（市政工程专业论文）污水生物处理系统内源过程机理实验研究.pdf

北京建筑工程学院硕士学位论文摘要 污水生物处理系统内源过程机理实验研究 摘要：由于一些基础理论知识存在缺陷，使得现有污水生物处理系统还不够尽善 尽美。其中，污水生物处理系统内源过程便是一个较为关键知识盲区。 本实验研究在总结前人工作并建立了内源过程定性模型的基础上，针对污水 生物处理系统内源过程展开基础性实验工作。首先，实验探索了污水生物处理系 统中高等微生物活性的测定方法实验发现，盐( n a c l ) 能够在短时问内抑制高 等微生物，但不能长期抑制、甚至杀死这些高等微生物；当盐液被洗净之后，好 氧培养条件下高等微生物可在2h 内恢复运动和捕食能力。通过加盐抑制的方法， 在硝化系统中测得高等微生物活性约占1 4 对于进水中含有有机底物的异养系 统，这一方法并不适用，主要是因为盐处理会影响泥样中异养细菌的耗氧速率 ( 0 u r ) 。 其次，实验还研究了硝化细菌和异养细菌的衰减特性。实验发现，s b r 硝化 系统中( 3 0 0 c ) 亚硝酸氮氧化细菌( n o b ) 衰减速率( o 3 5d - 1 ) 远大于氨氮氧化 细菌( a o b ) 衰减速率( o 1 4 d - 1 ) 。目前，对于这一现象的具体原因还不是十分清 楚 此外，实验还发现，无论是硝化细菌还是异养细菌，其衰减都是由细胞活性 降低和细胞死亡两部分组成。实验测得硝化细菌和异养细菌的平均死亡速率分别 为0 0 5 6 d - 1 和0 0 4 5d - 1 ，分别占其衰减速率的4 0 0 , 4 和2 0 0 , 4 。 关键词：污水生物处理，内源过程，细胞维持，高等微生物，硝化系统，衰减速 率，死亡速率 e x p e r i m e n t a ls t u d y o nt h em e c h a n i s m so f e n d o g e n o u s p 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 a b s 仃嘶：c u r r e n tb i o l o g i c a lw a s t e w a t e rh e a t m e n ts y s t e m s ( b w t s s ) a 糟n o tg o o d e n o u g h , d u et ol a c ko ff u l li n f o r m a t i o na b o u tf u n d a m e n t a lk n o w l e d g ei nb i o l o g i c a l w a s t e w v a t e rt r e a t m e n t a m o n go t h e r s , e n d o g e n o u sp r o c e s s e sc o u l db ee r i ek e yt o p i ct o b ee x p l o r e d b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c h e r s f i n d i n g sa n daq u a l i t a t i v em o d e lo fe n d o g e n o u s l 鲫o c e s s e s ，af u n d a m e n t a le x p e r i m e n to ne n d o g e n o u sp l o c c s 辎i nb w t s sw a si n i t i a t e d i nt h ee x p e r i m e n t , am e t h o dd e t e r m i n i n gt h ea c t i v i t yo fl l i 蕾l 嚣m i c r o o r g a n i s m sw a s f i r s t l yi n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n tr e v e a l e dt h a tn a c lw a se f f i c i e n te n o u g ht oq u i c k l y i n h i b i th i g h e rm i c r o o r g a n i s m sa n dh o w e v e rw a su n a b l et ok e e ph i g h 盯m i c r o o r g a n i s r n s i n h i b i t e da n yl o n g e ra n d o rt ok i l lt h e m w h e nn a c l w a sw a s h e do u t , h i g h e r m i c r o o r g a n i s m sc o u l di m m e d i a t e l yr e s t o 他t h e i ra e r o b i ca c t i v i t yi n2h u n d e rt h e i n h i b i t i o no fn a c i ，t h ea c t i v i t yo fh i g h 盯m i c r o o r g a n i s m si nas b r n i t r i f y i n gs y s t e m w a sd e t e r m i n e da t1 4 h o w l e r , t h i sm e t h o dw a sn o ts u i t a b l ef o rh e t e r o t r o p h i c s y s t e m s ，a sn a c lc o u l di n f l u e n e eo x y g e nu p t a k er a t e ( o u r ) o f h e t e r o t r o p h i eb a c t e r i a t h cd e c a yp r o c e s s e so fb o t hl l i 删弭n gb a c t e r i aa n do r d i n a r yh e t 盯o t r o p h i c o r g a n i s m s ( o h o s ) w c r ca l s os t u d i e di nt h ee x p e r i m e n t n ee x p e r i m e n td e t e r m i n e dt h e d e c a yr a t eo f n i t r i t eo x i d i z i n gb a c t e r i a ( n o b ) a to 3 5d - 1 ，w h i c hi sq u i t eh i g h e rt h a nt h a t ( o 1 4d 1 ) o f a m m o m ao x i d i z i n g b a c t e r i a ( a o b ) m o r e o v e r , t h ee x p e r i m e n tf o u n dt h a tt h ed e c a yo fb o t hn i t r i f y i n gb a c t e r i aa n d o h o sc o n s i s t e do f e i t h e ri n h i b i t e da c t i v i t i e so f c e l l so rd e a t ho f c e l l m 撼d e a t hr a t e so f n i t r i f y i n gb a c t e r i aa n do h o sw c r em e a s u r e da t0 ，0 5 6d _ 1a n d0 0 4 5d r e s p e c t i v e l y , w h i c hc o u l do n l ye x p l a i n4 0 a n d2 0 o f t h e i rt o t a ld e c a yr a t e s k e y w o r d s ：b i o l o g i c a lw a s l c w a t e r 仃e s 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 lm a i n t e n a n c e ， h i g h e rm i c r o o r g a n i s m s , n i n i f y i n gs y s t e m ，d e c a yr a t e ，d e a t hr a t 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，均已在文中以明确方 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： 日期：纠年7 月 北京建筑工程学院硕士学位论文概论 1 1 污水生物处理系统 所谓污水生物处理，是指利用生物技术，以工程化的方法实现污水净化相 比于物理和化学污水处理方法，污水生物处理具有高效低耗，投资较少费用较低， 能够有效地去除污水中的各种有机污染物质的特点因此，随着全球范围内日益 严重的水资源短缺和水资源污染，污水生物处理系统迅速登上了其历史舞台并在 全世界范围内被广泛应用。 最早的污水生物处理系统出现在1 9 1 4 年的英国曼切斯特。起初，污水生物处 理系统的主要任务仅是去除c o d ，典型的代表性工艺是以曝气池加沉淀池为主要 构筑物的常规活性污泥工艺，水力停留时间( h r t ) 和污泥龄( s r t ) 都相对较短。 后来，随着水体富营养化的加重，海洋“赤潮”现象和地表水体富营养化现象的 不断发生和加重，污水中营养物质( 主要是氮和磷) 的去除逐渐受到重视，并最 终促使技术人员开发出了以营养物去除为首要目标的生物营养物去除( b i 0 1 0 9 i c a l n u t r i e n t sr e m o v a l ，b n r ) 工艺，典型的代表性工艺是厌氧缺氧好氧( a a o ) t 艺，如图1 1 所示。此时，为达到氮、磷去除的目的，系统中无论是h r t 还是s r t 都被大大延长，以达到富集某些生长速率缓慢的细菌的目的，且反应器的功能被 细化，分为了许多不同的功能段。总之，b n rt 艺的出现使污水生物处理系统在 功能上得到了提高，在结构上也变得复杂。此外，在b n r 工艺中c o d 的去除变 成了一个附属的过程，在技术上已没有太大困难，且在大多数情况下由于除磷和 反硝化的需要污水中的c o d 是相对不足的。在近几年来，伴随着更加严格的污水 处理排放标准的执行，出现了一些具有高度针对性的新型工艺。其中，一个主要 的方面就是以污泥消化液为代表的高氨氮废水的处理。围绕这一课题，新型的 s h a r o n 工艺、a n a m m o xt 艺以及c a n o n 工艺等相继被研发出来并投入实 际应用l l j 。 从以上概述中可以看出，经过近一个世纪的时间，污水生物处理系统的结构 由简到繁，处理水平由低到高，在实现自身发展完善的同时为全球的水污染控制 北京建筑工程学院硕士学位论文 做出了巨大贡献。 1 2 污水生物处理的理论知识缺陷内源过程 尽管污水生物处理系统已经达到了一个相对成熟的水平，然而，是否现阶段 的污水生物处理系统已经完美无缺了呢? 答案是否定的，实践过程中的许多例子 一再证明现在的污水生物处理系统仍存在着一些严重的问题污水生物处理系统 是以生物技术为基础的，因而污水生物处理系统中的许多问题从根本上说都是关 于生物处理过程的问题，都是由于对生物处理过程的认识不足造成的即，在目 前还存在着对污水生物处理理论认识上的知识缺陷，并由于这些知识缺陷的存在 造成了一些较为严重的后果。 在这其中，一个相当关键的知识缺陷即是关于污水生物处理系统中内源过程 的f 2 】。所谓污水生物处理系统的内源过程，是指系统中细菌内部的代谢过程，以及 细菌之间、细菌同病毒、细菌同高等微生物之间的相互作用过程的整体内源过 程涉及到了一系列的生物学、生态学的作用机制和反应过程，涵盖了细胞维持、 内源呼吸、细胞衰减、细胞自溶和隐性生长、病毒感染、高等微生物( 原生动物 和后生动物) 的捕食等方面【3 4 1 。 生物处理过程? 图1 1 当前具有代表性的污水生物处理工艺( 厌氧缺氧好氧工艺) 由于内源过程影响到污水生物处理系统的各个方面，因此对内源过程的认识 不足必将导致目前的污水生物处理系统不完善。概括说来，污水生物处理系统中 由于内源过程的知识缺陷而导致的问题主要有以下三个方面，现以图1 1 中的厌氧 缺氧好氧工艺为例做具体说明： 2 北京建筑工程学院硕士学位论文 1 ) 问题l ：出水水质不够稳定。污水处理的首要任务即是使污水由浊变清， 去除掉其中的污染物质。因而保证出水水质合乎标准是第一位的污水生物处理 系统是以生物处理为主体的系统，发挥处理作用的是在系统内的各种微生物系 统内的微生物会受到进水水质和系统运行参数的影响。比如，在不同的运行参数 下细菌的衰减速率会有所不同因而，当运行参数变化后，由于衰减速率的变化 系统内的生物量也会发生变化，因而系统的处理能力和处理效率也会随之改变 所以，如何根据进水水质和运行参数的变化，合理调整污水生物处理系统，维持 系统内生物量的稳定是保证出水水质的关键。然而，由于对细菌细胞衰减这一内 源过程的认识不足，目前尚不能够准确地预知系统的处理能力和处理效率会如何 改变，以及改变多少，因此也就不可能依此对系统做出相应的调整这样一来导 致的结果是，现阶段的污水处理系统可能会在某一时问段内稳定运行，然而一旦 运行参数发生较大的改变，就很有可能会导致处理效果的恶化。 目前的研究已发现，在生物除磷工艺中，出水中磷的升高可能是由于聚磷菌 ( p h o s p h o r u s a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s , p a o s ) 胞内聚合物的过分代谢引起的i 习，也 可能是由于同时的聚磷菌衰减和胞内聚合物过分代谢引起的【6 】；而在硝化系统中高 等微生物对硝化细菌的过分捕食可能会引起硝化系统的崩洲7 】。在现阶段，对于这 些现象还是仅仅的处在定性认识的基础上，其中的化学计量关系、反应动力学关 系还都不明确。 2 ) 问题2 ：大量剩余污泥的产生。目前，污水生物处理系统一个最引人注目 的缺点就是大量剩余污泥的产生。以北京市为例，2 0 0 5 年的干污泥产量约为3 6 0 t d ， 折合含水率8 0 的湿污泥为1 8 0 0 t d i s 。而剩余污泥的处理费用非常高昂，国内外 的研究表明大约占到污水处理厂建设和运行总费用的4 0 - 6 0 左右唧。现阶段我 国干污泥的处理费用大约为8 0 0 元膳埘，因而仅北京市每天的污泥处理费用即将达 到3 0 万元之多。就全国范围来说，每日的污泥处理费用将大的惊人。且，随着环 境意识与环保要求的提高，必将有更多的污水厂行将建设，因而也就将有更多的 剩余污泥亟待处理。所以说，大量的剩余污泥以及其高昂的处理费用已成为制约 污水生物处理系统进一步发展的主要因素之一，剩余污泥也已成为当今世界普遍 关注的一个焦点问题，形势十分严峻。 实质上，内源过程决定着污水生物处理系统的污泥产量。在污水生物处理的 3 北京建筑工程学院硕士学位论文 内源过程中，无论是细胞维持还是细胞死亡、溶解以及捕食等衰减过程，都直接 或闻接的影响到系统中总的生物量( b i o m a 鹤) 。特别地，高等微生物对于细菌的 捕食作用可能会引起相当数量的生物量减少，这一现象已在近几年引起了广泛的 关注【l ”。因此，若能取得对内源过程的深刻认识，则非常有可能通过对污水生物 处理系统的合理优化，在不引起处理效果降低的情况下强化那些能够起到污泥减 量的过程，从而取得可观的污泥减量效果。显然，这样的污泥减量技术是“防患 于未然”，具有标本兼治的作用，这对于生物污水处理系统在未来的进一步广泛普 及和发展具有非常重要的现实意义 3 ) 问题3 ：生物处理过程没有得到优化，效率不高。如图1 1 中所示，如今 的污水生物处理系统已变得相对复杂。以典型的a a o 工艺为例，需要有厌氧、缺 氧和好氧3 个相对独立的反应器和l 条内循环，而对于近来开发出来的b c f s 曰工 艺，则是已增加到5 个反应器和3 条内循环。因而如何做好污水生物处理系统的 优化是今后将要面临的一个主要问题。内源过程涉及到了污水生物处理系统中的 方方面面，因而对内源过程的良好理解是做好污水生物处理系统优化的基础。比 如，内源过程会消耗相当数量的电子受体，如0 2 、n 0 3 。等。据估算，用于c o d 去除的充氧曝气过程，其中有超过5 0 的氧气被内源呼吸过程消耗掉【4 】。显然，这 些知识对于污水生物处理系统中充氧曝气过程的优化是很有必要的。 综上所述，现有的污水生物处理系统并不完善，特别是在内源过程方面还存 在着严重的知识缺陷。因而，非常有必要从微观角度对内源过程开展基础性研究， 以全面认识系统内微生物的内源过程，从根本上获得有效减少剩余污泥产量、提 高处理效率的技术策略，从而实现污水生物处理的可持续发展。 1 3 论文梗概 本论文基于污水生物处理系统中的内源过程展开。论文共分5 个部分。在第l 部分中，首先简要回顾了污水生物处理系统的发展概况，以此为基础指出了目前 的污水生物处理系统尚不够完善，特别是内源过程的知识缺陷给污水生物处理系 统带来了严重的问题，因此非常有必要从理论上对内源过程做深入的研究。论文 的第2 部分为文献综述部分，总结了到目前为止关于污水生物处理系统中内源过 程的研究现状。这部分的主要目的是为今后的具体实验研究做好理论基础。 4 北京建筑工程学院顾士学位论文 论文的第3 、4 部分为实验研究。在第3 部分中，实验研究围绕着污水生物处 理系统中的高等微生物展开，通过具体的实验数据深入讨论了一个新近提出的测 定污水生物系统中高等微生物活性的方法。在第4 部分，着重研究了污水生物处 理系统中硝化细菌和异养细菌的衰减特性分别测定了硝化系统中硝化细菌的衰 减速率和细菌细胞的平均死亡速率，并对所得数据作了分析对比此外，在本部 分中还测定了异养系统内异养细菌的衰减速率和细胞死亡速率，并对比了硝化细 菌和异养细菌衰减特性的不同。 论文的第5 部分为结论与建议部分，将本研究中的主要结果和发现进行了总 结，并指出了今后在这几个方面的研究方向 5 北京建筑工程学院硕士学位论文悸承生物处理系统中内源过程的研究现状 污水生物处理基于微生物对污染物质的降解，其中细菌是这一过程中执行任 务的微生物主体。污水生物处理系统中的细菌主要有以下五个大类：硝化细菌( 包 括氨氮氧化细菌，a o b ；和甄硝酸氮氧化细菌，n o b ) ；聚磷菌( p a o s ) , 聚糖源 菌( g a o s ) ；以及常规异养菌( o h o s ) 。同时，在污水生物处理系统内还不可避 免的存在着相当数量的病毒，以及栖息着相当数量的高等微生物( 主要是原生动 物，以及一些后生动物) 。所有这些微生物，在污水生物处理系统内组成了相对稳 定的微生物群落，而所谓污水生物处理系统的内源过程，即是指系统中细菌内部 的代谢过程、细菌之间以及细菌同病毒、高等微生物问的复杂作用过程，主要涉 及到了细胞维持、细胞死亡和溶解、隐性生长、原生动物和后生动物捕食等方面， 如图2 1 所示。 r 一一一一一一一一一i 图2 1 污水生物处理处理系统中的内源过程 6 广一 北京建筑工程学院硕士学位论文污水生物处理系统中内源过程的研究现状 具体说来，内源过程可以从以下两个层面上来分析； 1 ) 细胞水平：任何一个活的微生物都需要一定的能量来维持细胞正常的生理 状态，即细胞维持。所以在污水生物处理系统中总要有一定量的底物被用来提供 细胞维持所需要的能量而不是用来生成生物体。这一过程发生在细胞内部，是一 个内源代谢的过程，会间接的影响到系统内生物量增长，一般不会引起细菌数量 的减少，但有可能引起细菌质量减少( 如，细菌的内源呼吸现象) ； 2 ) 群落水平：对于污水生物处理系统内的所有微生物，都不可避免的会受到 系统运行参数的影响，在一些不利的环境条件下，微生物会发生死亡另一方面， 由于系统内存在病毒和高等微生物，细菌又将受到病毒的侵袭和高等微生物的捕 食。所有这些过程都直接引起系统内生物量的减少。这些过程又都发生在群落的 水平上，所以可以称为群落水平。 2 1 细胞水平：细胞维持 2 1 1 细胞维持 长期以来，细菌生长过程中是否所有底物都被用来生长这一问题始终困扰着 人们。经过几十年的不断探索，最终莫诺在实验中证实了细菌的产率与其生长速 率有判1 2 1 ，这就说明底物并不是完全用于生物体生成，即有部分底物被用于了 细胞维持。 所谓细胞维持是指微生物需要一定的能量用来维持正常的生命状态，即维持 与生命活动相关的一些过程，比如细胞的运动、胞内离子梯度的平衡、关键蛋白 质和核酸的更新、以及物料运输等等“3 j 4 】。很明显，细胞维持是生物体生命活动 中的一个最基本要求，因而细胞维持能量必须最先被满足。 2 1 2 细胞维持在微生物学中的研究现状 关于细胞维持的研究已有久远的历史。d u c l e a u x 最先从理论上提出了底物可 能被分别用于生物体生长和细胞维持两个方面【1 5 1 。在此基础上，p i t t 对细胞维持能 量的概念进行了全面阐述，提出维持能量即是细胞除去用于生长之外的所有能量 消耗；这种维持能量相对于一定数量的细菌来说是一定的，不随生长速率的变化 而变化 1 6 1 。基于这样的假设，p i t t 提出了生物体产率( y ) 与比增长速率( ) 之 7 北京建筑工程学院硕士学位论文污水生物处理系统中内源过程的研究现状 间的经验关系式( 公式2 1 ) 。显然， 产率产生较大影响 1lm - - _ 一 y r o 芦 在生长速率较低时维持能量需求会对生物体 ( 2 1 ) 式中，理论最大产率，即假定维持能量为零时的产率； ，卜一比维持系数，即单位时间单位生物体为提供维持能量所消耗的底物量 然而，随着内源代谢研究的不断深入，p i r t 有关维持能量的理论受到了挑战 n e i j s s e l 和t e m p e s t 根据p i t t 的公式( 2 1 ) 提出了底物比消耗速率( g ) 和比增长 速率( ) 的关系式( 公式2 2 ) ，更加清晰地阐明了底物在细菌生长过程中的分配 关系【”。基于这一公式以及实验结果，他们发现菌种k l e b s i e l l aa e r o g e n e s 在底物 相对丰富的条件下的底物消耗速率明显高于底物相对不足时的底物消耗速率。对 此他们的解释是：在底物相对丰富状态下细菌的维持能量需求升高了，且维持能 量随着生长速率的变化而变化。这就突显出了p i t t 有关维持能量的理论存在着明 显的缺陷。 q = l z + 卅 式中，譬底物比消耗速率。 为此，p i t t 重新给出了一个修正模型公式( 公式2 - 3 ) ， 细胞维持与细胞生长以及底物消耗之间的关系【1 8 】。 g = 告+ + 埘( 1 一助) 4 g 式中，m 广恒定维持系数项，与生长速率无关； m 与生长速率相关的维持系数项。 ( 2 2 ) 以描述不同底物状态下 ( 2 3 ) 那么，为什么底物相对丰富时会使维持能量升高呢? 对此，w e s t e r h o o f f 给出 了进一步的解释【l9 】：合成代谢和分解代谢并不一定始终都是紧密偶联的，在底物 相对丰富的状态下会产生能量泄漏，即，所谓解偶联现象；亦即，分解代谢过程 北京建筑工程学院硕士学位论文污水生物处理系统中内源过程的研究现状 中所产生的能量并非完全用于生长和维持，一部分能量会以代谢中间产物分泌、 代谢路径转移以及无效耗能循环等途径散失，而正是这部分能量在p i t t 理论下被 认为是用于细胞维持了，因而得到了升高的表观维持能量。其中，起能量散失作 用的无效耗能循环等途径的作用是为了在底物相对丰富状态下，也即营养物为细 菌细胞生长限制因素时，提高细菌同某些营养物的亲和性并增加对这些离子的跨 膜运输能力。 形c b 乡夕 夕 图2 2 能源底物比消耗速率q 与比增长速率口关系图【1 羽 m 理想状态( m - - 0 ) ；b 底物相对不足状态( 栅为常数，m = m ，) ；c - 底物相对丰富状态( m 随i l 变化m 一，m ( 1 却) 总结以上理论可以看出，生长环境内底物与营养物的比例对细菌的生长有重 要影响，如图2 2 所示。当环境内底物处于相对不足状态时，分解代谢和合成代谢 紧密偶联，底物利用效率高：此时，分解代谢产生的能量可以认为被完全用于细 胞生长和细胞维持，单位生物量的维持能量为常数所j ，与生长速率无关( 见图2 2 中b 斜线) 。当底物处于相对丰富状态时，会发生解偶联现象，底物利用效率低； 此时单位生物量的维持能量随比增长速率增大而减小( m = m m ，( 1 - 如) ) ( 见图2 2 中c 斜线) ；当细菌处于最大生长速率时，即此时其生长不受底物限制也不受营养 物质的限制，生物体的维持能量表现为定值m j 。 上面所讨论的细胞维持都是外源底物存在的情况下的。然而在外源底物匮乏 时，细菌通常会通过所谓的内源呼吸过程分解p h a 、糖原等胞内聚合物乃至氧化 自身组织，从而提供维持能量，满足细胞最基本的生命活动。在这种情况下，通 9 北京建筑工程学院颈士学位论文 污承生物处理系统中内源过程的研究现状 常会观测到0 2 或n 0 3 。等电子受体的消耗，以及生物量的减少，即细菌发生了负增 长( n e g a t i v eg r o w t h ) 现象。实际上，在p i r t 的经验公式提出之前，h e r b e r t 就曾 认为细胞维持能量对生物体产率的影响可以理解为生物体的受增长冽，具体关系 可表示为( 公式2 4 ) 警吡叫z ( 2 4 ) 式中，a - - 比维持速率。维持系数m 和比维持速率a 的关系为， 胁= 4 ，r o ( 2 5 ) 2 1 3 污水生物处理系统内细胞维持能量的特点 污水生物处理系统内细菌的细胞维持过程有许多与众不同之处，这主要是由 于受到污水生物处理系统自身特点的影响。污水生物处理系统一些突出的自身特 点可以总结如下： 1 ) 污水生物处理系统内的细菌处于时而底物丰富( f e a s t 阶段) 时而底物匮乏 ( f a m i n e 阶段) 的生存状态f 2 这可能是由于进水水质的周期性交化引起的，也 可能是由于反应器内的底物浓度梯度造成的。为适应这一特点，保持一个相对稳 定的生长速率，系统内细菌的代谢特征也发生着相应的适应性改变。其中之一就 是，某些异养细菌的胞内会形成聚争羟基烷酸( p h a ) 或糖原等胞内聚合物。胞 内聚合物在污水生物处理过程中具有重要作用。 2 ) 污水生物处理系统中营养物质( 氮和磷等) 非常丰富，以至于如概论中所 述营养物去除已成为当前污水生物处理的一个重要课题。因此，在污水生物处理 系统内细菌不可能处于底物相对丰富的生长状态，也即细菌在代谢过程中不可能 发生自动的解偶联现象。 3 ) 在污水生物处理系统内，由于污水中的污染物浓度相对较低，所以细菌的 生长速率一般较低，大约为0 0 2 - - 0 2 d 4 j 。低生长速率将会影响细菌的细胞维持， 此时细菌有自动降低细胞维持能量的趋势。 通常说来，在外源底物存在的情况下，即底物丰富阶段，常规异养菌( o h o s ) 就利用外源底物实现细胞生长、细胞维持和胞内聚合物的合成；而当其生存环境 转变为底物匮乏状态时( f a m i n e 阶段) ，o h o s 则分解体内贮存的胞内聚合物，用 1 0 北京建筑工程学院硕士学位论文 污永生物处理系统中内源过程的研究现状 以提供细胞维持能量和实现细胞生长圆。对于聚磷菌( p a o s ) ，其代谢以及细胞维 持过程则较为复杂。p a o s 必须生存在交替的厌氧和好氧( 或缺氧) 动态环境下， 以实现磷的释放和过量摄取，从而达到除磷的目的。在除磷工艺中，回流污泥和 进水中的底物首先进入厌氧反应器，因而形成底物丰富阶段，此时p a o s 吸收短链 脂肪烃等有机物并以p h a 的形式贮存在细胞内，同时胞内的聚磷酸盐被分解生成 a t p ，此时被用于细胞维持能量正是来自于聚磷酸盐的分解；随后，p a o s 进入好 氧或缺氧反应器，此时反应器内没有适合p a o s 吸收的有机底物，因而可以认为是 底物匮乏阶段，此时p a o s 不得不分解胞内的p h a ，p h a 一部分被用提供细胞生 长的碳源，而另一部分则被生成了能量，能量主要被用于细胞维持、细胞生长以 及聚磷酸盐在胞内的合成【2 3 1 。对于聚糖原菌( g a o s ) ，其代谢过程和p a o s 极其 相似，只不过在厌氧状态下提供能量的是胞内糖原的分解，而在好氧或缺氧状态 下则仍旧是胞内p h a 的分解提供细胞维持能量洲，不具有p a o s 厌氧释磷好氧吸 磷的现象。 对于硝化细菌( a o b 和n o b ) ，它们的代谢以及细胞维持过程又与以上所讨 论的异养细菌有很大的不同。首先，硝化细菌不像异养菌那样能够在细胞内形成 可以提供能量的胞内聚合物；此外，硝化细菌的能源底物和碳源底物是互相分开 的。因而，在能源底物丰富阶段，硝化细菌的细胞维持能量直接来自于能源底物 ( n i + - n 或n 0 2 - - n ) 的氧化分解；然而在底物匮乏阶段，由于没有可用于提供能 量的胞内聚合物，硝化细菌不得不面对一段时间的饥饿过程。到目前为止，硝化 细菌在底物匮乏状态下如何实现细胞维持的作用机制尚不清楚【2 5 l 。 2 1 4 细胞维持能量的测定 目前，在微生物学研究领域内对于细胞维持能量的测定主要有两种方法。一 种是基于p i r t 理论，利用恒化器( c h e r a o s t a t ) 测定不同稀释速率时的产率，通过 公式( 2 i ) 或( 2 3 ) 利用不同比增长速率时的产率计算出细胞的维持能量需求( 恒 化器中稀释速率等于比增长速率d 剐) 。但是，这种方法存在着一定的缺陷，特别 是在低生长速率的情况下，比如在污水生物处理系统内。恒化器中，低生长速率 即意味着低稀释速率，而低稀释速率( c ) “。i ； 。 ” 簪 ， ” 隧誊磊蕊麟纛纛蠹渊蘸幽撼懿积赢毹蘸潞崩盛羲鼎巍# 螽 辎 ( a ) s b r 硝化系统( b ) b c f s * 系统 内源呼吸状态一f 消耗氧；内源呼吸状态下不消耗氧 图3 9s b r 硝化系统和b c f s 。系统中微生物组成示意图 不同的污水生物处理系统中微生物的组成有着很大的差别。以本实验中所用 s b r 硝化系统和b c f s o 系统为例( 如图3 9 所示) ，在s b r 硝化系统中自养的硝 化细菌是微生物的主体，同时还存有高等微生物和少量的异养细菌；而在b c f s o 系统中异养细菌则是微生物的主体，高等微生物和硝化细菌的数量相对较少。在 内源呼吸状态下，即没有外源底物存在的情况下，d o 的消耗途径主要有：一是高 等微生物的捕食，另一是异养细菌对细胞自溶体的分解或对胞内聚合物的代谢。 对于硝化细菌，根据细胞组成( c 5 h 7 n 0 2 ) 可知由自溶体分解生成的外源底物 ( n h 4 + - n ) 非常少，因而可以认为内源呼吸状态下硝化细菌不消耗氧。在硝化系 统中，由于系统从始至终都无外源性的有机底物加入，所以硝化系统中异养细菌 唯一的底物即是细胞自溶体，因此在内源呼吸状态下硝化系统中异养细菌对氧的 消耗主要来自于其对细胞自溶体的分解过程。而在b c f s o 系统中的异养细菌由于 要面对时而底物丰富时而底物匮乏的动态生存环境，细胞内会形成p h a 或糖原等 北京建筑工程学院硕士学位论文 高等微生物活性测定方法实验研究 胞内聚合物。因而，在内源呼吸状态下b c f s 系统中弄养细菌对氧的消耗主要是 由于其对胞内聚合物的分解 泥样经盐处理后，高等微生物会受到盐的抑制，这一点可以由显微镜观测得 到证实，因而由高等微生物的捕食过程而引起的这部分耗氧速率不应存在，从这 一点来分析则总的耗氧速率应该下降。然而，对于异养细菌来说高盐浓度( 即高 渗透压) 是一种不利的生存环境。因而异养细菌也不可避免地会受到影响，这一 点已被s l e a t o r 和h i l l 的研究结果证实i 堋。根据细胞维持的知识，为维持正常的生 理状态，异养细菌可能会加速能量生成的过程以产生足够的能量用于抵抗瞬间升 高的渗透压显然，被加速了的能量生成过程必然导致升高的耗氧速率。因此， 从这一点上看，泥样的耗氧速率又应该呈上升趋势。然而，并不是所有的异养细 菌都能够在短时间内加速能量生成，因为能量生成的过程也是能源底物消耗的过 程。所以异养细菌若想加速能量生成则必须有足够的能源底物。对于s b r 硝化系 统中的异养细菌，其底物全部来自于细胞死亡和自溶形成的自溶体，由于受到细 胞衰减和自溶体水解过程的限制，硝化系统中的异养细菌不可能在短时问获得大 量的底物用于生成能量。因而，盐处理过程对硝化系统中异养细菌耗氧速率的影 响不大，这些异养细菌可能会利用其它的一些策略来应对高渗透压环境。而对于 b c f s o 系统中的异养细菌，由于其胞内贮有聚合物，在内源呼吸状态下这些聚合 物可以被当作底物利用，即b c f s 由系统中的异养细菌有条件加速能量生成。所以， 盐处理会导致这些具有胞内聚合物的异养细菌耗氧速率增大。 从上面的讨论中可以看出，当泥样经盐处理后，由于高等微生物已经受到抑 制，所以在内源呼吸状态引起d o 消耗的实质上只是异养细菌，异养细菌耗氧速 率的大小即是此时所测得的耗氧速率的大小。在s b r 硝化系统中，由于其中的异 养细菌不具备加速能量产生以抵抗高渗透压的能力，因而测得了降低的耗氧速率。 此时减少的耗氧速率即是高等微生物在正常泥样中的好氧速率。而在b c f s 霹系统 中，由于其中的异养细菌含有胞内聚合物，具有加速能量生产、抵抗以及修复由 于高渗透压而引起的细胞损伤的能力，所以会测得升高了的异养细菌的耗氧速率。 显然，异养细菌耗氧速率的升高表面上中和了由于高等微生物被抑制而引起的总 耗氧速率的减少。特别地，当这种升高的幅度较大时，完全超过了由于高等微生 物受抑制而引起的耗氧速率减少，则总的耗氧速率就会表现为升高，如同在本实 北京建筑工程学院硕士学位论文 高等微生物活性测定方法实验研究 验中所得到的数据。这就是为什么s b r 硝化系统泥样在内源呼吸状态下的耗氧速 率下降而b c f s 雷系统中泥样的耗氧速率却上升的原因。 而对于在底物充足状态下耗氧速率的升高，可以认为是高盐浓度引起的影响 的继续，只是异养细菌此时加速利用外源底物以抵抗和修复高渗透压带来的损伤。 2 ) 问题2 ；为什么随着加盐量的持续增加，或随着接触时问的延长，b c f s 雪 系统中泥样的耗氧速率又呈现下降趋势呢2 如上所述，异养细菌在有底物可利用的情况下会加速底物的利用并尽可能多 的生成能量，以抵抗和修复盐处理引起的损伤。然而，盐引起的影响有可能并不 都是可以修复的。在非常高的盐浓度或长接触时问的情况下，可能会直接引起细 菌的死亡细菌死亡必然导致总的耗氧速率的下降。从所获得的耗氧速率数值看 来，长接触时间相对于提高加盐量似乎更能引起细菌死亡。如图3 9 所示，当接触 时间增加到2h 或3h 后，无论是内源呼吸状态还是底物充足状态下的耗氧速率都 已经下降到低于未经盐处理泥样相对应耗氧速率。这说明此时可能已有相当数量 的细菌因盐的作用而死亡。 3 4 小结 根据以上实验结果和讨论，可以得出以下结论： 1 ) 盐( n a a ) 能够在短时间内抑制污水生物处理系统中的高等微生物，使其 停止捕食和运动，出现收缩和脱水的现象。但是，短时间内的盐处理不能长期抑 制或杀死高等微生物，当盐被洗掉后，好氧培养条件下高等微生物可在2h 内恢复 捕食能力。 2 ) 加盐抑制、测定内源呼吸状态下泥样耗氧速率的方法，可以用来确定以 n h 4 + - n 为唯一能源底物的硝化系统中高等微生物的活性。这是由硝化系统的特殊 性决定的。在本实验中，在加盐量为5gc l 儿和接触时间为lh 的条件下，测得 s b r 硝化系统中高等微生物的活性约为1 4 。 3 ) 但是，对于进水中含有有机底物的处理系统，比如以异养细菌为主要微生 物的常规污水生物处理系统，上述方法并不能用来测定系统内高等微生物的活性。 这是由于盐处理会影响泥样中异养细菌的耗氧速率，因而导致总的耗氧速率测量 结果不准确。 北京建筑工程学院硕士学位论文硝化细菌与异养细菌衰碱特征，实验研究 4 1 引言 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【4 】。显然，细胞衰减直接关系到污水生物处理系统内生物量的多少，因而对系 统稳定性以及总的处理能力有着重要影响。近年来，随着生物营养物去除工艺的 应用，对细菌细胞衰减速率的测定，特别是对生长速率缓慢的硝化细菌衰减速率 的测定，越来越受到人们的重视。已有研究已经发现，精确的衰减速率系数不论 是对污水生物处理系统的设计还是优化都是非常重要的【6 7 删。 目前在污水生物处理领域用于测定细菌细胞衰减速率的主流方法是：首先是 在加入足量底物条件下的测定待衰减泥样的最大耗氧速率或最大底物分解速率； 然后把泥样放置在单独的反应器中，即所谓衰减反应器( d e c a yr e a c t o r ) f 7 1 ，不 加入底物以实现细菌的零增长，并控$ 1 d o 、温度、p h 等反应条件，从而使泥样在 饥饿状态下衰减。衰减完成后，同样在加入足量底物的条件下取衰减反应器中的 泥样测定其耗氧速率或底物分解速率，并同衰减之前最大耗氧速率或最大底物分 解速率作比较，从而可以计算出泥样每天的衰减速率1 6 9 - 7 “。具体的计算公式如公 式4 1 所示【7 2 1 。 p b = 一l i i ，二 ( 4 1 ) 矗o 式中，岛为泥样衰减后的耗氧速率或底物分解速率，勘为泥样衰减前的最大 耗氧速率或最大底物分解速率，幻为衰减时间( d ) 。 然而，当前的这种测定方法并不完善。在当前的测定方法中，泥样需要被维 持在无外源底物加入的条件下实现衰减，衰减时间一般为几天甚至几周，因而细 菌处于长时间的饥饿状态显然，这同实际污水生物处理系统内细菌的衰减环境 有很大区别f 3 9 】。在污水生物处理系统内，尽管存在着交替的底物丰富和底物匮乏 状态，但不太可能出现连续几天甚至几周的饥饿状态。因而，以目前的方法所测 的衰减速率是否能够真实的代表污水生物处理系统中实际的衰减速率，这还需要 北京建筑工程学院硕士学位论文硝化细菌与异养细菌衰减特征实验研究 进一步的实验验证。有鉴于此，一些研究人员试图直接测定污水生物处理系统中 的衰减速率，即原位衰减速率( hs i t ud e c a yr a t e ) 【蚓，但在目前这一方向还仅仅 处在概念阶段，在技术手段上还存在着相当的难度。 另一方面，根据内源过程的相关知识，可知细菌在长时间的饥饿状态下会通 过一些策略应对这种不利的生存状态比如，一方面细菌可能会调整自身的代谢 过程，降低维持能量需求，即紧迫反应心1 ；细菌也可能会启动程序化死亡，以维 持部分细菌细胞的活性，从而避免整个种群在竞争中失去优势1 4 7 删。这些策略， 可能从整体上避免了细菌细胞的迅速衰减，因而在长时间的饥饿条件下测得的衰 减速率可能偏小。但细菌究竟以哪种应对策略为主，或者细菌是否同时利用抑或 是顺序利用这些应对策略，关于这些闯题现在都尚不明确。此外，现有的活性污 泥数学模型中，细胞衰减被认为全部是由于生物量的减少造成的。显然，由细胞 活性降低而引起的衰减被忽略了，而细胞死亡的程度被夸大了这主要是由于现 有的测定方法无法区分由活性降低引起的衰减和由细胞死亡引起的衰减【7 3 1 。实质 上，由细菌细胞活性降低丽引起的衰减是可以恢复的。因而，这又可能使得测得 的衰减速率偏大。综合以上因素，现有的衰减速率系数可能是不太合理的，因此 还需要对污水生物处理系统内细菌细胞的衰减规律以及影响因素做深入研究。 为了探索在细菌细胞衰减中细胞究竟经历了哪些具体的过程，本章实验首先 采用现有的常规方法分别测定了亚硝酸氮氧化细菌( n o b ) 、氨氮氧化细菌( a o b ) 和常规异样细菌( o h o s ) 的衰减速率。硝化细菌泥样来自于以n i - h + - n 为唯一进水 能源的小型s b r 硝化系统，而异养细菌来自于实验室内的s b r 异养系统。此外，在 用现有方法测定硝化细菌和异养细菌衰减速率的同时，还分别对衰减过程中的两 种泥样做了l e ，d e a d 细胞活性分析，考察在细胞衰减过程中活性细胞的死亡规 律以及死亡速率，以对比因细胞死亡引起的衰减和因细胞活性降低引起的衰减。 4 2 实验材料和方法 4 2 1s b r 硝化系统 具体描述可见3 2 1 和3 3 1 部分。 4 0 北京建筑工程学院硕士学位论文 硝化细菌与异养细菌衰减特征实验研究 4 2 2 异养系统 异养系统同样采用s b r 式的反应器，工作体积1 0 0l ，每天进料两次，择水1 次( 5 0l ) ，水力停留时间2d 同时，每天排出混合液l ol ，从而控制污泥龄大 约为1 0d 。进科中，碳源物质为n a a c ，每次5 1 2g ，从而使系统内的c o d 达到 5 0 0m g l ，c o d 负荷为1 0 0 0m g l - d 。进水中的氮源物质为n h 4 c i ，每次加入9 5 5 g ，相应的n h 4 + - n 浓度约为2 5n