（环境工程专业论文）周期循环刺激下厌氧快速吸收有机物的研究.pdf

摘要 f 周期循环刺激下厌载快速吸收有机物的处理工艺。源于生物除磷技术，但发展至今，早 己不仅局限于除磷范围，其中出现的许多新的艇物现象和处理效果引起污水处理界的极大兴 趣。这种工艺方法作为一个新的研究谍题，已缀成为目前深受重视的非稳态理论应用与研究的 一部分。箕现实意义音在荦j 用非稳态技术歼匐滞承处理新工艺，窟现节能、高效的有梳物厌裁 吸收；磊在理论研究方面凳8 涉袋虱鹭静颇受学术界关注静两个磷究瑗瓣：徽生耪耱内物震储存 、一 移飘努多聚物慰污混性能懿影璃。厂 ， 本文妊国容自然科学基金项耳“周期缝环裁激下快速厌氧蜉承楚理掰王艺”麴第三三部分。 n 7 以课题前题阶段的实验结论为基础；针对其中j # 糖类熬质厌氧快速吸收效果较差的现象( 乙黢 ， 钠配水好氧5 h r ，厌氧吸收2 h r ，c o d 去除率仅4 0 0 一- 5 0 ) ，主簧进行乙酸钠基质下厌氧快速 吸收有机物的实验，同时以葡萄糖，葡萄糖一乙酸钠混合基质作参比，考察本工蔑对不问基质 ， 的遁用性。k 实验证明：三种基质下都能实现有机物厌飘快速吸收，尤其与第一阶段实验结果相 比己酸钠基质的最佳厌氧时间可以缩短为4 5 m i n ，最佳好氧时间为3 h r ，厌氧c o d 去除率在8 0 、 戬上。说明本谍题开创的新工慧对较广泛的基旗种类都能产生瞬驻的厌氧吸收效果。r 、，4 逶遥测定实验过程串微生物内：嬉变他癌线，分析证明缁耱内糖( 生要避糖元) 可敬俸为 庆戴疆裁骞辊物豹主簧艟纛来源。| 爨羚，抒谈蘩嚣蹬莰实验结论瓣禺蹶，滏步分析猎滋，在 | 糖类基质下，除了多聚磷羧盐露糖元以努，擞生魏可鼹剩, l i l 短鞋趣内鲍攀耱躐低聚糖簿解在系 统遴行初期为厌氧快速吸收i 蝗- t t i ! 供扇动能繁。依据这一分捞结论擐出，本王艺在实际操作中可 以投加某些能够自发酵解产能的简单有机物，以加速系统厌瓴吸收的扇动过程牛一一，。“ ， 从机理角度分析厌氧快速吸收中不同有机物的运输方式、慕质进入细胞后的代谢途径以 及可能利用的能源物质。对实验中出飙的厌氧磷去除现象作韧步探索。总结多方丽分析结论， 提出适用于不同基威厌氧快速吸收的概念健全周期生化代谢模型 详缬描述己酸钠配永下出糯的颗粒污泥的穗亿健质和微生耪特征，提出本实验条件下可 能导致颥粒污滗形成的原黼。综合分析本安- t l l 覆谦蘑前两阶段的密验妻爵莱，捂出本工艺其有德 进海泥颗粒他的潜在优势。 关键词：j # 稳态条件厌氧挟速吸收糖元糖黪解颁粒污泫 a b s t r a c t t h op r o c e s so f a n a e r o b i cf a s to r g a n i s m a b s o r p t i o nu n d e rp e r i o d i c a l l yc y c l i n gs t i m u l a t i o nh a si t so r i g i n i nt h ee n h a n c e db i o l o g i c a lp h o s p h e r e sr e m o v a l ( e b p r ) 。a n dt h er e c e n tr e s e a r c h e r sh a v ed e v e l o p e di t o u t s i d ee b p r w i t ht h em u l t i p l et r e a t m e n te f f e c t sa n ds o m en e wp h e n o m e n at e l a t i n gt em i c m b i a l b e h a v i o f t h i sp r o c e s sm a d ei t s e t f ai n t e n s i v e l yi n t e r e s t i n gn e ws u b j e c ti nt h ea p p l i c a t i o na n dr e s e a r c h a r e a so fn o n s t e a d y - s l a t et e c h n o l o g y , w h i c hi sa t t r a c t i n gg r e a ta t t e n t i o n si nt h ef i e l do fw a s t e w a t e r t r e a t m e n t w h i l ei t sp r a c t i c a lm e a n i n gi si nt h ep u r p o s eo fd e v e l o p i n gan e we f f e c t i v ep r o c e s sw i t h t h ea b i l i t yo fa n a e r o b i cs u b s t r a t e * a b s o r p t i o n 。t h em e c h a n i s md i s c u s s i o no ft h i sc a s ei n v o l v e dt h e t h e o r y o f i n t r a c e l l u l a r s t o r a g e a n d t h e i m p a c t o f e x t r a c e l t u l a r p o l y m e r s o n a c t i v a t e ds l u d g e t h i st h e s i si st h et h i r dp a r to ff a s ta n a e r o b i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sw i t hp e r i o d i c a l s t i m u l a t i o n ，ap r o j 。醴f u n d e d 磅n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n t ow o r kw i t ht h ep r o b l e m s a p p e a r e di nt h el a s tt w os t a g e so f t h i sp r o j e c t ，a l s ob a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c hw o r k ，af o c u ss t u d y w a sc o n d u c t e do nt h ea n a e r o b i cf a s ta b s o r p t i o nu n d e ra c e t a t es u b s t r a t ei nal a b - s c a l ea n a e r o b i c a e r o b i cs b w h i l eg l o c o s ea n dg l u c o s e - a e e l a t es u b s t r a t ema l s oe x p e r i m e n t e ds i m u l t a n e o u s l yi n c o n 仃a s t i nt h ec o n c l u s i o n ，s a t i s f a c t o r ya n a e r o b i ca b s o r p t i o ne f f e c t sw e r ea c h i e v e du n d e ra l lt h e t h r e es u b s t r a t e e s p e c i a l l yi na c e t a t es u b s 镑a t e , t h eo p t i m i s t i ca n a e r o b i ca n da e r o b i ct i m ew e r e r e d u c e df r o m2 h ra n d5 h r ( p r e v i o u sw o r k ) t o4 5 m i na n d3 h r , r e s p e c t i v e l y , a n dt h ea n a e r o b i cc o d r e m o v a lr a t ew s se n h a n c e df r o m4 0 一5 0 ( p r e v i o u sw o r k ) t oa b o v e8 缸羽掉r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e n e wp r o c e s sd e v e l o p e di nt h i sp r o j e c tc o u l db ee f f e c t i v ei nt r e a t i n gam u c hl a r g e rr a n g eo fo r g a n i c m a t t e rt h a no n c et h o u g h t m e a s u r i n ga n d 粕a l y 蝴l l gt h ev a r i a t i o no fi n t r a c e l l u l a rc a r b o h y d r a t e ( i c ) c o n t e n tv e i l f l e dt h e p o s s i b i l i t yo f u s i n gg l y c o g e n 罄t h em a i ne n e r g ys o u m ei na n a e m b i ca b s o r p t i o n f u r t h e r m o r e , i tw a s s u g g e s t e dt h a t , i nt h ep r e s e n to fg l u c o s es u b s t r a t e , g l y c o l y s i sm i g h ts e r v ef o rt h ea n n e m b i ce n e r g y s o u r o e ，b e s i d e sp o l y - p h o s p h o r u sa n dg l y e o g e n t h i sm a yb eo fg r e e tu i np r a c t i c e 。f o rt h et i m e n e e d e di ns 趣r 瞧禧l 攀a n a e r o b i ca b s o r p t i o ns y s t e m 烨妇举锚珏b er e d u c e d 鲫l yb ya d d i n gs o m e f e r m e n l a b l ec e r b o b y d r a t es o u r c e si nt h ei n f l u e n t d i f f e r e n ts u b s t r a t e - t r e n s p o r t i n gm e t h o d s im e t a b o l i cp a t h so f d i f f e r e n ts u b s t r a t e , a n ds e v e r a lp o s s i b l e e n e r g ys o u i v z sw e r ei n v e s t i g a t e d t h ep h e n o m e n o no f a n a e r o b i cp h o s p h o r u sr e m o v a lw a sd i s c u s s e d o n # h y p o t h e s i sb a s i s s u m m a r i z i n ga l lt h ea n a l y s i sr e s u l t s , t h et h e s i ss u g g e s t e dac o n c e p t u a lf u l l c y c l eb i o l o g i c a lm e t a b o l i cm o d e lf o r t h ea n a e r o b i cf a s ta b s o r p t i o np r o c e s s a tt h ee n d , t h eg r a n u l a rs l u d g ed e v e l o p e du n d e ra c e t a t es u b s t r a t ew a sd e s c r i b e di nd e t a i l a b o u tt h e f o r m a t i o no f g r a n u l e s , s o m ep o s s i b l ei n f l u e n c i n gf a c t o r sw e r ed i s c u s s e d t h ea p p e a r a n c eo f g r a n u l a r s l u d g ei nb o t hp r e v i o u sw o r k 黯dt h i se x p e r i m e n ts e e m st os h o wt h a tt h en e wp r o c e s sc o u l db eu s e f u l i ni m p r o v i n gt h eg r a n u l a t i o no f a c t i v a t e ds l u d g e k e yw o r d ：n o n s t e a d y - s l a t e , a n a e r o b i cf a s ta b s o r p t i o n ，g l y c o g e n , g l y c o l y s i s ，g r a n u l a rs l u d g e 一周期循环刺激下厌氧快速吸收有机物的研究一 第一章绪论 本课题的研究内容主要是考察处在一种受控非稳态运行方式下的有机物厌氧吸 收效果、作用机理以及此特殊环境下污泥的理化及微生物相特征。其中，机理分析 的基础是胞内多聚物储存理论。本文绪论部分将对此研究范围内所要涉及到的基本 概念、基础理论、以及本文的研究目的和意义作一总体介绍。 1 1 非稳态生物处理系统概述 1 1 1 非稳态技术的概念 长期实践中，污水生物处理设备和构筑物的设计都是以稳定不变的参数( 如流 量、b o d 、c o d 、有毒有害物质浓度等) 为设计值，而这一设计值的确定要综合考虑 经济可行性和实际水量、水质的变化，往往要增设均化调节池，以确保进入构筑物 的水质、水量符合设计要求。抛开构筑物的容积限制因素，这一措旌的另一个重要 目的是人为地创造一个稳态生存环境，使微生物能在其中维持正常的生命活动，以 达到生物法去除污染物的效果。然而在实际操作中。水中污染物的成分、浓度，经 常变化不定，具有非稳态特性，即使是调节池也不能将随时变化的水质、水量完全 调节成均匀稳态的情况。这样，整个设备系统实际上就变成了一个不受控、不可控 的非稳态系统。这使得其中受到调节池保护、在稳态下生长的微生物应变性能较差， 在很多情况下会受到非稳态特性的冲击，导致生物处理效果的不稳定【1 1 。 非稳态生物处理技术是九十年代新近提出的研究课题，发展至今，在生物处理 领域对它的研究仍方兴未艾。由于生物处理的本质是通过大量微生物的新陈代谢过 程将污水处理达标，这就需要具有广泛活性、能适应被处理污水水质的生物种群。 非稳态，可以说是从微生物的角度来看其自身所处的变化的环境条件。污水生物处 理的非稳态技术就是根据污水的处理要求，人为地给微生物制造一系列变化的环境 条件，提供一种有规律的周期反复的刺激，通过这种方式充分发挥微生物的代谢调 节功能，强化微生物的适应能力，开创一种有效的污水处理新工艺，改善处理效果。 另外，当今计算机和自控仪表设备的高度发展使人为设计可控非稳态系统成为可能， 而生物学、生物化学、生态生理学等相关学科的深入发展和应用更为可控非稳态的 研究奠定了坚实的理论基础【1 1 。 受控的非稳态系统可以是环境参数( 基质浓度、溶氧浓度等) 在处理构筑物中随 水流方向沿空间发生变化，如有回流的推流式活性污泥法和多段完全混合法等；也 可以是环境参数随时间变化，如序批式间歇反应器( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r , 简称 s b 鼬吼 1 1 2 非稳态环境对微生物特性的影响 周期循环刺激下厌氧快速吸收有机物的研兜 从实骣应嬲的趋度来说，污水厂的处理效率主要依赖于微生物聚集体的新陈代 澍功能期形态缨构。翦者属于生物处理的本质问题，只有依靠强大的代谢能力才能 将废水中的污染物质转化为新生物体或无害的最终产物；后者则是处理系统有效运 行的保证，即要求微生物群体以适当的形态结构存在，以便从泥水混食液中分离出 来，在得到澄清出水的同时使微生物存留在处理构筑物中。目前为止的研究发现。 非稳态技术在以上两方面对微生物有重要影响，并由j 眈引出了对臆内储存物质和脆 外多聚物这两个热点问题的研究( 详细讨论觅l _ 3 殷6 1 ) 。至目前为止，辅丽非稳 态技术改善微生物健能主要有以下几方面： ( i 、控荫q 污泥的丝状菌膨胀 关于撩稍海泥膨胀，军在七十年代，c h u d o b a 等人裁遴避生长动力学鹃研究， 提鼢借助予使添性污泥周麓性黎露于离低变纯疑基震环境中来翔割丝状萤过发繁愁 静方法 3 】。近来出现豹接皴器( 池) ，鳐c a s s ( 雾蒌环活性污泥法) 等，剥月缭环圜 流污泥与蔑浓发爨污水在邀水时进行几十分钟麴接触，也已被涯觋能缎好地控刿涎 泥膨胀。这然方法的理论核心是描述微生物生长速率的莫诺公式( m o n o d e q u a l i o n ) t 2 1 ： 脚纛 式中，一徽生物眈增长速率 童一微生物最大比增长速率 s 。一基质浓度 1 k 一半饱和常数，对应手转2 了p 时煞基质浓度 基于此公式的丝状菌和絮凝菌的生长动力学关系曲线如图1 1 1 啪。 一般米说，与丝状菌相比，絮凝麓有较意的 盎值和k 值，换句话说，在商綦 质浓度下疆l 图1 1 1 串豹s ，浓疫) 絮凝蓥会戳较离速率生长，瓣在髂基震浓度下f 麴 图中s 2 浓发) 裂是熊妖藏生长更快、具有更强熬竞争裁力。出姥便爵以理勰，连续浚 完全混合反应器出于戆终娃子乎稳熬低基质浓度状态，缀容易发生丝状蓉孽l 起的涎 泥膨胀f 2 】。 - 2 一搠期糖环刺激下厌氧快速吸收有机物的研究一 基囊浓度 图1 1 1 絮凝落、丝状菇奎长魂力学曲线 另辨，叛熬研究发现，絮凝莹毒较强的储备照内多聚物款戆力，缀此在镪食( 礴 基震浓发 _ 钒饿( 低基震浓度) 周翅变化条馋下仍能委索生存；恧丝状蔻则几乎不具簧 健存能力，不戆适应裹低基质浓度的变化，在这秘非稳态环竣中缀容易被淘汰1 4 1 。 基予以上霹点，饱食一饥设周期剿激的非稳态条件可以遁过有效地抑制丝状菌生长， 避免污泥膨胀。 f 2 ) 改善污泥沉降性能 c h i e s a 和i r v i n e ( 1 9 8 2 ) 曾用实验证明，反应器中高慕质浓度与低基赝浓度的差异 必须超过某一临界值才可能维持住理想的污泥沉降性能。对不同种类的废水该临界 值不同。此外，进一步研究表明污泥的沉降性能还与饥饿时间有关。w i l d e r e r 和 s c h r o e d e r ( 1 9 9 6 ) 的实验发现当饥饿时闻过斑时污泥指数( s v i ) 升高，随饥饿时间延长 s v i 降低。关于这一现象目前的理论认为，良好静污混沉降性能除了依赖子对丝状 菌过度繁殖的抑制以外，还依靠胞外多聚物的积累，丽大惫的施外多聚物会在饱食 饥饿刺激下由飚内储存杨藏在铳饿麓转纯食成。困忿。镱食( 吸收蒸质、细胞垒长、 更新臆内储存秘质的过程卜锾l 饿( 将储存妨震转纯秀施矫多聚物豹过程) 长瓣频繁转换 的菲稳态环境国予院稔态条件下受易予有效逡较累腿外多浆兹，簸丽能够改善污滋 沉降毪麓，甚至有粒子形成沉降性能极好黪颗粒污泥翻( 详冕第六章) 。 就这方嚣来说，s b r 是最理想豹菠应器，逶过调憋进瘩速率、体狭交换率、曝 气箴搅拌豹痿阙薅耀，可以在反应器蠹形成较大差异熬基质数浓度变化。控制污溅 钒饿黠耀，创建毒铡予形成良好沉峰蠼能的琢境条传。 f 3 ) 提惠微生物适应性及活性 与动植物细胞相比，微生物细胞，特别是细菌细胞具有更为完善的机制来耐受 外界环境的刺激。环境参数不间程度的规律性波动对形成一个大量、多样、高效的 微生物群体不无裨益。在慕尼黑第届非稳态s b r 国际会议上，h c f i e m m i n g 和 3 - 一周期循环刺激下厌氧快速吸收有机物的研究 s w u e r t z 指出非稳态环境能刺激微生物活性提高而并非起遏制作用。微生物对几小 时内饥饿状态的生理反应不是降低活力，而是提高吸收效率并扩大可利用基质的范 围。同时，持续一个适当程度的饥饿状态有利于提高微生物承受环境压力的能力。 在非稳态反应器，特别是s b r 的设计和运行中，通过控制基质浓度、电子供体受体 的种类和数量，可以激发多种酶活性，启动微生物体内的能量储备，充分发掘生物 的固有潜力，从而节省外部供能。这种系统一旦形成就可能培养出不同种微生物之 间的良性协作，如协同增效、互利共生等，更好地忍受一定幅度内波动的环境条件， 或缓解冲击负荷的恶劣影响口1 。 以上从三方面概述了非稳态( 主要是s b r 饱食一饥饿状态) 对微生物形态结构和功 能的影响。研究非稳态技术就是企图开创新的工艺，使这些良好的作用相辅相承发 挥综合效果，以便提高生物去除污染物的能力。上文提到的许多观点目前还只是假 设推测，对它们的透彻理解还需要生态、生物、生理等交叉学科以及水分析监测、 微生物实验等多种技术手段的发展和综合运用。 1 2s b r 的设计运行特点 如上所述，受控的非稳态系统可以分为随空间变化和随时间变化两种。在连续 流污水处理系统中，为了达到多种处理目的( 如硝化、反硝化、除磷) ，污水及污泥要 依次流过不同的反应池，通过空间位置的转变使污水及污泥处于为实现不同反应效 果而设置的不同环境条件中，形成了空间意义上的受控非稳态系统。该系统中各反 应池的容积固定不变，污水以某一给定的设计流速进入构筑物，在各反应池( 1 l p 各环 境条件) 中的水力停留时间只有通过调整池容才可以改变，这在实际操作中明显不易 实现。相对于连续流处理系统各反应池中的反应时间不能随意调整，而s b r 运行方 式使这一点成为可能。当某种环境条件下的反应时间不足以达到满意的处理效果时， 只要重新设置自控装置的运行程序就可以轻松实现水泵、气泵的定时启闭，在同一 反应池内随意控制某种反应状态的时间，获得尽如人意的处理效果1 2 1 。可见，s b r 这种时间意义上的受控非稳态系统在其操作灵活性和处理效果方面具有潜在优势 s b r 将各个处理步骤按时间顺序在同一反应池中完成。典型的s b r 运行周期如 图1 1 2 。这里需要指出【2 】： ( 1 ) 充水阶段和反应阶段并不能从概念上截然分开。所谓反应是指生物生长以及基 质被利用，而充水过程中当然也会伴有生物生命活动的发生。确切地说，充水期应 该被称为进水及反应阶段。为获得处理效果必须维持一定的反应时间，所以一个周 期中进水时间及无进水的反应时间此消彼长。然而从操作运行的角度出发，还是把 它们明确地分为两个运行阶段。 ( 2 ) 事实上，进水时间的长短决定着整个反应器的水力特性。进水时间极短，污泥 受短时间的高负荷冲击，反应器在一个运行周期内类似于传统( 推流式) 活性污泥法； 周期循环刺激下厌氧快速吸收有机物的研究 而长时间进水下，污泥处于相对稳定的低浓度废水环境中，此时的s b r 近于完全混 合的连续流反应器。因此，依不同的进水时间，s b r 界于传统活性污泥法和完全混 合活性污泥法的中间状态运行。 ( 3 ) 闲置期是为给整个运行周期的时间安排留有调整余地而设置的。尤其是在多个 s b r 单池交替运行的系统中，闲置阶段可以协调各个反应池的操作，实现系统最优 的处理效果，因而显得尤为重要。 ( 4 ) 关于s b r 水力停留时间( h r t ) 和污泥停留时间( s r t ) 的计算，采用如下公式【6 i ： 体积交换率= 差昱粉( ) 静态进水 进木 厌 月r t =一个周期循环时间 体积交换率 s r r = 笔豁c d ， 搅拌器 ( h r ) 一个周期内 的运行步骤 反应器中运行状态 ll 墅i 崩敞 豳匿 旦 日坚 目塑 充水 反应 沉淀 可以依生物反应的需要( 不) 进行搅拌或曝气 依生物反应的需要进行搅拌 或曝气 停止搅拌或曝气使微生物 沉降 排水 捧出处理后上清液 闲置 闲置反应器等待下一周期进 水可依需要排剩余污泥 图1 1 2s b r 运行周期示意图 1 3 胞内多聚物储存理论概述 早在本世纪五、六十年代，就有研究者提出一部分吸收入细胞的有机物会转化 - 5 周期循环刺激下厌氧快速吸收有机物的研究一 为某种多聚物储存于污泥絮体的微生物细胞内，其中被分辨出的最常见的胞内储存 多聚物是多羟基链烷脂( 盐) 类( p h a s ) 和碳水化合物m 。这些物质最初引起人们 关注仅是在生物除磷范围内，直到c e c h 等人( 1 9 9 3 ) 首次发现了同样能积累p h a s 和糖元的“g 细菌”i s l ，人们开始意识到活性污泥胞内多聚物的重要性，对它的研究 不断深入。 1 3 1 储存能力的产生 l o o s d r e c h t 等( 1 9 9 6 ) 指出将营养物质以多聚物的形式储存于细胞内是微生物 的固有的一种代谢能力，然而在完全稳态的环境中却通常没有内部多聚物的形成， 只有当稳态被破坏，改为间歇投加基质后，储存才表现得尤为突出1 9 l 。可以说是环 境刺激激发了微生物的这种潜在能力。已有人提出储存反应是细胞对环境( 基质浓 度) 变化最为快捷的适应性调节i l ”。在饱食一饥饿周期变化条件下，如果不能储存 基质，微生物就不得不在较短饱食时间里( 进水初期) 动用大量能量来快速生长， 而在饥饿期由于没有可利用的基质，只能耗损自身物质来维持基础代谢，终至于不 能将正常的细胞结构保持到下一周期的饱食阶段。在此环境下，某些可以通过代谢 调节对变化的环境产生适应性的细菌便逐渐显示出竞争优势。它们以较快的速率在 饱食状态下吸收有机物，由于生长速率，即基质消耗速率并不直接与吸收速率同步 增长，细胞便将吸收的多余基质转化为某种多聚物( p h a s 或糖元) 储存于体内， 当外部基质耗尽、进入饥饿期时，将储存物质作为碳源和能源进行进一步转化或用 于合成代谢。由此维持一个相对较低、接近稳定的生长速率，摆脱外晃基质浓度变 化的干扰，平衡自身生长1 4 1 。 总之，关于胞内储存多聚物形成的原因除细胞固有的内在因素外，如同c a r u e c i ( 1 9 9 7 ) 所指出，是瞬变的环境条件( 非稳态) 促进了基质储存，使微生物可能用 较少的能量来快速吸收有机物。这决不是某种细菌( 如聚磷菌) 的特有能力，而是 s b r 下的典型特征【1 1 i 。 1 3 2胞内多聚物的种类 目前已见报道的有机储存多聚物主要有：聚b 羟基丁酸( p h b ) 、糖元和脂类。 其中最引人兴趣、被研究最多的是p h b ，这是因为许多基质在细胞中的降解都以己 酰辅酶a 为中间产物，而p h b 就直接来源于此中心代谢物，所以它最有可能作为 储存物质在细胞内积累。而糖元似乎只有在进水中含有糖类物质或糖元在细菌代谢 中有重要作用时才会形成。关于脂类多聚物，目前还了解甚少1 4 j 。 1 3 3储存过程中的能量来源 显然，储存胞内多聚物的过程需要消耗能量。其中除了细菌维持基本生命活动 的消耗以外，主要是基质进入细胞的运输耗能和在细胞内转化、合成多聚物耗能。 这里特别指出，到目前为止，本文所提到的胞内多聚物是指在厌氧饱食条件下由被 吸收进入细胞的基质转化而成，并储存于胞内随细胞进入饥饿期，作为饥饿状态下 一6 - 周期循环刺激下厌氧快速吸收有机物的研究 的胞内碳源的这部分物质。本文称之为胞内碳源多聚物，如p h b 。而为这一储存过 程提供能量的则是另一类胞内物质，它们在厌氧保持阶段被作为能源消耗，在随后 的饥饿期得到再生，本文称之为胞内能源多聚物，如糖元和多聚磷酸盐。这里讨论 储存过程的能量来源也就是讨论胞内能源多聚物的代谢情况。关于厌氧一好氧s b r 中厌氧吸收能量来源的研究经历着不断更新、深入的发展历程，至今仍然说法不一， 甚至有所冲突。其中某些结论仅仅是提出一种可能，进行假设分析。总的来说，根 据基质的不同，细菌有可能选用不同的能源进行有机物的厌氧吸收，同时相应采用 不同代谢途径m l 。综合大量文献以及本课题前期结论，简单总结可以有以下两种： ( 1 ) 聚磷菌( p a o ) 机制：在强化生物除磷系统( e b p r ) 系统中，利用多聚磷酸 盐水解释放能量厌氧吸收乙酸盐基质，并储存p h a s 。 ( 2 ) 聚糖菌( o a o ) 机制：在非e b p r 系统中，利用糖元酵解来对不同基质进行 厌氧吸收，同时储存p h a s 或糖元等胞内多聚物。 然而随着研究的深入，即使是对已被普遍接受的e b p r 能量来源的解释也有了 新的发展，基本否定了多聚磷酸盐是唯一能源的论断。而对于非e b p r 系统中微生 物物质和能量代谢的研究结果更为复杂 1 1 - 1 7 i 。最新的实验研究( c a r u c c i ，1 9 9 9 ) 发 现在非e b p r 中葡萄糖基质被厌氧吸收后并没有合成p h a s ，而是直接转化为糖元 作为储存物质，由此提出可能存在除多聚磷酸盐水解及糖元酵解以外的其它厌氧吸 收供能途径f l ”。 以上对胞内多聚物储存的理论作了简要概述，可以看到在这方面还有许多问题 需要进一步研究。尤其关于厌氧吸收的能量来源的讨论还远远没有达到清晰、明确 的认识，仍有大量工作尚待继续。本文将就“周期循环刺激下厌氧快速吸收有机物” 这一总课题中能量来源及代谢模式的机理进行重点分析。 1 4 本文的研究目的和意义 本实验是周期循环刺激下快速厌氧污水处理新工艺研究的第三阶段。主要针对 前两阶段工作的未完善之处以及出现的问题作进一步研究，完成本课题的各项既定 任务，尽可能在非稳态研究领域作一些有益的探索。 1 4 1 课题内容及意义 周期循环刺激下快速厌氧污水处理新工艺的研究目标是利用厌氧一好氧循环刺 激作用，创造一个无外部碳源、能源的好氧饥饿条件，通过环境刺激，使微生物具 有在较短厌氧时间里快速吸收水中有机物的能力，开创厌氧快速吸收新工艺，同时 进行尽可能深入的机理研究。 关于本课题的立题意义可以从两方面来说： 本课题是国家自然科学基金资助项目。 - 7 周期循环刺激下厌氧快速吸收有机物的研究一 首先是它的实用意义。长期实践中废水的处理多采用连续供气的好氧法，虽然 可以达到良好的处理效果，但在全球性环境问题和能源危机日益严重的今天，处理 大量污水连续供气所需的过高能耗给完全好氧处理造成了重大的甚至是不可克服的 困难。由此而生的厌氧处理虽然解决了能耗问题，但存在着诸多明显的缺点：如往 往需要维持较高温度( 3 0 一3 5 ) ，易产生恶臭，由产甲烷速率控制的厌氧反应过程 需要较长水力停留时间等。尤其重要的是，般厌氧反应器( 两相反应器除外) 中 同时存在特性差别较大的产酸和产甲烷两类细菌，必须依靠它们顺序作用于有机物， 才能完成厌氧反应过程。当环境条件改变时，很容易造成两者的不平衡，使反应器 性能遭到破坏。因而厌氧处理过程不如好氧处理过程稳定。挥发性有机酸、碳酸氢 盐碱度、p h 值都是厌氧处理中必须控制而又很难控制得恰如其分的指标m 1 。相对单 纯好氧或厌氧的上述缺点，本课题开创的厌氧一好氧周期循环刺激工艺，由于充分 发挥微生物代谢的潜在能力， 节省了外界能耗，在较短的厌氧时间内可以达到明显 的处理效果，使出水达标或接近达标。另外非稳态刺激又有利于形成沉降性能良好、 适应性强、耐冲击负荷，甚至具有特殊功能的微生物。由此可见，厌氧快速吸收的 新工艺在经济效益和环境效益方面均有显著优势。 其次，从学术意义来说，如前所述，九十年代以来，非稳态、周期变化的生物 技术已成为污水处理工艺方面的一个重点研究内容。而面对生物处理中错综复杂的 微观世界，目前为止，研究者们对非稳态条件下微生物代谢途径还没有达成清晰、 明确的共识，对厌氧一好氧处理中观察到的各种新现象的解释也仍有很多处于假设 推理阶段。本课题的主要内容之一就是研究厌氧快速吸收机理，考察其内部能量来 源。另外在初期实验阶段又意外地发现了颗粒污泥及大量的胞外物质，因此，课题 的理论研究中也包含了当前最受关注的胞内、胞外多聚物的形成原理及代谢机制。 1 4 2 本课题前两阶段的研究成果1 刈 1 9 9 7 年以来，课题组已经进行两个阶段的实验研究，所得成果如下： ( 1 ) 摸索确定了一定实验室条件下厌氧快速吸收最佳运行参数；葡萄糖配水，厌氧 3 0 m i n ，好氧3 5 h r ，厌氧c o d 去除率8 0 以上；乙酸钠配水，厌氧2 h r ，好氧 5 h r ，c o d 厌氧去除率4 0 5 0 。 ( 2 ) 对生活污水进行初步的小试研究，厌氧2 3 1 1 r ，好氧5 h r ，厌氧c o d 去除率6 0 以上。 ( 3 ) 在已有碳水化合物测定基础上，首次较全面地分析研究了污泥中碳水化合物的 测定技术。详细考察了影响污泥碳水化合物测定的各种因素。提出一套较为简 便可行的污泥碳水化合物测定程序。 ( 4 ) 分析证明了葡萄糖基质下胞内糖元可以作为除多聚磷酸盐以外的另一种厌氧吸 收能量来源。提出一个设想的厌氧快速吸收有机物代谢模式。 ( 5 ) 在葡萄糖人工配水下，培养出了较大的成熟颗粒污泥，对其理化性质、微生物 8 一周期循环刺激下厌瓴快速吸收有机物的研究一 学特性及形成原因作了初步研究：并发现转入乙酸钠配水后，颗粒污泥粒径减 小，趋于解体。 1 4 3 本文的主要研究内容 在前两阶段实验中，出现以下问题： ( 1 ) 与葡萄糖基质相比，乙酸钠人工配水下，厌氧吸收时间长，c o d 去除率不高 ( 厌氧2 h r ，c o d 去除仅4 0 - - 5 0 ) 。对这种比六碳的葡萄糖结构还要简单 的两碳脂肪酸厌氧吸收效率如此之低，似乎说明以内糖为能源，不易对脂肪酸 类物质进行厌氧吸收，或者说脂肪酸基质不能使细胞建立起以糖元为能源的代 谢机制。关于这一问题还有待继续讨论。 ( 2 ) 在单纯葡萄糖基质下，由于受吸收入细胞体内的糖基质的影响，短时间( 1 5 3 0 m i n ) 内的厌氧内糖变化曲线似乎不足以充分证明细菌确实在以体内糖元为 唯一能源。针对糖类基质的厌氧吸收，胞内多糖是否为唯一能量来源还需要继 续详细论证。 ( 3 ) 葡萄糖配水下形成的成熟颗粒污泥在乙酸钠基质中变得很不稳定，发生解体。 可见，虽然厌氧好氧、饱食一饥饿的运行方式似乎有利于形成颗粒污泥，然 而基质对污泥能否颗粒化也有重要影响。为鉴别本课题的厌氧好氧新工艺是 否有益于改善污泥性能，就还需要以这种操作方式在非糖类基质环境中运行， 观察其中污泥的颗粒化程度，作以补充验证。 基于以上，本实验的主要内容是： ( 1 ) 采用乙酸钠人工配水进行厌氧饱食好氧饥饿周期循环刺激，考察在这种基质 环境中能否实现高效的厌氧有机物快速吸收，摸索最佳运行参数。同时，以葡 萄糖配水及葡萄糖乙酸钠混合配水作对照实验，比较不同基质下周期循环工 艺的厌氧吸收效果，分析原因。 ( 2 ) 在乙酸钠基质下，无糖类基质干扰的环境中论证内糖( 糖元) 为厌氧吸收有机 物的唯一能量来源的可能性。并通过不同基质厌氧吸收情况的对比对葡萄糖基 质下厌氧快速吸收的能源作进一步详细分析。提出改进的厌氧吸收有机物代谢 模式。 ( 3 ) 着重观察乙酸钠基质下的污泥性状，对本工艺运行方式能否改善污泥性能，即 促进颗粒污泥形成，作进一步充分验证。 第二章实验材料与方法 2 1 实验装置、配水与运行方法 一周期循环刺激下厌氧快速吸收有机物的研究一 2 1 1 实验装置 本实验中为对比在相同运行方式下不同基质的厌氧快速吸收效果，采用三套装 蘑! 同时运行。由于受实验条件所限，三个反应器的形状及搅拌方式均不相同。由于 本课题前两阶段的实验中曾采用过这些不同形式的反应器和搅拌方式，结果显示这 两方面对厌氧快速吸收效果及污泥性状均无明显影响。因此可以认为三套装置关于 c o d 去除率能够产生有效的对比结果。反应器装置如图2 1 1 ，图2 1 2 ，图2 1 3 。 取样 5 l 玻璃反应器 气 曝气头 搅拌器 进出水管 图2 1 1 a 配水实验装置图 图2 1 , 2g 配水实验装置图 一1 0 周期循环刺激下厌氧快速吸收有机物的研究 反应器 搅拌器 图2 1 3g a 配水及分批( 间歇) 测定装置图 2 1 2 实验配水 本实验采用三种人工配水，成分见表2 1 1 。 表2 1 1 人工配水主要成分( 浓度单位：m g n ) a 配水g 配水g a 配水 主要有机成分 乙酸钠7 0 0 葡萄糖5 0 0 葡萄糖一乙酸钠4 0 0 2 0 0 n h c i - n 1 8 51 7 51 8 5 k h 2 p o - p低磷4 0 3 5 4 0 高磷2 0 ，5 微量元素m g s 0 4 7 h 2 0 9 0 c a c l 23 0 k c i2 0 m n c l 2 0 1 f e s 0 4 7 h 2 0 0 1 c u s o 。5 h 2 0 0 1 z n s 0 4o 1 注( 1 ) “a 配水”表示乙酸钠基质，“g 配水”表示葡萄糖基质，“g a 配水”表示葡萄糖- 乙酸 钠混合基质。 ( 2 ) 三种人工配水均按b o d ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：i 配制( 高磷a 配水除外) ，微量元素成分相同。 ( 3 ) 人工配水b o d 值按b o d c o d = 0 7 估算，再按上述比例配制营养物质( 氮、磷) 。 ( 4 ) 本实验对a 配水作详细研究，运行时间2 0 0 余天；其它两种配水作为对照实验，主要对 不同基质下厌氧c o d 去除情况，运行时间均为9 0 天左右。 2 1 3 运行方法 三种配水实验均为小试研究，按照s b r 工艺设计，具体运行程序见表2 1 2 。 表2 1 2 厌氧好氧s b r 稳定期运行程序 a 配水 g 配水g a 配水 进水时间( m i n ) 5 厌氧搅拌时间( 1 l r )2 ( 机械搅拌)2 ( 水力循环搅拌)2 ( 电磁搅拌) 沉降时间( m i n ) 2 02 02 0 排上清液时间( m i n ) 1 0 曝气时间( f i r ) 5 55 闲置时间( m i n ) 2 5 一个周期时间( h r ) 888 控制方式自动控制 人工控制 一周期循环刺激下厌钒快速吸收有机物的研咒一 2 2 主要分析测试项目及方法 2 2 1 物理化学分析项目 实验过程中的物理、化学分析检测方法主要参照国家环保局颁发的水和废水 监测分析方法( 第三版) 。详见表2 2 1 。 表2 2 1 物理化学分析项目及分析检测方法 分析项目 分析检测方法 仪器设备型号 m l v s s ，m l s s 重量法 1 0 l 1 型电热鼓风干燥箱、马弗炉 s v 1 0 0 m 1 p h ，o r p 仪器法 p h s 2 c 型精密酸度计 温度普通水银温度计 供气量 l z b 型玻璃转子流量计 溶解氧仪器法 j p s l 6 0 5 型溶解氧分析仪 浊度 仪器法 g p s - - 3 b 光电式浑浊度仪 c o d 重铬酸钾法 n i - 1 4 + - n纳氏试剂分光光度法7 5 4 型紫外分光光度计 p 0 4 3 - - p 氯化亚锡分光光度法 7 5 4 型紫外分光光度计 污泥碳水化合物苯酚浓硫酸法 7 5 4 型紫外分光光度计 2 2 2 生物学分析项目 表2 2 2 生物学分析项目及仪器 分析项目仪器设备型号 备注 微生物种类及菌群形态 x s 2 - - 1 0 7 f 型普通光学显微镜 光学显微镜放大倍数 污泥结构及胞外物质形态 o l y m p u sb i _ _ 2 型光学显微镜1 6 x 1 0 或1 6 x 4 0 o l y m p u sc _ 3 5 a d 照相机 日立) ( _ - 6 5 0 型扫描电子显微镜 2 2 3 分批( 间歇) 测定方法 分批( 间歇) 测定装置如图2 1 3 。 ( 1 ) 测试项目 本实验中主要采用这种小容器分批测定方法测定污泥碳水化合物含量( 详见 2 3 ) 。由于碳水化合物测定只需微量取样( 5 0 u 卜1 0 0 ui ) ，采用小容器可以便于及 时、方便地取样，而磁力搅拌器比在大反应器中的电机搅拌桨搅拌更均匀，有利于 减小平行样之间含泥量的误差。 ( 2 ) 操作方法 实验取用5 0 0 m l 锥形瓶，内置磁子搅拌棒，厌氧时加胶塞封口。取一定量污泥 1 2 一周期循环刺激下厌氧快速吸收有机物的研究 于上述锥形瓶中，在此小容器中重复大反应器的进水、搅拌、沉降、排水、曝气的 全部运行程序，根据需要，从小容器中用微量取液计取样，进行测定分析。 2 - 3 碳水化合物测定技术的讨论 2 3 1 污泥碳水化合物的基本概念 ( 1 ) 碳水化合物的概念f 2 l l 依习惯沿用，碳水化合物即指糖类物质，是多羟基醛或多羟基酮及其缩聚物和 某些衍生物的总称。该命名是源于绝大多数糖类的实验分子通式c m ( h ：o ) n ，其中氢 和氧的原子数比均为2 ：1 ，与水分子式中氢氧比例相同。 糖类可以分为单糖、低聚糖和多糖三大类。 单糖是不能水解的最简单的糖类，是多