学模型中的描述4 1 7 课题研究内容及目的5 1 8 论文梗概5 2 实验材料与方法 2 1 实验概述6 2 2b n r 系统6 2 3p a o s 富集s b r 系统7 2 4g a o s 富集s b r 系统一9 2 5 衰减实验和衰减速率测定9 2 6 分析方法11 2 7 荧光原位杂交( f i s h ) 实验1 1 2 7 1 探针1l 2 7 2 实验所用试剂配制1 3 2 7 3 实验过程1 4 2 7 4 观察16 2 7 5 数据分析16 2 8l i v e d e a d 细胞染色技术1 6 3 聚磷菌富集实验及其衰减特征探究。 1 7 3 1p a o s 富集s b r 系统稳态运行1 7 3 2p a o s 衰减速率18 3 3f i s h 实验结果1 9 北京建筑工程学院硕士学位论文 3 4l i v e d e a d 实验结果 3 5p a o s 数量衰减与活性衰减对比分析 3 6 j 、结一 4 聚糖原菌富集实验及其衰减特征探究 4 1g a o s 富集s b r 系统稳态运行一 4 2g a o s 衰减速率 4 3f i s h 实验结果 4 4l i v e d e a d 实验结果一 4 5g a o s 数量衰减与活性衰减对比分析 4 6d 、结 5 数学模拟研究评价活性污泥系统内源过程研究 5 1 引言3 2 5 2 材料和方法3 3 5 2 1p a o s 富集s b r 系统3 3 5 2 2 数学模拟工具a q u a s i m 3 3 5 2 3 模型基础3 4 5 2 4s b r 反应器模拟3 4 5 2 5 模型化学计量系数矩阵、速率表达式和化学计量系数定义及取值3 5 5 2 6 模型校正与验证：4 5 5 2 7l i v e d e a d 细胞染色技术4 5 5 2 8f i s h 4 5 5 2 9 分析方法4 5 5 3 结果与讨论4 5 5 3 1 模型校正。4 5 5 3 2 模型验证4 6 5 3 3 捕食作用模拟预测4 8 5 3 4 病毒感染作用模拟预测。5 0 5 3 5s r t 对系统的影响5 2 5 3 6 进水c o d 浓度对系统的影响5 4 北京建筑工程学院硕士学位论文 目录 5 4d 、结5 6 6 结论与建议5 7 6 1 结论5 7 6 2 建议5 8 参考文献 i i ! i 谢 9 付j 5 ： 6 0 6 7 6 8 北京建筑工程学院硕士学位论文概论 1 概论 1 1 课题研究背景 目前，由于人们对清洁水源日益增长的需求，使得污水生物处理系统( b w t s s ) 不 仅在荷兰这样的发达国家，而且在中国这样的发展中国家也得到了广泛应用。b w t s s 由于具有b o d c o d 、氮( n ) 和磷( p ) 去除率高，运行成本较低等众多优点，已成为 水污染控制的主要手段。尽管研究人员在最近几十年已经对b w t s s 进行了大量研究， 但b w t s s 在工艺设计及运行等方面尚存在某些缺陷，如，剩余污泥量大、出水水质不 稳定等。以2 0 0 7 年为例，全国干污泥产量约为92 7 9 4t d 1 【1 1 ，折合含水率为8 0 的湿 污泥后高达4 63 9 7t - d 。目前，剩余污泥的处理、处置费用已占污水处理厂总运行费用 的4 0 - 6 0 2 1 。此外，强化生物除磷系统( e b p r ) 中聚磷菌( p a o s ) 胞内聚合物过分 代谢或系统中聚糖原菌( g a o s ) 过度滋生经常引起除磷效果恶化、甚至崩溃【3 娟】。造成 这些问题的主要原因在于对b w t s s 中微生物内源过程的认识不足，所以，非常有必要 对内源过程中模糊认识部分展开基础性研究。 1 2 污水生物处理系统内源过程研究现状 在b w t s s 中，细菌是微生物生态群落的核心，对系统稳定运行起着至关重要的作 用。b w t s s 的细菌主要有以下五类：氨氧化细菌( a o b ) ；亚硝酸盐氧化细菌( n o b ) ；常 规异养菌( o h o s ) ；聚磷菌( p a o s ) ；聚糖原菌( g a o s ) 。此外，b w t s s 中还存在着 相当数量的高等微生物( 原生动物和后生动物) 和病毒，它们共同组成了b w t s s 的微 生物群落。所谓内源过程，实际是指细菌内部的代谢过程以及细菌之间、细菌同高等微 生物、病毒间的相互作用过程，包括内源呼吸、细胞维持、死亡再生( 即，隐性生长) 、 以及由于高等微生物捕食、病毒感染和其它因素( 如饥饿、毒性物质和自身衰亡等) 所 造成的细胞衰减等 9 - 1 3 1 。内源过程可分为细胞水平和群落水平，这两水平间的相互作用 及内源过程详细描述可用下图来表示： 郝晓地等人 9 ，1 4 】已对内源过程研究现状进行了综述和总结，本章在郝晓地等人文献 研究成果基础之上，主要对内源过程中与出水水质和污泥减量密切相关的衰减速率、高 等微生物捕食和病毒感染等方面的研究现状及存在的不足进行分析总结。郝晓地等人【9 】 总结的污水生物处理系统中的内源过程如图1 1 所示。 北京建筑工程学院硕士学位论文 内源过程 图1 1 污水生物处理系统中的内源过程f 9 1 f i g 1 一lc o n c e p t u a li l l u s t r a t i o no fe n d o g e n o u sp r o c e s s e si nb w t s s 1 3 衰减速率 细胞衰减作为微生物内源过程的一个重要组成部分，由于其具有与系统中生物量多 寡直接相关的特点，日益受到人们的关注。所谓细胞衰减，是指那些能够引起生物体总 量减少或导致生物体活性降低的过程，可分为由细胞死亡引起的数量衰减和由细胞活性 降低引起的活性衰减两部分1 9 ，1 3 ，”一6 1 。细胞衰减对系统稳定性以及总处理能力有着重要 影响，近年来，随着生物营养物去除( b n r ) 工艺的应用，对细菌衰减速率的测定，特 别是对与营养物去除密切相关的硝化细菌( a o b 和n o b ) 和p a o s 衰减速率的测定，越 来越受到专家学者的重视。此外，由于g a o s 能与p a o s 在厌氧条件下争夺有机底物，继 而影响p a o s 的好氧缺氧吸磷过程【5 8 】。所以，除磷系统中g a o s 的存在可能导致除磷效 果恶化、甚至崩溃，故，对g a o s 衰减速率的测定也十分重要。 通常，衰减速率是依据饥饿状态下污泥氧气吸收速率( o u r ) 的变化来确定【1 7 ，1 8 】， 但此方法存在一个缺陷，即，不能消除o h o s 对测定结果的影响。由于底物消耗速率方 2 北京建筑工程学院硕士学位论文概论 法可以克服上述缺陷，所以，近年来底物消耗速率常被用来确定，如，p a o s 等衰减速 率【1 1 1 9 1 。 目前，硝化细菌的衰减速率测定方法已趋于成熟，并且已有许多研究人员对硝化细 菌的衰减速率做过测定。例如，s a j e m 等人【2 0 1 研究发现，n o b 衰减速率和a o b 衰减速率 基本相同，其在好氧、缺氧和厌氧条件下( 3 0 、p h = 7 5 ) 的衰减速率分别为o 2d 1 、 o 1d 。1 和0 0 6d - 1 。m a n s e r 等人【1 5 】也发现a o b 和n o b 的衰减速率基本相同，。只是所得数值 和s a l e m 等人所测数值略有差异，这可能是由于污泥来源不同所致。然而，这一结论却 与m o r g e 肿础等人【2 1 】的研究结果不尽相同，m o r g e m o t h 等人采用荧光原位杂交技术 ( f i s h ) 发现n o b 的衰减速率要略大于a o b 的衰减速率。郝晓地等人【16 】也在好氧条件 下研究了a o b 和n o b 的衰减特征，得出a o b 和n o b 的衰减速率分别为0 1 4 4d - i 和0 3 0 6 d o ( 3 0o c ，污泥龄( s r t ) = 1 0d ) ，同时得出a o b 和n o b 由细胞死亡引起的衰减分别约 占其细胞总衰减的5 3 和1 8 ，而活性降低引起的衰减分别占其总衰减的4 7 和8 2 ， 这是第一次对a o b 和n o b 活性衰减和死亡衰减在细胞总衰减中的比例加以测定。 o h o s 衰减速率也有许多研究人员做过测定，如，m a n s e r 钡, 1 得o h o s 在传统活性污泥 工艺和膜生物反应器( m b r ) 中的衰减速率分别为0 2 8d - i 和0 2 3d 1 【15 1 。郝晓地等人【1 6 】在7 d 好氧饥饿条件下测得o h o s 的衰减速率为0 2 0 9d ，与a o b 和n o b 的研究方法类似，郝 晓地等人【1 6 】也得出o h o s 由细胞死亡引起的衰减和由活性降低引起的衰减分别占其总衰 减的2 2 和7 8 。 相对于a o b 、n o b 和o h o s 而言，目前对p a o s 衰减速率仍然研究较少，认识十分有 限。虽然l o p e z 等人【1 在好氧环境下测定了p a o s 的衰减速率( o 1 5d - i ) ，但他们忽略了 p a o s 细胞死亡作用。l u 等人【1 9 】发现p a o s 在好氧、缺氧和厌氧条件下的衰减速率分别为 0 0 3d 1 、0 0 0 3d - i 和0 0 0 6d ，但他们并未对p a o s 数量衰减与活性衰减对其总衰减的贡 献进行评价。 而对g a o s 而言，虽然许多研究人员已经通过数学模型校正方法得到了其衰减速率 校正值【2 2 埘】，但是，由于缺乏适当方法，目前几乎还没有研究人员对其进行过实验测定。 1 4 捕食 在b w t s s 中还存在着相当数量的高等微生物( 原生动物和后生动物) ，它们对细菌 的捕食会导致系统剩余污泥量减少，但目前人们对捕食机理及其影响因素仍知之甚少， 这主要是由于目前鲜有有效的高等微生物活性测定方法。在b w t s s 中，测定高等微生 北京建筑工程学院硕士学位论文 物活性的主流方法是向污泥中加入高等微生物抑制剂 2 0 , 2 5 】，此时由于高 制，污泥o u r 必定降低，降低的o u r 就被认为是高等微生物活性，但 能也会影响到细菌的活性，所以，其测定结果准确性有待商榷。 l i a n g 等人f 2 6 】采用向泥样中添加纯种高等微生物的方法来测定高等微生物活性。然 而，实验所添加的高等微生物主要是后生动物，故，并不能反映出b w t s s 的实际情况。 近年来，郝晓地等人【2 7 1 利用机械破碎预处理及o u r 成功对北京某些大型污水处理厂中 高等微生物活性进行了测定，该预处理方法由于具有不影响细菌活性等众多优点，可能 是目前仅有的能准确测定高等微生物活性的手段。 此外，虽然目前利用高等微生物进行污泥减量的方法越来越受到人们的重视，但人 们对于捕食对剩余污泥减量作用的大小，仍没有一个明确的概念。而且，当高等微生物 捕食作用太大时也会影响到系统正常运行，l e e 等人【2 8 】和g h y o o t 等人【2 9 】就曾发现高等 微生物对硝化细菌的过度捕食会导致b w t s s 脱氮能力恶化、甚至崩溃。所以，如何控 制捕食作用使系统达到最佳运行工况，即，使出水达标的前提下，剩余污泥量最少是当 今亟待解决的一个问题。 1 5 病毒感染 b w t s s 中存在着一定数量的病毒，由于病毒感染会促使细菌失活、甚至死亡，所以， b w t s s 中病毒感染的问题是我们不得不面临的一个重要问题。l e e 等人【3 0 】发现，b w t s s 中的病毒会导致其宿主菌体溶胞。o t a w a 等人【3 1 】采用荧光显微镜测得在b w t s s 中病毒 数量约为4 2 x 1 0 7 到3 0 x 1 0 9 m l 。目前，对病毒研究尚处于起步阶段，对b w t s s 中病 毒感染的作用还知之甚少，但有一点可以确定，即，病毒感染也可以使污泥减量，因此， 深入研究病毒感染对污泥减量的贡献及合理控制病毒感染作用对优化系统的运行也具 有举足轻重的意义。 1 6 衰减系数在数学模型中的描述 细菌衰减速率系数是生物处理过程模型中非常重要的一个参数，是多种内源过程综 合作用的结果，高等微生物捕食、病毒感染及其它因素( 如，毒性物质、饥饿和自身衰 亡等) 都会对细菌衰减速率造成一定影响【9 i i , 1 3 , 1 6 】。然而，在现有数学模型中，几乎对 细菌衰减认识还停留在“黑箱”水平，所以，只得将高等微生物捕食、病毒感染及其它 因素造成的总衰减笼统用一衰减系数来表示【3 2 3 5 】。由于缺乏对细菌衰减的微观认识研 究，使得我们对活性污泥系统中捕食及病毒感染等作用的理解造成了障碍。虽然m o u s s a 4 北京建筑工程学院硕士学位论文概论 等人【2 5 】通过数学模型研究了硝化系统中捕食作用，但他们未能建立适当模型来探讨系统 中病毒感染作用。由于捕食及病毒感染对污泥减量有着重要贡献，所以，对现有数学模 型中衰减系数进行深入研究，区分捕食与病毒感染在系统中的各自作用，对以降低剩余 污泥量为目的的系统最优化运行有着重要意义。 1 7 课题研究内容及目的 本课题研究内容主要分为两大部分：一、实验部分；二、数学模拟部分。 实验部分主要研究p a o s 和g a o s 的富集方法及其在好氧环境下的衰减特征，目的 在于加深对细胞衰减这一关键内源特征的认识。 数学模拟部分主要在活性污泥2 d 模型( a s m 2 d ) 基础之上建立一个包含高等微生 物捕食和病毒感染在内的升级版a s m 2 d ，并通过数学模拟研究高等微生物捕食和病毒 感染对p a o s 富集s b r 系统污泥减量之贡献，目的在于借助升级版a s m 2 d 优化系统 运行，并推动高等微生物捕食和病毒感染在b w t s s 中真实作用的相关研究及现有数学 模型的发展。 1 8 论文梗概 本论文共分6 章内容。 第l 章：对课题研究背景、内容及相关理论的简要阐述。 第2 、3 、4 章为实验部分，主要介绍了p a o s 和g a o s 的富集方法并测定了p a o s 和g a o s 的衰减速率，此外，也对其数量衰减和活性衰减对其总衰减的贡献进行了分析。 其中第3 章主要阐述了实验材料与方法，第4 、5 章主要是实验结果和分析。 第5 章为数学模拟部分，对现有a s m 2 d 模型进行了升级，将该模型中细菌的衰减 系数区分为3 部分：1 ) 高等微生物捕食引起的衰减；2 ) 病毒感染引起的衰减；3 ) 其 它因素引起的衰减，此外，添加了g a o s 的代谢过程。借助于升级后模型，研究了p a o s 富集s b r 系统中高等微生物捕食和病毒感染在系统中的作用及对污泥减量的贡献。同 时也研究了污泥龄( s r t ) 和进水c o d 对系统运行工况的影响，并确定了上述p a o s 富集系统的最佳运行工况。 第6 章：将本研究中主要结论进行总结，并对进一步研究的方向和方法提出合理化 建议。 北京建筑工程学院硕士学位论文 实验材料与方法 2 实验材料与方法 2 1 实验概述 利用厌氧一好氧序批式反应器( s b r ) 系统，通过控制进料中碳源的投加方式、 c o d ：p 比值与系统中温度，分别对p a o s 和g a o s 进行富集培养。在获得纯度较高p a o s 和g a o s 的基础上，依靠磷酸盐( p 0 4 3 - p ) 释放速率( p r r ) 测定、挥发性脂肪酸( v f a ) 吸收速率( v f a u r ) 钡u 定、荧光原位杂交技术( f i s h ) 以及l i v e d e a d 细胞染色技术， 对p a o s 富集s b r 系统中p a o s 和g a o s 富集s b r 系统中g a o s 在好氧环境下的衰减速率进 行了实验测定。与此同时，利用这一方法对实验室一小试规模b n r 系统中p a o s 的衰减 特征也进行测定。 2 2b n r 系统 p a o s 泥样来源之一为实验室- - d , 试规模b n r 系统，其工艺流程如图2 1 所示。该 b n r 系统由厌氧池、接触池、缺氧池、缺氧好氧池和好氧池5 个主要反应池组成，各 单元体积分别为4 0l 、6l 、4 0l 、1 2 0l 和1 2 0l 。这一系统处理水量为4 2 0l d ，相 应水力停留时间( h r t ) 约为1 8h 。系统s r t 被保持在3 5d ，处于2 3 2 5 室温下运行。 该系统在污泥接种( 来自北京一市政污水处理厂) 约6 0d 后达到稳态运行，此时，混合 液悬浮固体( m l s s ) 浓度为3 9 1 0 a ：4 0m g l 。系统进水为研究单位学生公寓检查井真 实污水，进水中主要组分列于表2 1 。 污水 i 一一一一 一一一 磷污泥 图2 - 1 实验室小试b n r 工艺流程 f i g 2 1s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fa l a b - s c a l eb n r p r o c e s s 6 北京建筑工程学院硕士学位论文实验材料与方法 表2 1b n r 系统主要进水组分 t a b l e2 - 1m a i ni n f l u e n tc h a r a c t e r i s t i c so f t h eb n r p r o c e s s 指标浓度r a g l _ c o d t p ( p ) t n ( n ) 3 0 0 5 5 2 2 3p a o s 富集s b r 系统 p a o s 泥样另一来源为厌氧一好氧交替工作的s b r 系统( 图2 2 ) 。s b r 反应器总体 积5l ，工作体积4 l ，工作周期6h ，每天运行4 个周期。一个运行周期分进料( 5m i n ) 、 厌氧反应( 1 2 5m i n ) 、好氧反应( 1 5 8m i n ) 、排泥( 2m i n ) 、沉淀( 6 0m i n ) 和排水( 1 0r a i n ) 6 个 阶段。在进料阶段，反应器内搅拌叶轮开始搅拌( 搅拌速度1 5 0r p m ) ；在泥水保持充分 混合状态下，2l 人工配水在计算机控制下由蠕动泵抽入反应器。厌氧环境由微生物即 时消耗水中溶解氧( d 0 ) 实现；为防止厌氧反应过程中空气进入反应器，反应器需进 行特殊密封处理。在好氧反应阶段，进气阀由计算机控制自动打开曝气，曝气量为2 l m i n - 1 。排泥阶段，每个周期约排出8 3m l 混合液，使该系统s r t 保持在1 2d 。该系 统运行时实际h r t 为1 2h 。 图2 - 2 小型s b r 系统 f i g 2 - 2l a b s c a l es b rs y s t e m 7 北京建筑工程学院硕士学位论文 p a o s 富集s b r 系统运行中所有阶段都通过水浴设备自动控温，温度被维持在 2 2 土0 5 。系统内安装有p h 和d o 电极。系统p h 被控制在7 5 士0 0 5 ；当p h 因混合液 发生反应而变化时，系统会根据电极感应信号在计算机控制下自动加入适量0 5m n a o h 和0 5m h c l ，以维持系统内基本恒定的p h 。d o 电极用于监控反应器内d o 变 化；厌氧阶段d o - 0 1m g l 一，好氧阶段d o 3m g l 。系统中以上所有这些在线检测 数据都由控制计算机记录、存档。 表2 - 2p a o s 富集s b r 系统进水组成 t a b l e2 - 2c o m p o s i t i o no ft h es y n t h e t i ci n f l u e n tf o rt h ee n r i c h e dp a o s b rs y s t e m 1 ) 宏量元素和微量元素用去离子水溶解。 p a o s 富集s b r 系统接种污泥来自于上述b n r 系统( 图2 1 ) ，实验进水采用人工配 水。因为进水中铵离子( n i - 1 4 + ) 会被氧化为亚硝酸盐( n 0 2 。) 和硝酸盐( n 0 3 ) ，并由 此可能破坏系统厌氧环境，所以，在进水中添加了硝化抑制剂( a t u ) ，以抑制硝化反 应的发生。此外，由于k 2 h p 0 4 与k h 2 p 0 4 会与c a 2 + 和m 9 2 + 发生反应，故进料必须分为 8 北京建筑工程学院硕士学位论文实验材料与方法 1l 溶液a 和1l 溶液b ，具体进水组成如表2 2 所示。其中，c o d 进水两部分投加： 浓度为8 0 0m g l ，p 进水浓度为4 0m gp l ，这就使得进水c o d ：p - - 2 0gc o d gp 一。 需要特别指出的是，进料中碳源( n a c h 3 c o o 3 h 2 0 和c h 3 c h 2 c o o h ) 以3 6d ( 3 x s i 盯) 为一个循环周期方式投加【3 6 】，即，前2 4d 为n a c h 3 c 0 0 3 h 2 0 ( 2 xs r t ) ，后1 2d 为 c h 3 c h 2 c o o h ( 1 xs r t ) ，目的是使p a o s 获得更好富集。p a o s 富集s b r 系统在污泥 接种约9 0d 后达到稳态运行。此时，m l s s 浓度为2 8 4 5 + 3 5m g l ，预示着p a o s 富集 培养完成。 2 4g a o s 富集s b r 系统 g a o s 泥样也来源于厌氧一好氧交替工作的s b r 系统，该系统组成及运行工况与 p a o s 富集s b r 系统类似。不同之处如下：此系统的温度维持在3 0 a ：0 5 ，p h 控制在 7 士o 0 5 ，以使g a o s 更好富集【3 7 1 。此外，该系统进料碳源中没有c h 3 c h 2 c o o h ，只有 n a c h 3 c o o 3 h 2 0 ，而p 的进水浓度也由4 0m gp l 以下降为8m gp - l ，因此c o d ：p 高 达10 0gc o d gp ，为g a o s 富集培养创造了第二种必要环境条件 3 8 , 3 9 1 。g a o s 富集s b r 系统在污泥接种约1 2 0d 后达到稳态运行。此时，m l s s 浓度为3 1 2 0 d ：4 0n a g l ，预示 着g a o s 富集培养成功。 2 5 衰减实验和衰减速率测定 b n r 系统达到稳态运行后，从系统好氧池中取4l 污泥于广口瓶中，广口瓶被维持 在好氧曝气状态，曝气量、温度和p h 与b n r 系统好氧池运行条件一致，使之用作一种 衰减反应器。 对于p a o s 和g a o s 富集s b r 系统，衰减实验开始后，s b r 反应器停止进料、厌 氧反应、排泥、沉淀和排水等过程，系统一直维持在好氧曝气状态，曝气量、温度和p h 也与系统原运行条件一致，使之用作另外一个衰减反应器。由于衰减反应器因蒸发会引 起水分散失，所以，衰减实验开始后每天都要分别给上述系统补充水分，以维持系统内 混合液体积相对恒定。对衰减反应器曝气约6h 后，污泥便进入内源呼吸状态，此时便 可以开始对污泥进行衰减速率测定。 p a o s 和g a o s 衰减速率测定分别依靠衰减过程中最大p r r 和最大v f a u r 变化速 率来确定，测定装置如图2 3 所示。对b n r 系统中p a o s 衰减速率测定，在衰减实验伊 始( 0d ) 、1d 、3d 、5d 和7d ，分别从衰减反应器中取出5 9 0m l 泥样，首先用清洗液 对泥样进行清洗以除去泥样中的n 0 2 - 和n 0 3 。( 因为n 0 2 - 和n 0 3 会对厌氧释磷产生影 9 图2 - 3p a o s g a o s 衰减速率测定装置 f i g 2 - 3d e v i c ef o rm e a s u r i n gt h ed e c a y r a t e so fp a o s g a o s 对b n r 系统中g a o s 衰减速率的测定而言，由于p a o s 也能在厌氧条件下吸收v f a ， 即，会对g a o s 吸收v f a 测定结果产生影响，而该系统中p a o s 含量又较高( 见第三章 3 3 节) ，因此，很难对此系统中g a o s 衰减速率进行准确测定。正因如此，实验才需要 首先获得纯度较高的g a o s 富集培养，尽可能避免富集污泥中出现p a o s 。 p a o s 和g a o s 富集s b r 系统中p a o s 和g a o s 衰减速率测定方法与b n r 系统中 p a o s 测定方法类似，不同的是p a o s 和g a o s 富集s b r 系统泥样不需经过清洗液清洗。 这是因为s b r 系统进水中含有a t u ，所以，其泥样中不会含有n 0 2 - 和n 0 3 。 根据在衰减过程中测定所得p r r 和v f a u r ，依据公式( 2 1 ) 【4 0 】和线性回归方法【1 6 】， 即可确定出p a o s 和g a o s 衰减速率。 b：一ln里上(2-i) r ot 4 1 0 北京建筑工程学院硕士学位论文实验材料与方法 式中，b - - p a o s j g a o s 衰减速率( d 1 ) ；r t 一泥样衰减后最大p r r v f a u r m gp ( l h ) 。1 】 m g ( l h ) 。1 】： 硒泥样衰减前最大p r r v f a u r m gp ( l h ) 一 m g ( l h ) 。1 】；f 广衰减时间( d ) 。 本研究所采用的衰减速率测定方法是目前国内外最常用的方法【1 1 ，1 5 , 16 ，1 9 , 2 0 , 4 1 1 。然 而，本研究中衰减速率是在细菌处于7d 饥饿状态条件下所测定的。显然，这与活性污 泥系统中细菌实际生存条件存在着一定差异，因为实际活性污泥系统中细菌一般不可能 在如此长时间内处于内源状态。所以，本研究所测定的衰减速率可能与实际活性污泥系 统中p a o s 和g a o s 原位衰减速率存在一定差异 4 2 , 4 3 】。 2 6 分析方法 m l s s 根据泥样在1 0 5o c 下烘干后的总残渣确定m ；混合液挥发性悬浮固体浓度 ( m l v s s ) 则在泥样总残渣基础上，继续用5 5 0o c 高温分解有机物后确定m ；p 0 4 3 - p 按钼锑抗分光光度法测定】：v f a 采用5 点滴定法测定【4 5 】；糖原( g l y ) 依据葸酮法测 定【4 6 】；数学分析采用s p s s 软件进行。 2 7 荧光原位杂交( f i s h ) 实验 f i s h 是一种非放射性原位杂交技术【4 7 1 ，它采用特殊荧光素标记的已知序列核酸探 针，根据碱基互补配对原则，与待测染色体或d n a 中未知的单链核酸进行特异性结合， 从而根据荧光信号可对待检测微生物进行定性与定量分析。在本实验中，f i s h 用于量 化系统中p a o s 和g a o s 的比例。 2 7 1 探针 实验所用核苷酸探针如表2 3 所示： 一姐赆三茁娶故墨h岣q o置冥1n皿q o工)xig皿衄q(姐嘿ii丑娶埝墨吼吼ooo罢一n吝oov xt吕oo(如赠三i丑娶埝墨nc80西冥一30rd峙寸o邑xi暑o厶(如骥三i丑娶埝墨一一i-8nnf1罢hi-8n蟊3咛i-8n笛fl丑)xtgf1山： 胃价一一n n 一【i n 一一i s 一 【o n 一【o n 一 【0 巴【6 王一岔主一土 g 至弋峨甍弋电恐幺至e弋黛、舀弋、甍匣苫卜 2 一u 卜h i h a13a函。u_娶盖一q qldr鬈鬟llatq 罩是毽由q是2守蔫弋飞拦遑芒翌警口 il心苦o盖奄_3d函