（环境工程专业论文）ph值和碳源浓度对sbr单级好氧生物除磷的影响研究.pdf

t h ee f f e c to f p ha n dc a r b o r ns o u r c ec o n c e n t r a t i o no n p h o s p h o r u sr e m o v a li ns e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o rw i t h s i n g l e s t a g eo x i cp r o c e s s b y d i n gy a n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n e n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl ix i a o m i n g m a y ，2 0 11 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：j 抱日期：2 0j 年06 月91 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：了地日期：20 11 年d6 月oi 日 导师签 e l 期：2 oi1 年纱6 月d l e l p h 值和碳源浓度对s b r 单级好氧生物除磷的影响研究 摘要 本研究在s b r 反应器中，以葡萄糖为碳源，以合成废水为对象，研究 了p h 值和葡萄糖( 碳源) c o d 浓度对单级好氧生物除磷的影响。 在研究p h 值对除磷的影响时，借助2 个序批式反应器( r 1 、r 2 ) ，以合 成废水为对象，研究了不同p h 值( r 1 ：p h8 + 0 2 ；r 2 ：p h7 + 0 2 ) 对单级好 氧生物除磷的影响；并通过比较周期中主要储能物质的变化，探讨了产生 不同除磷效果的原因。结果表明，r 1 与r 2 均具有较高除磷性能，r 1 与r 2 中的平均去除率分别为9 4 9 ，8 3 。5 ，p h 值对s b r 单级好氧生物除磷有 一定的影响。导致r 1 具有较高除磷性能的原因是其对聚磷的依赖程度更大。 好氧段r l 糖原积累量低于r 2 ( r 1 为1 4 2 m m o l g ，r 2 为1 5 5 m m o l g ) ，但降 解量却高于r 2 ( 分别为1 41 ，1 19 m m o l g ) ；静置期，r l 中糖原无明显变化， r 2 中则观察到明显的糖原降解。r 1 与r 2 均有明显的释磷现象，r 1 释磷量 高于r 2 ( 释磷量分别为9 6 5 ，7 3 3 r a g l ) 。整个周期中，r 1 中p h a 无明显变 化，而r 2 中则在好氧段有少量减少，静置期有少量上升。 在研究c o d 浓度对除磷的影响时，借助4 个序批示反应器( r 1 r 4 ) ，以 合成废水为研究对象，研究了不同c o d 浓度( r 12 0 0 m g l ，r 25 0 0m g l ， r 38 0 0m g l ，r 4l l0 0r a g l ) 对s b r 单级好氧生物除磷的影响，并探讨了产 生不同除磷效果的原因。结果表明，r 1 、r 2 、r 3 及r 4 的平均除磷效率分 别为4 1 6 0 ，9 1 8 7 ，6 5 9 3 ，3 3 4 0 ，c o d 浓度对s b r 单级好氧生物 除磷有较大影响，随着c o d 浓度升高反应器除磷性能先增强后减弱甚至崩 溃。r 1 、r 2 、r 3 及r 4 好氧段糖原积累量分别为1 3 2 m m o l g ，3 16 m m o l g ， 7 2 5 m m o l g ，9 0 1 m m o l g ；降解量分别为1 3 0 m m o l g ，3 1 3 m m o l g ， 3 0 l m m o l g ，1 9 2 m m o l g 。c o d 由2 0 0 m g l 到5 0 0 m g l 除磷性能增强的原 因是：微生物在合成聚磷过程中获得的可利用a t p 增多；c o d 由5 0 0 m g l 到1 10 0 m g l 除磷性能减弱甚至崩溃的原因是，微生物在此过程中对聚磷的 依赖程度减弱甚至不依赖聚磷。 关键词：生物除磷；s b r ；单级好氧；p h ；c o d i i 硕上学位论文 a b s t r a c t t h e s t u d yi n v e s t i g a t e d t h ee f f e c t so fp h b i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a li ns i n g l e - s t a g e w a s t e w a t e r ，w i t hg l u c o s ea sc a r b o ns o u r c e a n dc o dc o n c e n t r a t i o no n o x i csbr ，u s i n gs y n t h e t i c w h e ns t u d yt h ee f f e c to fp ho nb 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 w o l a b s c a l es e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r s ( s b r s ) w e r eo p e r a t e d ( r 1 ：p h8 + 0 2 ；r 2 ： p h7 4 - 0 2 ) u s i n gs y n t h e t i cw a s t e w a t e r ，a n dv a r i a t i o n so ft h em a i ni n t r a c e l l u l a r p o l y m e rd u r i n gac y c l e w e r ea l s oc o m p a r e dt od i s c u s st h ep r o b a b l er e a s o n sf o r d i f f e r e n tp e r f o r m a n c e so fp h o s p h o r u sr e m o v a l t h er e s u l t ss h o w e dt h a tb o t h r 1a n dr 2p e r f o r m e dw e l li np h o s p h o r u sr e m o v a l 9 4 9 a n d8 3 5 o ft h e a v e r a g ee f f i c i e n c i e so fp h o s p h o r u sr e m o v a lw e r er e s p e c t i v e l yo b t a i n e di nr 1 a n dr 2 ，s u g g e s t i n gt h a tt h ee f f e c to fp ho np h o s p h o r u sr e m o v a lw a ss l i g h ti n s u c has i n g l e s t a g eo x i cp r o c e s s t h er e a s o nf o rt h eh i g h e rp e r f o r m a n c eo f p h o s p h o r u sr e m o v a li n r 1w a si t ss t r o n g e rd e p e n d e n c eo np o l y p h o s p h a t e d u r i n gt h ea e r o b i cp e r i o d ，t h ea c c u m u l a t i o no fg l y c o g e nb yb a c t e r i ai nr 1w a s l o w e rt h a nt h a ti nr 2 ( r 1 ：1 4 2 m m o l g ，r 2 1 5 5 m m o l g ) ，b u tt h ed e g r a d a t i o no f g l y c o g e ni nr 1w a sh i g h e r ( r 1 ：1 4 1 m m o l g ，r 2 ：1 1 9 m m o l g ) ；i nt h ei d l ep h a s e ， g l y c o g e ni nr 2d e g r a d e do b v i o u s l yw h i l et h a ti nr 1s e l d o md e g r a d e d b e s i d e s ， t h o u g ho b v i o u sp h o s p h o r u sr e l e a s ew a so b s e r v e di nb o t hr 1a n dr 2 ，t h e c o n t e n to fp h o s p h o r u sr e l e a s e di nr 1w a sh i g h e r ( r 19 6 5 m g l ，r 27 3 3 m g l ) as l i g h td e c r e a s ea n di n c r e a s eo fp h aw e r er e s p e c t i v e l yo b s e r v e dd u r i n gt h e a e r o b i ca n dt h ei d l ep e r i o d si nr 2w h i l en oo b v i o u sc h a n g eo fp h aw a sf o u n d i nr1 d u r i n gt h ew h o l ep e r i o d w h e ns t u d yt h ee f f e c to fc o dc o n c e n t r a t i o no nb 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 ，f o u rl a b - s c a l es e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r s ( s b r s ) w e r eo p e r a t e d ( r 1 2 0 0 m g l ，r 25 0 0m g l ，r 38 0 0m g l ，r 41 10 0r a g l ) ，u s i n gs y n t h e t i c w a s t e w a t e r ，t h ed i f f e r e n c e o f p h o s p h o r u s r e m o v a l p e r f o r m a n c e sa n d t h e p r o b a b l er e a s o n sf o rt h ed i f f e r e n c ew e r ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t 4 1 6 0 ，9 1 8 7 ，6 5 9 3 a n d3 3 4 0 o f t h ea v e r a g ee f f i c i e n c i e so f p h o s p h o r u s r e m o v a lw e r er e s p e c t i v e l yo b t a i n e di nr1 、r 2 、r 3a n dr 4 ，s u g g e s t i n gt h a tt h e e f f e c to fc o do np h o s p h o r u sr e m o v a lw a ss t r o n gi ns u c has i n g l e - s t a g eo x i e p r o c e s s w h e nc o di n c r e a s ei nt h es y s t e m ，p h o s p h o r u sr e m o v a lp e r f o r m a n c e i n c r e a s e di n i n i a l y ，t h e nd e c r e a s e da n de v e nc r a s h e d i nt h ea e r o b i cp e r i o d ， g l y c o g e na c c u m u l a t e di nr 1 、r 2 、r 3a n dr 4w e r e1 3 2m m o l g ，3 16m m o l g ， i i i 7 2 5 m m o l g a n d9 01 m m o l gr e s p e c t i v e l y ；g l y c o g e nd e g r a d e di nt h e s e r e a c t o r sw e r e1 3 0 m m o l g ，3 13 m m o l g ，3 01m m o l ga n d1 9 2 m m o l g r e s p e c t i v e l y w h e nc o di n c r e a s e df r o m2 0 0 m g lt o50 0 m g l ，t h er e a s o nf o r t h ei n c r e a s e dp h o s p h o r u sr e m o v a lp e r f o r m a n c ew a sa t p p r o v i d e di nr e l a t e d r e a c t o ri n c r e a s e d ；w h e nc o di n c r e a s e df r o m5 0 0 m g lt o11 0 0 m g l t h er e a s o n f o rt h ed e c r e a s e dp h o s p h o r u sr e m o v a lp e r f o r m a n c ew a st h e d e p e n d e n c eo n p o l y p h o s p h a t eb ym i c r o o r g a n i s m si nr e l a t e dr e a c t o rw e a k e n e da n de v e nl o s t k e yw o r d s ：b i o l o g i c a lp h o s p h o r u s p h ；c o d r e m o v a l ；s b r ；s i n g l es t a g eo x i ep r o c e s s ； i v 硕十学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i 附表索引v i i i 第1 章绪论1 1 1 废水除磷1 1 1 1 废水除磷的必要性j 1 1 1 2 废水除磷方法简介1 1 2 传统生物除磷技术6 1 2 1 生物除磷机理6 1 2 2 生物除磷的生化反应研究7 1 2 3 生物除磷的影响因素10 1 2 4 生物除磷工艺简介12 1 2 5 反硝化生物除磷工艺简介16 1 3s b r 工艺技术19 1 3 1s b r 工艺的原理19 1 3 2s b r 工艺的发展19 1 3 3s b r 工艺特点2 0 1 4 课题背景与研究内容2 1 1 4 1 课题背景21 1 4 2 研究内容2 1 第2 章p h 值对s b r 单级好氧生物除磷的影响2 3 2 1 研究背景2 3 2 2 实验材料与方法2 3 2 2 1 实验装置及运行2 3 2 2 2 进水水质2 4 2 2 3 测试项目与分析方法2 4 2 2 4 分析设备2 5 2 3 实验结果与分析2 5 2 3 1r 1 、r 2 长期运行中磷去除情况2 5 2 3 2 典型周期内磷、c o d 、糖原质及p h a 的变化2 7 2 3 3 讨论2 9 v 2 4 小结31 第3 章碳源浓度对s b r 单级好氧生物除磷的影响3 2 3 1 研究背景3 2 3 2 实验材料与方法3 2 3 2 1 实验装置及运行3 2 3 2 2 进水水质3 2 3 2 3 测试项目与分析方法3 3 3 2 4 分析设备3 3 3 3 实验结果与分析3 3 3 3 1 长期运行下s b r 系统的除磷性能3 3 3 3 2r 1 一r 4 典型周期内t p 和糖原质的变化3 6 3 3 3 讨论3 9 3 4 小结4 0 结论与展望4 2 参考文献4 5 附录a ( 攻读硕士期间发表的学术论文目录) 51 致谤t ：5 2 v i 硕：i ：学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1 9 图1 1o 图1 11 图1 12 图1 13 图1 14 图1 15 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 插图索引 典型膜生物反应器5 生物除磷机理7 c o m e a u w c n t z e l 模型9 m i n o 模型9 e m 途径1 0 e d 途径1 0 p h o s t r i p 工艺图1 3 a o 工艺图1 3 a 2 o 工艺图1 4 b a r d e n p h o 工艺图_ 1 5 p h o r e d o x 工艺图l5 s b r 工艺图15 a 2 n s b r 工艺图18 b c f s 工艺图18 d e p h a n o x 工艺图1 9 实验装置示意图2 4 r 1 长期运行中t p 去除情况2 6 r 2 长期运行中t p 去除情况2 6 r 1 型周期内c o d 、t p 、糖原与p h a 的变化_ 2 8 r 2 典型周期内c o d 、t p 、糖原与p h a 的变化2 8 r 1 长期除磷情况3 3 r 2 长期除磷情况3 4 r 3 长期除磷情况3 4 r 4 长期除磷情况3 5 r 1 r 4 单位m l v s s 的磷去除量情况3 5 r l 典型周期内t p 和糖原质变化3 6 r 2 典型周期内t p 和糖原质变化3 7 r 3 典型周期内t p 和糖原质变化3 7 r 4 典型周期内t p 和糖原质变化3 8 v i i p h 值和碳源浓度对s b r 单级好氧生物除磷的影响研究 暑詈暑皇昌皇皇皇墨= = 詈詈皇昌詈皇皇= = = 毒暑! ! ! ! ! ! ! = 詈! = ! = 皇詈= 詈= 皇! ! ! = = = = 皇皇= ! 詈= ! ! = = = = = i i i = ! ! = ! = ! 皇皇= ! 葛! ! ! = ! = 詈暑詈墨葛= 曼= 詈皇皇皇皇= 毫皇昌皇詈暑皇皇詈置皇詈毫! 鼍 附表索引 表1 1 生物除磷工艺比较16 表1 2 典型反硝化除磷工艺17 表2 1 实验主要设备及仪器2 5 表2 2r l 和r 2 长期运行中m l s s 、m l v s s 变化2 7 v i i i 硕士学位论文 1 1 废水除磷 第1 章绪论 1 1 1 废水除磷的必要性 2 0 世纪以来，科学技术发展迅速，人们的生产生活均发生了明显提高， 这种提高使得人们的物质生活和精神生活丰富多彩，但却随之而来带来了 一系列环境问题。例如，产生了许多含有各类污染物质的污水，这些污染 物质包括物理性污染物( 如悬浮物、热污染、放射性污染等) 、化学性污染物 ( 如重金属、c o d 、植物营养素等) 及生物性污染物( 如致病微生物) 。这些污 染物质如果不经过处理，直接排放到受纳水体将会造成水体污染，影响人 类的正常生产生活。众所周知，氮( n ) 和磷( p ) 是生物的结构物质，是生物赖 以生存的重要营养物，但如果大量的氮和磷进入水体，超出了水体的自净 能力，那此部分氮磷就变成了受纳水体中的污染物，将会导致水体富营养 化，即蓝藻、绿藻等藻类大量繁殖，水体缺氧，继而使水体水质恶化。水 质恶化对人们的正常生产生活均有较大影响，因此防止水体富营养化，降 低生产生活中含氮、磷污水的排放显得极其重要。尽管氮和磷都是造成富 营养化的重要因素，但有研究表明i l 】，磷对富营养化的影响更为显著，当水 体中含较低浓度的磷( 0 0 2m g l ) 时即可引起富营养化。x i elq ，x i ep 等1 2 l 也通过实验证明了水体中磷浓度的含量是制约富营养化的关键因素。可见， 要有效的防止水体富营养化，必须降低污水中的磷浓度。但由于受许多因 素影响，在实际的污水处理操作中，污水中的磷并未得到很好去除，以至 于水体富营养化污染仍是当今环境污染的一个重要主题，为此，探寻一种 可靠而又实用的除磷方法与工艺对处理现今日趋严重的水体富营养化问题 显得十分重要。 1 1 2 废水除磷方法简介 废水除磷的方法较多，包括化学法、生物法、生态法、膜法等。其中， 化学法是通过在污水中投加化学药剂，使之与磷酸盐反应形成沉淀，之后 通过将沉淀从废水中分离出去的方法实现废水除磷的目的；生物法是利用 微生物对污水中磷的吸收实现除磷，主要包括活性污泥法和生物膜法1 3 1 ；生 态法是利用人工湿地进行除磷，通常是在湿地上种植植物，利用湿地植物、 微生物对污水中磷的吸收实现除磷目的；膜法除磷通常是指将膜与生物法 除磷技术结合，形成膜生物反应器，利用膜生物反应器实现除磷。这几种 除磷方法凭借各自的优缺点【4 1 ，在实际污水除磷中有着不同的应用。化学法 除磷的除磷效率较高，但除磷过程中会产生较多的剩余污泥，污泥的处理 处置近年已成为一个社会难题，因此其在实际污水除磷中的应用受到一定 限制，现阶段较少使用该方法；生物法除磷的工艺操作较为简单，除磷效 果虽比不上化学法除磷，但由于它具有操作及运行费用低，除磷过程中能 降低出水盐度，对硝化过程及总氮去除影响较小，不产生化学污泥，也不 会破坏剩余污泥的脱水性等优点，因此生物法除磷成为当前除磷研究的热 点，在实际污水除磷中有着广泛运用；生态法除磷的工艺运行简单，投资 费用少，成本较低，磷的去处效果好，但由于其操作过程中受气温、日照、 地理位置及土地面积的影响较大，因此生态法除磷至今未能被广泛应用； 膜法除磷很好的解决了生物活性污泥法除磷中产生的污泥沉降性能差、丝 状细菌膨胀及剩余污泥产生量大等问题，但由于其成本过高，因此在实际 污水除磷中也不能广泛应用。 1 1 2 1 化学法除磷 化学法除磷是一种应用较早和较广泛的除磷技术，其原理是通过在污 水中投加阳离子絮凝剂( 如钙离子、铝离子或者铁离子) ，使该絮凝剂与污水 中的磷酸盐发生沉淀反应，形成不溶性的磷酸盐沉淀，同时由于污水中氢 氧根离子的存在，最终产生氢氧化物絮体，之后再利用固液分离的方法将 生成的最终沉淀物从污水中分离出去，从而达到去除废水中磷的目的。该 。 方法最早是在欧洲被利用于除磷，之后在英美等国也被广泛应用，但由于 其产生的化学污泥处置极为困难，因此后期逐渐被生物法除磷所取代。进 入上世纪八十年代后，人们为了提高污水中磷的去除率又开始重新重视和 采用化学除磷方法。 用化学法除磷可以大致分为4 个阶段：沉淀反应阶段，凝聚作用阶段， 絮凝作用阶段及固液分离阶段。在这4 个阶段中，沉淀反应阶段和凝聚作 用阶段是在同一个反应池内进行，这样一来便可以使絮凝剂与污水进行快 而充分的混合。进行化学除磷时，反应池中首先发生的是沉淀过程，即阳 离子絮凝剂与污水中的磷酸盐形成沉淀物；之后便进入凝聚过程，此过程 中，污水中本身存在着的胶体粒子会与前阶段沉淀过程中所形成的沉淀物 粒子凝聚成直径更大的主粒子；凝聚过程之后，这些主粒子会继而进入絮 凝阶段，在絮凝阶段，这些主粒子又进一步结合成直径更大的絮体粒子， 宏观表现为反应器中沉淀颗粒物变大；这些增大后的沉淀颗粒物只需要通 过典型的沉淀或气浮方法便可进行分离1 5 j 。 化学法除磷中，用作絮凝剂的化学试剂主要有f e c l 3 、f e 2 ( s 0 4 ) 3 、f e s 0 4 、 f e c l 2 等铁盐、亚铁盐；a 1 2 ( s 0 4 ) 3 、n a 3 a 1 0 3 等铝盐；c a ( o h ) 2 钙盐以及铝铁 聚合物( a v r ) 等。通常认为化学法除磷的实质是通过投加的阳离子絮凝剂 2 硕： ：学位论文 ( c a 2 + 、a 1 3 + 、f e ”等) 与污水中的磷酸盐离子发生化学沉淀反应实现磷的去 除。下面所示为分别以石灰( c a ( o h ) 2 ) 、三氯化铁( f e c l 3 ) 和硫酸铝( a 1 2 ( s 0 4 ) 3 ) 做沉淀剂时，它们在污水中与磷酸盐发生的系列反应 6 - 8 】。 石灰： c a 2 + + h c 0 3 + o h 。一c a c 0 3l + h 2 0 5 c a 2 + + 3 h p 0 4 扣+ 4 0 h 。一c a 5 ( o h ) ( p 0 4 ) 3l + 3 h 2 0 三氯化铁： f e 3 + + p 0 3 3 - 一f e p 0 4i f e 3 + + h c 0 3 一f e ( o h ) 3l + c 0 2 硫酸铝： a l ”+ h n p 0 4 弘n j - 一a 1 p 0 4l + n h + 由这些反应可见，用化学法去除磷酸盐的沉淀过程中并不仅仅发生金 属阳离子与磷酸盐离子的电性中和反应，通常还会伴有其他反应发生，例 如，当投加石灰时，水体中除生成磷酸盐沉淀的反应外，还会发生钙离子 与碳酸氢根离子及氢氧根离子结合形成碳酸钙沉淀的反应；在投加硫酸铝、 三氯化铁的除磷过程中，除了金属离子与磷酸盐离子的沉淀反应外，还伴 有金属离子水解产物的络合反应。投加石灰时反应生成的碳酸钙沉淀对除 磷过程极为有利，可以作为沉淀过程中的增重剂，加速沉淀；投加硫酸铝、 三氯化铁时反应生成的络合物具有较高正电荷，能迅速吸附水体中带负电 ” 荷的杂质，促进胶体和悬浮物的快速凝聚和沉淀。 由此可以认为，用化学方法除磷时，磷的去除并不全依赖磷酸盐在沉 淀剂作用下发生的电性中和反应，在某些条件下，化学络合作用在磷酸盐 一 沉淀过程中也可能起到重要作用。有研究者f 9 】通过对投加a 1 2 ( s 0 4 ) 3 进行化 学沉淀反应进行研究后得出如下结论，磷是由于受到一种特殊作用力发生 络合反应才会被吸附和去除，当铝离子与水体充分混合后，铝离子不仅能 与水体中的磷酸根离子结合，与此同时，部分铝离子还会水解成单核络合 物，之后通过凝聚形成多核络合物，该多核络合物带正电荷，能吸附水体 中带负电荷的杂质，对反应池中沉淀过程有促进作用。这一研究成果近年 来再次得到证实，有研究表明【1 0 】，投加了a 1 2 ( s 0 4 ) 3 的污水中，磷酸根离子 确实是通过投加的化学药剂a 1 2 ( s 0 4 ) 3 的吸附作用去除的；e m i l 等人【l l 】的研 究也表明，在投加a 1 2 ( s 0 4 ) 3 的化学除磷系统中，铝絮体的吸附能力及絮体 的分布对磷的去除效果起了决定性作用。在对投加铁离子的化学除磷系统 进行研究后，研究者也指出，在水体中不仅发生了铁离子与磷酸盐离子的 沉淀反应，同时还伴随着铁离子水解产物的络合反应。 1 1 2 2 生物法除磷 生物法除磷是通过普通微生物对磷( p ) 的直接吸收利用和一类特殊微生 物对磷( p ) 的超量吸收作用来实现磷去除的。微生物直接吸收利用的磷是用 于满足微生物的正常生长代谢，因此吸收的磷量较少；而特殊微生物对磷的 过量吸收则是借助于这些微生物在特定条件下的代谢活动，以远高于其正常 生成吸收的磷量来吸收废水中的磷元素，将磷元素以胞内储能物质聚磷酸盐 的形式贮存在微生物体内，这些微生物吸收的磷量较多，因此通过此类微生 物的过量吸收作用可大幅度降低废水中的磷含量，生物除磷就是通过此类微 生物实现的，此类微生物被称作聚磷菌( 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 ) 。聚磷菌是一类在特殊环境条件下具有过量吸磷能力的 微生物菌群的总称，并不单指某一具体种群微生物，能实现生物除磷的聚磷 菌有不动杆菌属、肠杆菌属、着色菌属及脱氮微球菌属等，其中蓝细菌表现 出了较强的除磷能力【l2 1 。据报道，有一种嗜热性的蓝细菌( 尸1 a m i n o s u m ) 在经过两昼夜的停置时间后，能将二级污水处理工艺出水的磷降到非常低水 平【l3 1 。尽管能实现生物除磷的聚磷菌菌群具有多样性，但由于其单一菌种 很容易受到环境因素( 如温度、p h 、溶解氧、进水成分、水力停留时间等) 的影响，导致系统的除磷效果不稳定，因此，在实际的污水除磷工艺中，探 寻使工艺稳定运行的方法及途径显得极其重要。 1 1 2 3 生态法除磷 生态法除磷主要指利用人工湿地进行除磷，其组成主要包含四个要素： 水体、基质、水生植物及微生物。人工湿地除磷的机理是：首先选择一个 合适的位置建立人工湿地，之后在人工湿地上种植植物，通过湿地基质、 湿地植物及微生物相互间的作用，经过一系列物理、化学及生物作用，实 现污水中磷的去除。在人工湿地除磷中，基质、湿地植物及微生物是通过 不同方式进行除磷的，湿地基质主要通过吸收、吸附( 主要方式) 、过滤、离 子交换及络合反应等去除污水中的磷；植物主要通过其根系的吸收及同化 作用，将污水中的磷吸收转化为自己机体的有机成分，其根系相当于一个 生物过滤器；微生物主要是通过在厌氧、好氧及缺氧条件下对污染物进行 降解来去除污水中磷。通常情况下，湿地基质对磷的去除是湿地除磷的主 要途径，其去除的磷量最多，湿地植物去除的磷量较基质去除的磷量少， 微生物去除的磷量最少。但也有一些研究表明【l4 1 ，有些植物具有较强的除 磷能力，从而会使植物在湿地除磷中占据主导地位，如在浮萍形成的人工 湿地中，浮萍能去除废水中约四分之三的磷，而湿地中的微生物则能去除 废水中剩余部分的磷。 人工湿地不仅具有除磷能力强，投入成本低、技术含量低、维护管理 方便等优点，而且还具有能充分利用地形，能实现污水资源化，能将污水 的处理与利用相结合的优点，因此湿地法除磷受到许多研究者青睐，并在 实际污水除磷中得到成功应用。但由于湿地除磷的效果受气温、光照等自 然因素的影响较大，而且湿地占地面积较大，因此在实际应用中有一定局 4 硕十学位论文 限性，当没有空闲的土地或地形不适宜建立人工湿地时，均不能采用湿地 法进行污水除磷引。 1 1 2 4 膜法除磷 膜法除磷通常不单独使用，而是与生物法除磷技术相结合组成膜生物 反应器，通过膜生物反应器实现生物除磷。膜生物反应器的种类较多，按 照膜组件的放置方式可分为：分体式膜生物反应器和一体式膜生物反应 器；按照膜生物反应器是否需氧：可分为好氧膜生物反应器和厌氧膜生 物反应器；按照膜组件在膜生物反应器中所起的作用不同，可分为分离膜 生物反应器、无泡曝气膜生物反应器和萃取膜生物反应器。分离膜生物反 应器、无泡曝气膜生物反应器和萃取膜生物反应器的流程图见图1 1 。 峭水 卜 膜 组 件 l a l ( b )( q 进查 膜 组 件 纨) 分离膜生物反虚器；缸) 无泡曝气艨生物反应器；( c ) 萃取膜生物反应器 图1 1 典型膜生物反应器 1 6 1 利用膜生物反应器进行污水除磷是一种新型的废水处理技术，它将生 物处理技术和膜分离技术合二为一，通过膜的分离技术大大强化了生物反 应器的功能。膜生物反应器在废水处理中表现出许多优势【1 7 ，1 8 】，应用膜 生物反应器能很好的解决传统活性污泥法在处理废水过程中存在的许多 问题( 诸如活性污泥沉降性能差、生物化学反应速率不高以及剩余污泥处置 费用昂贵等问题) 。膜生物反应器在设置上省去了二沉池，增加了膜组件( u v m f ) ，使反应器中的泥和水更容易分离；其次，膜生物反应器升高了曝气池 中的活性污泥浓度，从而加快了系统中的反应速率；最后，膜生物反应器 减小了f m 的比值，从而使产生的剩余污泥量变少。 尽管膜技术具有上述优点，但在实际运行中，其仍然存在一定的局限 性：从经济成本考虑，膜的成本价格较高，因此在污水处理中很难单独使 用膜技术进行除磷；其次，与生物法除磷相比，膜技术不能实现微生物在 生物反应器 d h 值和碳源浓度对s b r 单级好氧生物除磷的影响研究 膜上的不断增长，因此技术上比不过生物法除磷。鉴于此两方面原因，在 实际的污水除磷中，膜技术通常不单独使用，多数情况下都是与生物法结 合使用，而只有在遇到一些特定的污水源、特定的含磷化合物或当污水经 处理后需回收纯净的磷盐时才单独使用此技术。 1 2 传统生物除磷技术 现阶段，含磷废水的主要处理途径是通过传统生物除磷技术进行处理。 传统生物除磷技术是借助于聚磷茵( p a o s ) 在好氧条件下对污水中溶解性磷 酸盐的过量吸收作用，实现污水中磷的去除，该除磷技术一直是水处理研究 的一个热点。针对该种生物除磷技术的研究较多，主要包括生物除磷的机理， 生化代谢模型，除磷的影响因素及除磷运行工艺等方面。 1 2 1 生物除磷机理 迄今为止，有关传统生物除磷机理的研究存在两种说法：p a o 原理和 d b p ( d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v i n gb a c t e r i a ，反硝化聚磷茵) 原理。 p a o 原理发生在厌氧好氧条件下，d b p 原理则发生在厌氧缺氧( 无0 2 但存 在n 0 3 。) 条件下。p a o 原理和d b p 原理均认为生物除磷的实质是一类特定微 生物的释磷和摄磷作用，两种原理中所涉及的特定微生物细胞内贮存物质聚 b 羟基丁酸盐( p h b ) 和糖原质的生物代谢作用基本相似，两种原理的主要区 别在于氧化细胞内贮存p h b 时电子受体的不同( p a o 机理中电子受体是0 2 ， d b p 中是n o x n ) 。由于d b p 机理中微生物在吸磷的同时能将硝酸盐转化为 n 2 ，即在将磷吸入细胞的的同时能进行反硝化作用，因此可达到同时脱氮 和除磷的双重目的。利用d b p 机理进行废水除磷，可以缩小曝气池的体积， 节省能源，但由于利用d b p 机理进行生物除磷是近年才被发现，因此针对 d b p 机理的生物除磷研究较少，目前为止，国内外大部分生物除磷研究仍以 基于p a o 机理的生物除磷为主。 基于p a o 机理的生物除磷过程可分为两个阶段，厌氧释磷阶段和好氧吸 磷阶段。在厌氧阶段，微生物的正常生长和代谢均受到抑制，有一类被称为 “聚磷菌 ( p a o s ) 的微生物在该不利条件下，能分解贮存在其细胞中的聚 磷酸盐和糖原( g l y c o g e n ) ，分解产物以溶解性的磷酸盐形式释放到溶液中， 此过程同时能产生能量a t p ，聚磷菌利用该a t p 中的一部分吸收废水中由产 酸菌分解短链挥发性脂肪酸( v f a ) 所产生的基质合成细胞内储能物质 p h b ( 聚b 羟基丁酸盐) ，此过程即为聚磷菌的“厌氧释磷”。当聚磷菌完成 厌氧释磷，继而进入好氧阶段后，它们的活性将得到恢复，能氧化贮存在体 内的储能物质p h b ，释放能量，释放出的能量一部分用于从废水中过量摄取 6 硕士学位论文 溶解态的正磷酸盐合成胞内物质聚磷( p o l y p h o s p h a t e ) ，另一部分则用于满 足自身生长代谢，此过程即为聚磷菌的“好氧吸磷”。生物除磷的实质就是 聚磷菌循环进行厌氧释磷和好氧吸磷的过程，通过这一循环过程实现废水中 磷的去除。其原理如图1 2 所示。 有机基质 厌氧环境 聚磷荫聚磷麓聚碡荫 图1 2 生物除磷机理9 l 篁， ” 1 2 2 生物除磷的生化反应研究 1 2 2 1 生物除磷的微生物研究 近年来，不论是国内研究人员还是国外研究人员，对生物除磷系统