（模式识别与智能系统专业论文）污泥溶胞机理及对aao系统减量的研究.pdf

北京建筑工程学院硕士论文 摘要 污泥溶胞机理及对a a o 系统减量的研究 摘要：本研究通过静态试验考察生物污泥长期饥饿条件下的溶胞情况，并对污泥自然 溶胞与超声波强制溶胞分解规律进行比较。同时，通过动态研究，优化超声溶胞作用 促进a a o 系统微生物隐性生长的运行条件，使超声溶胞不仅达到污泥减量的效果， 而且确保系统出水水质达标，并尽可能降低能耗。 静态试验结果显示，在长期厌氧饥饿条件下，聚磷菌( p o l y p h o s p h a t ea c c u m u l a t i n g o r g a n i s m s ，p a o s ) 持续利用聚磷和糖原满足维持能量的需求。在长期好氧饥饿条件下， p a o s 首先利用胞内存储的p h a 供生长、吸磷和糖原合成；当p h a 消耗尽后，p a o s 开始利用胞内糖原和聚磷提供能量的需求。同时也发现，无论厌氧还是好氧条件下， 胞外聚合物( e x t r a c e l l u a r p o l y m e r s ，e p s ) 都能作为细胞的营养物质被消耗。通过对污泥 自然溶胞与超声强制溶胞好氧饥饿下分解规律的比较，为考察超声溶胞促进污泥减量 的动态试验研究打下基础。 动态试验结果显示，1 0 0 超声作用剩余污泥并回流至a a o 系统，经过长期运 行，发现出水水质稳定，产生的减量效率达到3 1 2 ；并且通过比较超声作用剩余污 泥的不同比例，表明对剩余污泥5 0 超声作用比例对系统产生的减量效果和系统出水 水质都较好；同时辅助化学除磷的手段解决超声溶胞释放的磷对系统的负荷，使系统 出水磷基本达到一级b 标准。另外，也考察了低碳源进水的a a o 系统，超声溶胞 在促进系统减量的同时能对系统起到补充碳源的作用，这为污泥溶胞技术广泛应用于 实际工程提供技术支持，并对污水处理厂节能减排技术的发展具有重要的现实意义。 关键词：污泥溶胞；隐性生长；污泥减量；超声波；a a o 系统；出水水质；化学除 磷；低碳源 北京建筑工程学院硕上论文 r e s e a r c ho nt h em e c h a n i s mo fc e l ll y s i sa n di t si m p a c to nt h e r e d u c t i o no fa 一os y s t e m a b s t r a c t ：d u r i n gt h i ss t u d y ，l a b - s c a l es t a t i ce x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t e c e l ll y s i sd u r i n gl o n g t e r ms t a r v a t i o n ，a n dt oc o m p a r en a t u r a la n du l t r a s o n i cl y s i so ft h e s l u d g ed u r i n gl o n g t e r ms t a r v a t i o n m e a n w i l e ，l a b s c a l ed y n a m i ce x p e r i m e n t sw e r es e tu p t oo p t i m i z et h es i t u a t i o no ft h eu l t r a s o n i c a t i o no na n a e r o b i c - a n o x i c o x i c ( a h o ) s y s t e m ， f o r t h ep u r p o s eo fe x c e s ss l u d g er e d u c t i o n ，a n ds t a n d a r de f f l u e n tq u a l i t y ，a n dl o w e re n e r g y s t a t i ce x p e r i m e n t sr e s u l t si n d i c a t e dt h a td u r i n ga n a e r o b i cs t a r v a t i o n ，p 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 ) u s e dp o l y - pa n dg l y c o g e nm a i n l ya sm a i n t e n a n c ee n e r g y a n dd u r i n ga e r o b i c s t a r v a t i o n ，p a o su s e dp o l y h y d r o x y a l k a n o t e s ( p h a ) t o a b s o r b p h o s p h o r u sa n df o r m 酉y c o g e n a f t e rt h ep h a w a se x h a u s t e d ，p a o sb e g a nt ou s eg l y c o g e n a n dp o l y - pa se n e r g ys o u r c e m e a n w i l e ，e x t r a c e l l u a rp o l y m e r s ( e p s ) c a nb eu l t i l i z e da s e n e r g ys o u r c eb o t hd u r i n ga n a e r o b i cs t a r v a t i o na n da e r o b i cs t a r v a t i o n b yc o m p a r i n gt h e d i s i n t e r g r a t i n gr u l eo f n a t u r a lc e l ll y s i sa n de n h a n c e dc e l ll y s i sd u r i n ga e r o b i cs t a r v a t i o n ，t o s p a d ew o r ko ns l u d g er e d u c t i o nb yu l t r a s o n i ci nt h ed y n a m i ce x p e r i m e n t e d y n a m i ce x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a te f f l u e n tq u a l i t yw a sk e p t s t a b l ea n d r e d u c t i o ne f f i c i e n c yw a sa b o u t31 2 a f t e ral o n g - t e r mo p e r a t i o no fa - a os y s t e mb yt h e u l t r a s o n i cl y s i so fe x c e s ss l u d g e b yc o m a r i n gt h ed i f f e r e n tr a t i ob yu l t r a s o n i c a t i o no ft h e e x c e s ss l u d g e ，i ts h o w e dt h a tt h er e d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dt h ee f f l u e n tq u a l i t yw e r em u c h b e t t e ru n d e r5 0 u l t r a s o n i ct r e a t m e n t ；a tt h es a m et i m e ，c h e m i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l f r o mt h es u p e m a t a n to fu l t r a s o n i cs l u d g ea a os y s t e m c a nr e a c ht h ed i s c h a r g es t a n d a r do f b i na d d i t i o n , a a os y s t e mw i t hl o wc a r b o ns o u r c ew a sr e s e a r c h e d ，u l t r a s o n i cc e l ll y s i s n o to n l yc a nr e d u c et h ee x c e s ss l u d g eb u ta l s ob ea b l et oa d d e dc a r b o ns o u r c et ot h es y s t e m i ts u p p l i e st e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ee x c e s ss l u d g er e d u c t i o no fc e l ll y s i st ot h er e a lp r a c t i c e ， a n dh a v ei m p o r t a n tr e a lm e a n i n gt ot h ed e v e l o p m e n to f e n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o n r e d u c t i o ni nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s k e y w o r d s ：c e l ll y s i s ；c r y p t i cg r o w t h ；s l u d g er e d u c t i o n ；u l t r a s o n i c ；a n a e r o b i c a n o x i c - - o x i c s y s t e m ；e f f l u e n tq u a l i t y ；c h e m i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l ；l o wc a r b o ns o u r c e 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 襄戛瑶 日期：2 0 0 8 年1 2 月 北京建筑工程学院硕上论文 l 绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 水体富营养化现状 1 绪论 富营养化是指生物所需的氮、磷等无机营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等相对封闭、水 流缓慢的水体，在适宜的外界环境( 水域的物理化学环境) 因素综合作用下，引起藻类及其它浮游 生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其它水生生物大量死亡的现象。水体发生 富营养化时，因占优势的浮游生物颜色不同，水面往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等。在近 海中，夜光藻、无纹多藻等占优势，藻层呈红色，被称为“赤潮”；而在江河湖泊中，则被称为藻 花，又为“水花”或“水华”i i j 。 欧洲在统计的9 6 个湖泊中有8 0 的湖泊不同程度地受到氮、磷的污染，呈现出富营养化状 态。并且也有河流出现过富营养化问题，如由于建造阿斯旺大坝使尼罗河水文发生变化，而使开 罗市的供水水源受到水体富营养化的危害；法国里昂下游地区的河流中叶绿素值极高等。 我国多年以来的调查结果表明，富营养化湖泊个数占调查湖泊的比例由2 0 世纪7 0 年代末至 8 0 年代的4 1 发展到8 0 年代后期的6 1 ，到2 0 世纪9 0 年代后期又上升到7 7 。根据对全国3 9 个大、中、小型水库的调查结果表明：处于富营养状态的水库个数和库容分别占所调查水库的 3 0 8 和1 1 2 ，处于中营养状态的水库个数和库容分别占所调查水库的4 3 6 和8 3 1 。我国部 分河流水域如汉江、珠江也出现了“水华”等富营养化现象的报道【引。 国际经济合作与开发组织对水质寓营养化开展了一系列的研究工作，最后确定氮、磷等营养 物质的输入和富集是水体发生富营养化的最主要原因。其中大约8 0 的湖泊富营养化是受磷元素 的制约，大约1 0 的湖泊与氮元素有关，余下1 0 的湖泊与其他冈素有关。由此，要防止水体发 生富营养化，最关键的是控制氮、磷等营养物质的排放，国家环境保护总局和国家质量监督检验 检疫总局2 0 0 2 年发布的g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 城镇污水处理厂污染物排放标准已经将t n 、t p 的一级a 排放标准分别定为1 5m gn l 、0 5m gp l ，一级b 排放标准分别定为2 0m gn l 、lm gp l 。 1 1 2 大量剩余污泥的问题 在生化处理过程中，活性污泥中的微生物不断地消耗着废水中的有机物质。被消耗的有机物 质中，一部分有机物质被氧化以提供微生物生命活动所需的能量，另一部分有机物质则被微生物 利用以合成新的细胞质，从而使微生物繁衍生殖，微生物在新陈代谢的同时，又有一部分老的微 生物死亡，故产生了剩余污泥。剩余污泥的产生不仅增加了污泥处理的费用，而且如果处理处置 不当，也有可能造成二次污染。 污水处理厂产生的剩余污泥处置方法也由于各自存在的问题，给污水处理带来了沉重的负担， 污泥处理已从过去仅仅作为污水处理的一个单元发展成为污水处理厂不得不优先考虑的问题p j 。 随着人口的增长和经济的发展，污水处理率和处理量不断增长，剩余污泥的大量产生成为制约我 国走科学发展观道路，建立人与自然，经济与社会建设和谐的一个重要因素。 北京建筑工程学院硕士论文l 绪论 1 2 污泥减量化研究概述 污水生物处理技术中，活性污泥法是目前世界上应用最为广泛的技术，常规活性污泥工艺除 了氮磷不易达至嘣 放标准外，另一个很大的缺点是大量剩余污泥的产生，污泥处理处置的投资运 行费用高昂，可占整个污水厂投资及运行费用的2 5 6 5 4 】。污泥的最终处理方法常采用的是填 埋、填海和农用，但随着可用土地的减少，以及由于未处理的污泥中含有重金属、病原菌、寄生 虫以及某些难分解的有机毒物，土地农用可能造成对环境和人体健康的威胁，在污泥的土地农用 之前必须进一步进行处理，这导致了污泥的最终处置越来越困难。 污泥减量化是在2 0 世纪9 0 年代提出的对剩余污泥处理处置的新概念。污泥减量的传统技术 是污泥浓缩、消化、脱水、干化等，这些都是对工艺中已产生的污泥进行减量，称为被动减量； 随着社会的发展和研究水平的进一步提高，出现新的理念，即从污水处理的源头控制污泥的产量， 即所说的主动减量。主动减量【5 j 是通过物理、化学、生物等手段使整个污水处理系统向外排放的 生物固体量达到最少，主要是依靠降低微生物产率以及利用微生物自身内源呼吸进行氧化分解等， 从根本上、实质上减少污泥产量。 目前用于污泥减量的方法有：( 1 ) 解偶联代谢( 2 ) 维持生长( 3 ) 生物捕食( 4 ) 隐性生长。 微生物细菌的代谢分为两大类，分解代谢和合成代谢。分解代谢是指各种营养物质或细胞物 质降解为简单物质的过程，这一过程中，产生可供生物利用的能量。合成代谢是细胞由较简单的 物质合成为细胞所需的物质的过程，这一过程消耗能量。通常，分解代谢和合成代谢是一个协同、 一体化的过程，它们是偶联的。在代谢过程中能量的转移是以a t p 的形式存在的。然而，当呼吸 控制不存在，生物合成速率成为控制因素时，解偶联代谢就会发生，并且在微生物代谢过程中产 生的剩余能量没有用来合成生物体，这种现象称为解偶联生长。解偶联方法试图提高在分解代谢 和合成代谢之间的能量水平的差异，以便用于合成代谢的能量受限。这样，细胞的表观产率系数 就会随着解偶联的发生而降低。当从分解代谢产生的能量多于合成代谢所需的要求时，部分的能 量就会溢出，细胞的产率会减少。 废水生物处理系统中包含不同种类的微生物，而细菌、原生动物、后生动物、高等动物构成 了系统中由低到高的食物链。这种食物链构成了一种金字塔式的关系。那些在食物链中的微生物 扮演着捕食与被捕食的角色。在能量从低营养水平向高营养水平转化时，由于低效的细胞转化， 能量就会损失。在优化的条件下，总能量会损失最大，而总细胞的产量就会最小【6 】。 隐性生长是指微生物细胞的溶解将会释放出胞内物质进入到污水中，提供一种自产底物，这 种自产底物在微生物代谢过程中被重复利用，一部分碳释放出来生成了呼吸产物，从整体上减少 了污泥的产量。这整个过程包括了溶胞和生长。利用各种溶胞技术，能使微生物迅速死亡并分解 为底物再次被其它微生物所利用，从而减少污泥产量。通常的溶胞技术包括各种物理、化学和生 物技术，以及三方面的联合应用，如将热处理和生物溶胞联合在日本已经处于实际工程应用阶段 p j 。溶胞技术的应用，绝大多数是利用剩余污泥同流过程中强化对细胞的溶解，因为从污泥回流 段入手可以充分利用曝气池中的溶解氧，提高了微生物的活性和微生物分解有机物的能力。 1 3 课题研究目的、内容和方法 1 3 1 课题研究目的 一方面，对污泥溶胞机理进行研究分析，考察污泥饥饿条件下的溶胞情况，并且对超声波强 制溶胞与污泥自然溶胞在饥饿条件下分解规律进行比较。另一方面，考察超声波作用剩余污泥并 长期回流至a - a o 系统对系统处理效果的影响，并从经济角度确定最佳超声作用剩余污泥的作用 2 北京建筑工程学院硕士论文l 绪论 比例，同时解决超声溶胞使得胞内磷释放到系统，导致系统出水磷高的问题，另外，考察超声溶 胞减量的回时，对低碳源进水系统的碳源补充作用。 1 3 2 课题研究内容 课题主要分两部分：静态试验和动态试验。 通过静态试验研究污泥不同饥饿条件下的溶胞情况，以及进行污泥自然溶胞与超声作用强制 溶胞分解规律的比较。 动态试验中，采用a a o 工艺装置，进水为人工配水，主要进行以下几方面的研究： l 、超声作用剩余污泥并长期回流至系统，对系统处理效果的影响研究： 2 、通过比较超声作用于剩余污泥的不同比例，及动态运行结果，确定剩余污泥的最佳超声 作用比例； 3 、辅助化学除磷的方法，解决超声溶胞使得磷释放到系统，系统出水磷高的问题。 4 、系统低碳源进水的情况，综合考察污泥溶胞时系统减量效果及对系统碳源补充的作用。 1 3 3 课题研究方法 在课题研究中主要通过物理分析和化学分析来获得所需要的参数的信息。其中，物理分析包 括对系统中的污泥浓度( m l s s 、m l v s s ) 进行测定：考察污泥沉降性能( s v 、s ) ；利用显微 镜观测污泥中生物相；利用d o 、o p r 测定仪观测系统中好氧池及厌氧池中微生物的生长环境指 标。化学分析包括对水样进行常规水质分析，分析参数有s c o d 、t p 、t n 、n h 4 + - n 、n 0 3 - n 等 f 8 】o 1 4 论文梗概 论文主要分为如下7 个章节： 第l 章：主要介绍课题研究背景及目的、内容、方法。 第2 章：综述污水生物处理系统中微生物衰减( 自然溶胞) 研究现状。 第3 章：介绍超声溶胞机理及对a a o 系统减量的研究现状。 第4 章：具体介绍试验方法和装置。 第5 章：污泥溶胞机理及对试验结果分析。 第6 章：a a o 系统减量效果研究。 第7 章：结论与建议，对本研究中的主要结论进行总结，并提出进一步研究的方向和方法。 3 北京建筑工程学院硕士论文 2 污水生物处理系统中微生物衰减( 自然溶胞) 过程研究现状 2 污水生物处理系统中微生物衰减( 自然溶胞) 过程研究现状 在废水生物处理系统中，微生物生长和活性受到底物的影响。当外部底物充足时，微生物的 生长占主导地位；而当外部底物匮乏时，微生物产生一些内部反应来维持其存活，这就是通常所 说的内源过程。内源过程是不同机制联合作用的结果( c h e s b r o 等p j ，1 9 9 0 ；k u h n 等【l ，1 9 9 0 ) ， 这些机制包括：细胞维持、细胞衰减、内源呼吸、高等微生物的捕食，或者由于病毒侵袭或者不 利的环境条件( 例如p h ，有毒底物，温度等) 导致的细胞溶解l l 。这些机制并不单独发生，往 往是一个的发生导致另一机制的发生，或者几种机制同时作用，这导致微生物体内复杂的作用结 果。 细胞衰减是微生物内源过程的一个方面，用来描绘通过细胞自发死亡或溶解发生的生物质的 净损失，细胞溶解可能是由于病毒袭击( l e e 等l l2 l ，2 0 0 4 ) ，也可能是由于真核生物的捕食( l e e 和o l e s z l d e w i c z 1 3 j ，2 0 0 3 ) 。通常，细胞溶解的产物一部分是惰性的，另外一部分可作为自产底 物供微生物生长，发生隐性生长。 v a nl o o s d r e c h t 和h 饥z e 【1 1 j ( 1 9 9 9 ) 提出衰减有两种方式：一是内部衰减，由微生物细胞内 的机制引起，如细胞维持代谢；二是外部衰减，由细胞外部因素引起，如高等微生物的捕食作用 和病毒攻击等导致的细胞自溶。无论是纯培养系统还是活性污泥系统，细胞的内源衰减并不显著 减少微生物的数量，但会降低微生物的活性。而对于外部衰减，如捕食和细胞死亡或溶解会导致 微生物数量、种群和活性的大大损失，直接导致生物量的减少。 无论是内部衰减还是外部衰减，总会使得细胞个体死亡，导致污水生物处理系统总污泥量的 显著减少，而不断增加电子受体的消耗，更是影响到了系统中活性生物质的多少，从而影响系统 的稳定运行，甚至导致系统性能的恶化。因此，了解微生物的衰减过程，无论对生物处理系统的 优化设计，还是废水处理的实际运行，都有很重要的意义。 2 1 常见细菌及其衰减速率含义 污水生物处理系统中的细菌主要有：硝化细菌( 包括氨氮氧化细菌，a o b ( a m m o n i ao x i d i z i n g b a c t e r i a ) ；亚硝酸氮氧化细菌，n o b ( n i t r i t eo x i d i z i n gb a c t e r i a ) ) 、聚磷菌p a o s ( p 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 ) 、聚糖原菌g a o s ( g l y c o g e na c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ) 和常规异养菌 o h o s ( o r d i n a r yh e t e r o t r o p h i co r g a n i s m s ) 等。在生物脱氮除磷系统中代表性的微生物种群是硝化菌 和聚磷菌，近年来，许多研究者致力于硝化细菌和聚磷菌的衰减情况的研究，以此为优化生物脱 氮除磷系统运行提供充分的理论依据。 国际水污染研究和控制协会( i a w p r c ) 成立课题组建立活性污泥数学模型，对活性污泥法 进行数学模拟，为设计优化污水处理厂提供有效可行的理论依据。在先后推出的活性污泥1 号模 型a s m l ( h e n z e 掣，1 9 8 7 ) 、2 号模型a s m 2 ( h e n z e 等【1 5 】，1 9 9 5 ) 、2 d 号模型a s m 2 d ( h e n z e 等【】6 】，1 9 9 9 ) 、3 号模型a s m 3 ( g u j e r 等f l7 1 ，1 9 9 9 ) 中，对硝化菌和聚磷菌的衰减速率作了定义， 总结见表2 1 。在a s m l 中引入了一个单独的衰减过程( 死亡分解) 来概括所有环境条件下( 好 氧、缺氧) 的所有衰减过程，阐明了微生物因为衰减而损失。假定衰减是生物体转化为慢速生物 降解物和颗粒物的结果，这产物对进一步的生物的作用呈惰性( d o l d 等l l 引，1 9 8 0 ) 。关于自养菌 的衰减机理存在着许多疑问，课题组成员普遍认为很难用现有方法去测定自养菌的衰减系数。尽 管研究文献报道在0 0 5 - 0 1 5 d - 1 之间，但极少知道其准确值。a s m 2 在a s m l 的基础上考虑了生物 除磷，增加了厌氧水解及与聚磷菌有关的反应过程，并引入“溶菌”这个词代替a s m l 中描述的 4 北京建筑工程学院硕士论文2 污水生物处理系统中微生物衰减( 自然溶胞) 过程研究现状 衰减。a s m 3 引入了一个可以更真实地反映死亡分解的衰减过程：内源呼吸，以强调细胞内部盼 活动过程。内源呼吸描述了与生长无关的所有形式的生物体损失与能量需要：衰减、维持、内源 呼吸、分解、捕食、运动、死亡等。 模型中的衰减过程能够充分描绘活性污泥过程，但从微生物观点看，已建立的模型并不一定 是正确的，因此，有必要进行更进一步的研究，研究微生物的衰减，并与模型作比较，一方面完 善模型存在的一些弊端，另一方面也能优化污水处理厂的运行和设计。 表2 - i 模型中对衰减速率的定义 2 2 硝化细菌衰减的研究现状 近年来，硝化菌的衰减过程已经被很多学者研究( l e e n e n 等【i9 | ，1 9 9 ；s i e g r i s t 等【2 0 1 ，1 9 9 9 ； m o r g e n r o t h 掣2 1 j ，2 0 0 0 ；y u a n 掣2 2 j ，2 0 0 0 ) 。据报道，电子受体的有效性和种类对硝化菌的衰减速率 影响很大。表2 - 2 总结了近年来不同研究者研究硝化菌衰减得出的不同饥饿条件下的衰减速率。 由表2 2 中的总结可以发现，硝化菌缺氧条件下的衰减速率比好氧条件下的一半还要低，厌氧 条件下更低1 2 0 | 。m o r g e n r o t h 等【2 l j ( 2 0 0 0 ) 研究了活性污泥在交替好氧缺氧或好氧厌氧条件饥饿1 周，发现硝化菌活性几乎没有丧失( 0 图5 4 中，s v 和s v i 有大幅的上升，s v 和s v i 反应了污泥的沉降性能，与污泥浓度、 污泥絮体颗粒大小、污泥絮粒形状等因素有关。在饥饿发生的第一天，污泥缺乏营养，此时 e p s 作为营养物质供其吸收，表现为第一天e p s 的快速下降。根据菌胶团形成机理学说的 北京建筑工程学院硕士论文s 污泥溶胞机理及试验结果分析 解释，菌胶团细菌由菌体外大量荚膜类胶体基质或纤维素类纤维黏合在一起，随着饥饿时间 变长，菌胶团细菌体外的多糖类基质可被细菌作为营养利用，这些多糖类基质是e p s 的一 部分，并且e p s 作为污泥絮体之间的架桥，e p s 的减少必然使得絮体之间架桥断裂，絮体 松散，甚至解絮，这与第一天测得的s v 的大幅上升相对应。 图5 4 中e p s 呈锯齿状下降的趋势，充分说明了e p s 不断产生和被利用的情况，这也 应证了j i a 等l j 认为的，e p s 的成分和含量是合成与消耗两个动态过程共同作用的结果。另 外，虽然本试验中所用的e p s 提取方法( h 2 s 0 4 法) 与其它方法相比具有提取效率高，细 胞死亡率低的优点，但鉴于e p s 的提取方法还有待于进一步确定，所以无法确定在长期饥 饿条件下，e p s 被微生物利用的程度。建议根据e p s 形成和降解基质，建立包含e p s 形成 与降解的数学模型，进一步完善对污泥内源过程理论的理解，以优化实际污水处理厂脱氮除 磷的运行。 三、氮的变化规律 4 0 j 誉3 0 z i 昌2 0 z 平1 0 寸 z 0 _ 一n 0 3 - n 012 3t ( d ) 4567 图5 5n 0 3 。- n 、n h 4 + - n 随时间的变化 经过7 天的厌氧饥饿，如图5 5 ，硝氮含量在第l 天略有下降，这是由于原污泥中有硝 氮存在，发生了短时间的反硝化反应，随后其含量维持在一个平稳的阶段。而氨氮有个不断 上升的过程。由于e p s 的主要物质是多聚糖和蛋白质，则氨氮的产生一方面是胞外聚合物 ( e p s ) 的降解，蛋白质释放，另一方面是细胞衰减释放出有机氮，有机氮水解而来。当饥 饿发生时，微生物能够利用胞外聚合物( e p s ) 作为营养物质，同时利用聚磷和糖原为其提 供能量，当产生的能量不能满足细胞需要的最小能量时，将导致细胞的溶解。从图上看出， 氨氮释放速率整体比较慢，这表明在厌氧阶段，细胞衰减速率很慢，衰减量很少。 四、污泥浓度及活性部分的变化规律 通常在模型中，m l s s 包含m l v s s 和灰分两部分，其中m l v s s 中包括p h b 、糖原和 生物质，灰分部分包括聚磷和活性生物质的灰分( 约占活性生物质的5 l o ) 。如图5 6 ， 随着饥饿时间的延长，m l s s 逐渐呈减少趋势，这归因于聚磷和糖原的不断降解。 北京建筑工程学院硕士论文 5 污泥溶胞机理及试验结果分析 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 o - 一m l s s - 一m l v s s ，卜m l v s s m l s s 图5 - 6m l s s 、m l v s s 随时间的变化 综上，在长期厌氧饥饿条件下，细胞维持能量的需要导致p a o s 胞内聚合物的持续消耗， p a o s 持续利用聚磷和糖原，且糖原的不断消耗利用导致了p h v 的产生。在厌氧饥饿的第一 天，微生物利用胞外聚合物e p s 作为营养物质供其维持，导致絮体解絮，随后e p s 呈边产 生边被利用的趋势。 5 212 好氧饥饿条件下试验结果及分析 在好氧饥饿条件下，微生物也利用聚合物供其维持能量的需求，可利用的聚合物包括 胞外聚合物( e p s ) ，胞内聚合物( p h a 、糖原g l y c o g e n 和聚磷p o l y - p 等) 。微生物可能先 利用某一种聚合物供维持能量的需求，也可能同时利用几种聚合物供其维持能量。由于好氧 条件下微生物对维持能量的需求较高，当聚合物提供的能量达不到其维持能的要求时，微生 物过量氧化体内细胞，导致细胞壁和膜结构破坏，细胞溶解衰减。经过本试验中7 天的好氧 饥饿，结果如下： 一、磷和糖原的变化规律 6 0 1 0 0 一 卜p 0 4 - p o12 567 图5 7 p 、g l y c o g e n 随时间的变化 4 0 0 3 5 0 之 凹 皇 3 0 0 岳 凹 o u 2 5 0 三 o 2 0 0 如图5 7 ，在整个好氧饥饿中，磷含量持续上升。在试验前2 天，磷酸盐含量基本没有 上升，这是可能发生了好氧吸磷的现象。由于在好氧时，液相内有机小分子( 如乙酸) 含量 低，不能满足p a o s 细胞在合成时对碳源的需求，所以p a o s 需要从内部获取碳源( p h b ) ，1皇j盏 5 4 3 2 l o 一，l凹e一一=一，l= 北京建筑工程学院硕士论文 5 污泥溶胞机理及试验结果分析 进行细胞合成，p h b 不仅作为碳源和能源的提供者帮助细胞生长，还通过电子传递磷酸化 机理产生a t p ，使a t p 与a d p 的质量比增加。此时细胞内的聚磷也会对该比值的增加产生 响应，发生合成，不断吞并细胞内的磷酸根，而液相内因厌氧释磷导致的浓度较高的磷酸根 则通过浓差扩散进入细胞内，使液相磷酸根含量下降。在p a o s 利用p h b 吸磷的同时，由 于在试验中没有外加碳源的加入，p a o s 降解体内聚磷来维持其能量的需求，表现为吸磷的 同时发生释磷的现象，这使得测得的磷酸盐上升的趋势较缓。由于好氧条件下细胞需要更高 的能量来维持，当降解聚合物的能量不够满足细胞所需要的能量时，p a o s 过分氧化自身细 胞，使得细胞壁和膜结构破坏，细胞发生溶解，这也导致磷的释放。 图5 7 中也显示，糖原有个持续下降的过程，表明了糖原被不断利用，其提供了一个持 续的能量来源。第1 天糖原下降较缓，分析认为在刚开始的好氧条件下，p a o s 氧化自身内 部存储的p h b 供吸磷和产生糖原，当p h b 耗尽后，为维持自体需要，p a o s 内部的糖原被 当作维持能不断被利用。在随后的饥饿时间，糖原被不断利用来提供能量。 二、e p s 及污泥沉降性的变化规律 5 0 0 4 0 0 j 3 0 0 e 臣2 0 0 【工) 1 0 0 0 - - o - - - e p s 6 一s v - 一s v i 图5 8e p s 、s v 随时间的变化 1 0 0 0 锄 8 0 0 吕 6 0 0 i - - 4 4 0 03 j 2 0 05 o e p s 是存在在细胞表面的细纤维，其有利于细菌细胞之间连接，网织在一起形成絮体。 饥饿发生时，e p s 作为营养物质被利用，表现为e p s 的下降，并且随着细胞溶解，数量变 少，细胞问的架桥也比较少，这导致了e p s 的下降。 e p s 的下降导致污泥絮体松散部分解絮，表现为s v 的上升。由于好氧条件下细胞需要 更多的能量供其维持活性，必然对营养物质e p s 的需求较大，当对e p s 的需求速率高于e p s 的生成速率时，只能观察到e p s 呈持续下降的趋势，这也是与厌氧e p s 的利用所不同的地 方。 三、氮的变化规律 如图5 - 9 ，硝氮有明显的上升趋势，这是由于好氧条件下，硝化菌不断利用氨氮氧化成 硝氮。上面分析到氨氮的来源一方面是胞外聚合物( e p s ) 的降解，蛋白质释放，另一方面 是细胞衰减释放出有机氮，有机氮水解而来。图5 - 9 中硝氮含量的上升表现为e p s 的被利 用与细胞衰减的同步进行。 北京建筑工程学院硕士论文 5 污泥溶胞机理及试验结果分析 j 凹 鲁 、- ， z o z 4 0 3 0 2 0 1 0 o - - 4 - - n 0 3 - n 卜一n h 4 - n o12567 图5 - 9n 0 3 - n 、n h 4 - n 随时间的变化 四、污泥浓度及活性部分的变化规律 4 5 0 0 5 0 0 _ m l s s _ m l v s s - 卜m l v s s m l s s o12 3t ( d ) 4567 t ( d ) 图5 1 0m l s s 、m l v s s 随时间的变化 5 4 3 = - - j 2 兽 一 1 = o 由于在好氧条件下，细胞需要更高的能量来维持。当胞内、外聚合物提供的能量并不够 细胞维持时，细胞过量氧化胞内物质，直接导致细胞壁或膜结构的破坏，导致微生物衰减， 即活性微生物的显著减少，这种减少与图5 1 0 中m l v s s 的下降相关。 综上，在长期好氧饥饿条件下，p a o s 起先利用胞内存储的p h a 供生长、吸磷和糖原 合成；当p h a 消耗尽后，p a o s 开始利用胞内糖原和聚磷米满足能量的需求。同时，e p s 也作为细胞的营养物质被消耗利用。 5 213 厌氧、好氧饥饿情况比较 一、厌氧、好氧饥饿中磷的释放比较 1 8 6 4 2 0 一一凹e一j=一，l暑 北京建筑工程学院硕士论文 5 污泥溶胞机理及试验结果分析 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 + 厌p 0 4 - p 小好p 0 4 - p 012 567 图5 1l 厌氧、好氧饥饿磷酸盐释放情况 厌氧和好氧饥饿条件下磷酸盐释放情况如图5 1 l ，释磷速率见表5 1 。经过7 天的饥饿， 厌氧和好氧情况下磷酸盐的释放有极大的不同。如前分析，厌氧饥饿的0 - 2 天，p a o s 降解 体内聚磷来产生能量；随着饥饿时间的延长，p a o s 细胞内残存的聚磷浓度越来越低，表现 为释磷速率的下降。而在好氧饥饿的0 - 2 天，释磷速率较低，为0 5 2 m gp l d ，这是由于试 验刚开始，p a o s 在好氧条件下，利用胞内p h a 产生能量，供生长和吸磷。而由于没有外部 碳源的加入，p a o s 产生内源呼吸，细胞过量氧化胞内物质，直接导致细胞壁或膜结构破坏， 细胞溶解释放磷到液相，这就造成了释磷伴随着吸磷的现象，从而导致观察到的释磷速率极 低。在随后的几天，由于细胞不断溶解，直接导致释磷量升高，释磷速率加快。之前的分析 提到在好氧条件下，p a o s 体内聚磷和糖原降解来提供维持能，虽然如此，但由于在好氧条 件下细胞需要更高的维持能量，聚磷和糖原提供的能量并不能满足所有细胞的自体能量维 持，这导致了随着好氧饥饿时间的延长，细胞不断衰减和溶解。 表孓1 厌、好释磷速率( m g p l d ) 、厌氧、好氧饥饿中糖原的趋势比较 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 + 厌氧g 1y c o g e n + 好氧g ly c o g e n 012567 图5 1 2 厌氧、好氧饥饿糖原随时间的变化 2 9 北京建筑工程学院硕士论文5 污泥溶胞机理及试验结果分析 如图5 1 2 ，在厌氧和好氧饥饿条件下，糖原的被利用程度略有不同，在厌氧条件下糖 原在第l 天利用较快，随后趋于平缓，而好氧条件下，糖原在第l 天下降较缓，随后呈现出 被持续利用的现象。造成这种差别的原因是在厌氧饥饿条件下，p a o s 始终持续利用糖原用 作维持能。另一方面，在好氧饥饿的前2 天，p a o s 氧化自身内部存储的p h b 供生长和产生 糖原，当p h b 耗尽后，为维持自体需要，p a o s 内部的糖原被当作维持能不断被利用。在随 后的饥饿时间，糖原被不断利用来提供能量。由此看出，在厌氧和好氧饥饿中，糖原作为细 胞维持能的提供者，扮演了十分重要而相似的角色，但好氧饥饿糖原第7 天的值比厌氧饥饿 糖原第7 天的值要高，相应经过7 天好氧饥饿，糖原减少的含量比厌氧饥饿糖原减少的含量 要少，加上好氧磷酸盐释放体现出的聚磷降解的含量也比厌氧饥饿聚磷降解的含量要少，这 体现出p a o s 在厌氧阶段对维持能的需求低，所以能利用胞内、外聚合物的降解米提供能量 主要供维持，而在好氧阶段p a o s 对维持能的需求较高，当胞内、外聚合物的降解提供的能 量不能供其维持自体生存时，以细胞衰减为主。需要说明的是，好氧饥饿第7 天糖原比厌氧 饥饿第7 天糖原高的另一种可能原因是，在好氧饥饿中，p h a 是p a o s 主要的能量来源，而 在厌氧饥饿中，p a o s 并不能利用p h a 产生能量。由于本试验中，并没有进行p h a 的相关 测定，因此对于这种解释暂持保留意见。 三、厌氧、好氧饥饿中氮的趋势比较 4 0 3 2 凹 量 子2 4 寸 窆1 6 z 鲁8 z 0 + 厌n 0 3 一n + 厌n h 4 一n + 好n 0 3 一n 一一好n h 4 - n 0 12567 图5 1 3 厌氧、好氧饥饿氮随时间的变化 如前面的分析，细胞衰减使氮以氨的形式释放出来，除了氨，还会有有机氮释放。根据 g u j e r 等2 j ( 1 9 9 5 ) 提出的动力学，有机氮水解成氨只需几小时，由此氨氦的释放情况能够 反应出细胞的衰减。而在好氧条件下，除了氨，也产生了硝酸盐，这是由细胞衰减释放出来 的氨氧化而成的。由于饥饿中d o 浓度高于2 m g l ，这里假定没有发生反硝化，所以硝酸盐 生成速率等于氨产生速率。从图5 1 3 中的比较看出，在好氧条件下，硝氦含量在前2 天释 放较少，随后快速上升，并呈持续状，表明好氧饥饿中细胞衰减释放的氨和有机氮不断升高； 而在厌氧条件下，氨氮含量上升不多，表明厌氧饥饿中细胞主要以维持为主，表现出的衰减 可以忽略。 北京建筑工程学院硕士论文 5 污泥溶胞机理及试验结果分析 四、厌氧、好氧饥饿中s c o d 的趋势比较 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 + 厌氧s c o d + 好氧s c o d 0123t ( d ) 4567 图5 1 4 厌氧、好氧饥饿s c o d 随时间的变化 废水中的各种c o d 形式如下图5 1 5 所示，从图中看出，s c o d ( 溶解性c o d ) 包括 易生物降解部分和不可生物降解部分，图5 1 4 中，s c o d 在好氧饥饿和厌氧饥饿中表现出 一致的趋势。前面提到m a s o n 的研究证实【4 3 1 ，在活性污泥工艺中每时每刻都存在着细胞自 溶现象和基于这种自溶的隐性生长，细胞自溶必然释放出胞内有机物，包括易生物降解部分 和不可生物降解部分，加上饥饿的刚开始e p s 的释放，使得出现图5 1 4 中饥饿刚开始s c o d 开始有个上升趋势，随着饥饿时间的延长，中间必然会有污泥中一部分大分子物质被细胞胞 外酶逐渐水解，成为基质被利用，表现出了测到的s c o d 下降的趋势，由于没有外碳源的 加入，前面也分析到，无论厌氧还是好氧饥饿，细胞都发生溶胞衰减，细胞的溶解导致细胞 残骸累积在液相中，使得溶解性但不可生物降解c o d 升高。 另外观察到，e p s 在厌氧第一天的快速下降和好氧前三天的快速下降与s c o d 在厌氧 第一天的升高和好氧前三天的升高相对应。这表明胞外聚合物e p s 的降解释放导致了s c o d 的升高。 总c o d 可生物降解c o d 易生物降解的 ( 溶解性) 缓慢生物降解 的( 颗粒) 复杂体i iv f al i 胶体ll 颗粒 不可生物降解的c o d 不可生物降解 的( 溶解的) 图5 1 5 废水中c o d 的分解 不可生物降解 的( 颗粒) 综上，厌氧饥饿和好氧饥饿中，p a o s p q 源过程动力学极其不同，在好氧饥饿中，衰减 3 1 北京建筑工程学院硕士论文5 污泥溶胞机理及试验结果分析 是主要的内源过程。而在厌氧饥饿中，维持是主要的内源过程，衰减的作用不大。如前所述， 微生物的衰减会使其活性降低，细胞个体死亡，