（环境工程专业论文）反硝化聚磷菌培养驯化分离方法及菌种特性的研究.pdf

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 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：二雅 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 者签缎翩虢秘喻汹西 山东人学硕十学位论文 摘要 生物法同时脱氮除磷一直是污水处理领域的一大难题。近年来，随着反硝化 聚磷菌( d p b ) 的发现，以及其生物脱氮除磷机理的深入研究，确定了这是一类 具有“一碳两用”，且能同时脱氮与除磷的高效微生物菌群，其生物特性机理的 关键在于当微生物菌群处于缺氧状态下，能够以硝酸盐氮为电子受体，同时吸收 大量磷。本课题意在探索一种反硝化聚磷菌的培养驯化和分离纯化方法，并检验 测定所筛选菌株生理特性，为这一菌群应用于生物法脱氮除磷工艺提供依据。 本课题采用新型双泥法s b r 工艺，以某城市污水处理厂氧化沟中的活性污 泥为培养驯化种泥，采用厌氧( 反硝化污泥) 、好氧( 硝化污泥) 、缺氧( 反硝化 污泥) 两种污泥三种培养状态的循环驯化方式，经过6 0 个周期的培养驯化，系 统已基本趋于稳定，对c o d 、氨氮、t p 的去除率分别保持在8 5 左右、9 0 以 上、8 5 左右，结合d p b 释磷吸磷的生物机理，考察分析了培养各阶段主要污 染物指标c o d 、氨氮、硝酸盐氮、总磷的变化趋势，应证了反硝化聚磷菌脱氮 除磷生化机理。 通过选用专性培养基以及硝酸盐产气、异染颗粒染色等鉴定方法，从驯化成 熟的反硝化污泥中筛选出了3 株反硝化聚磷菌，分别为1 号、3 号、5 号。通过 测定其生理特性发现，3 株菌的生长周期较长；3 号菌的脱氮除磷效率较高，前 2 4 h 脱氮除磷速率分别为3 7m g h 、1 7 6m g h ，反应全过程脱氮除磷效率分别为 8 4 6 、7 6 8 ；温度对菌株脱氮除磷效率的影响表现在，高温效率不如低温效 率，脱氮除磷的最佳反应温度约在2 5 3 0 ；p h 对菌株的脱氮除磷效率影响 较大，其中酸度比碱度影响大，菌株的最佳反应条件约在7 , - - - 8 之间。 关键词：反硝化聚磷菌；s b r ；分离纯化 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb i o l o g i c a ld 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 gs i m u l t a n e o u s l yh a sb e i n ga d i f f i c u l tp r o b l e mi nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n td o m a i n a sd e n i t r i f y i n g p h o s p h a t e a c c u m u l a t i n gb a c t e r i a ( d p b ) b e e nd e t e c t e d a n di t s b i o l o g i c a l m e c h a n i s mb e e n r e s e a r c h e d ，d p bh a db e e nc o n f i r m e da sae f f i c i e n tm i c r o o r g a n i s mo nd e n i t r i f y i n ga n d p h o s p h o r u sr e m o v a l ，t h et r a i to fd p bi su s i n gn i t r a t ea sae l e c t r o n r e c e i v e ra n d a b s o r b i n gp h o s p h o r u su n d e ra n o x i cc o n d i t i o n t h i sp a p e re x p l o r e dan e wm e t h o dt o s e p a r a t e ，p u r i f y , s c r e e na n di d e n t i f yd p b ，r e s e a r c hp h y s i o l o g i c a la n de c o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fd p b ，a n dp r o v i d et h e o r e t i ce l e m e n t so i la p p l y i n g d o u b l e 。s l u d g es b rp r o c e s sw a sa d o p t e dt oa c c l i m a t ea n dc u l t i v a t ed e n i t r i f y i n g p h o s p h o r u s r e m o v a lb a c t e r i ai nt h i se x p e r i m e n t ，a n dt h ep r o c e s sw a so p e r a t e du n d e r c o n d i t i o n so fa n a e r o b i ca e r o b i ca n da n o x i cs u b s e q u e n t l yw i t h i no n ec y c l e a f t e r s i x t y - c y c l eo p e r a t i o n ，t h es y s t e mc o u l dk e e pt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fa m m o n i a a b o v e9 0 s t a b i l i t y , w h i l et o t a lp h o s p h o r u sa b o v e8 5 a sw e l la sc o d ，c o m b i n i n g w i t ht h eb i o l o g i c a lr e m o v a lm e c h a n i s mo fd p bt o p h o s p h o r u s ，t h ee x p e r i m e n t i n v e s t i g a t e dt h ev a r yt r e n do fc o d ，n h 3 - n ，n 0 3 - - n ，t pu n d e rt h ea l t e m a t i n g c o n d i t i o n s ，w h i c hi n d i c a t et h em e c h a n i s mo fd p b t h r e ed p b sw e r es e p a r a t e df r o mt h ea c t i v a t e ds l u d g eb ye s p e c i a lc u l t u r e m e d i u ma n dd e n i t r i f y i n gn i t r a t e st og a sa n di n s p e c t i o no fm e t a c l l r o m a t i c t h e ya r e n u m b e r1 、3 、5 。i t sp h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lt e s t i n gr e s u l t si n d i c a t et h e i r g e n e r a t i o nt i m ew e r el o n g e r ；t h ed e n i t r i f y i n ga n dp h o s p h o r u sr e m o v i n gv e l o c i t yo f n u m b e r3r e a c ht o3 7 m g h 、1 7 6 m g hd u r i n gt h ef i r s t2 4 h ，a n dd e n i t r i f y i n ga n d p h o s p h o r u sr e m o v i n gr a t ei s8 4 6 、7 6 8 ；l o w e rt e m p e r a t u r ei sm o r ee f f i c i e n c yt h a n h i g ht e m p e r a t u r e ，t h eb e s tt e m p e r a t u r ei sb e t w e e n2 5 a n d3 0 ( 2 ：p he f f e c t s d e n i t r i f y i n ga n dp h o s p h o r u sr e m o v i n gr a t ea r er e m a r k a b l e ，t h eb e s tp hi sb e t w e e n7 a n d8 k e yw o r d s ：d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s - r e m o v a lb a c t e r i a ；d o u b l e s l u d g es b r ； s e p a r a t i o na n dp u r i f i c a t i o n ； 6 山东大学硕。 ：学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 随着我国经济的快速发展，水环境污染已成为社会各界关注的主要问题。目 前国内水环境的主要污染物包括高锰酸盐指数、氨氮、石油类、总氮和总磷，其 中对湖库危害最大的为总氮和总磷，大量氮磷的积存，加剧了湖泊水体富营养化 的程度，已经影响了人民的正常社会生活，也制约了社会经济的发展。 水环境中的氮磷污染主要因素归结为人类社会活动，其主要来源包括城市生 活污水、工业废水以及农业灌溉残留废水等。其中氮在水体中的存在形态有两种， 分别为有机氮和无机氮，有机氮有蛋白质、多肤、氨基酸和尿素等，这一形态的 氮主要来源于生活污水、农业废弃物( 植物秸秆、牲畜粪便等) 和某些工业废水( 如 羊毛加工、制革、印染、食品加工等) ；无机氮形态主要为氨氮、硝态氮、亚硝 态氮( 统称氮化合物) ，其主要来源为工业废水，以及无机氮之间的形态转换。 磷在水体中存在的主要形态为磷酸盐( 简称磷或总磷) ，根据其物理特性， 污水中的磷酸盐分成溶解性和颗粒性两类，按化学特性则可分成正磷酸盐、聚合 磷酸盐和有机磷酸盐，其主要来源为生活污水和农业废水。 大量的氮磷进入水体会造成水环境的急剧恶化，其主要危害在于水体的富营 养化，近十年来我国富营养化水体的比例从5 0 增长到了5 5 ，而贫营养化的 水体比例由3 2 减少到0 5 3 ，水体富营养化趋势呈加重的态势，其主要特征 为藻类的大量繁殖，藻类在过度繁殖之后，又大量衰败死亡，为异养微生物的生 长提供了丰富的基质，好氧微生物的大量繁殖，很快耗尽了水体中的溶解氧，严 重影响鱼类的生长繁殖；藻类大量繁殖还能造成供水系统瘫痪和自来水水质恶 化，近年来太湖水华最为典型，其造成了饮用水的短缺；同时许多藻类还能产生 毒素，严重影响了人类健康生活；另外水体的富营养化将加速湖泊的衰亡，促进 其向沼泽生态演变。 因此，如何高效、经济的脱氮除磷已经成为目前水污染防治领域的热点研究 方向。 山东大学硕士学位论文 1 2 生物脱氮除磷机理及工艺技术发展 现今的城市污水厂多采用生物处理技术和工艺，污水生物处理已经成为当今 世界污水处理领域中最重要、最普遍利用的方法。传统的污水生物处理技术主要 依赖两大类微生物，即好氧微生物和厌氧微生物。近几十年来，科学家和工程师 共同合作，对污水生物处理中的微生物作了比较深入的研究，取得了丰硕的成果。 如： ( 1 ) 对活性污泥中细菌和原生动物的不同种类和特性及其协同作用的研究， 推进了a b 法工艺的发展。 ( 2 ) 对于硝化、反硝化细菌的研究，以及聚磷菌特性的研究，推进了具有 脱氮功能的a o 法工艺以及具有脱氮除磷功能的a a o 法工艺的发展。 ( 3 ) 对厌氧微生物种群和特性的研究，发现了厌氧微生物具有降解部分大 分子合成有机物的能力，促进了厌氧生物处理工艺以及利用厌氧好氧串联工艺 流程处理含难降解有机物废水的发展。 最早在1 9 5 5 年，g r e e n b e r g 就发现活性污泥可以超量吸收磷，l e v i n 和s h a p i r o 在6 0 年代对磷的吸取与释放做了大量研究、首次提出一种描述污水生物过度除 磷现象的生化机删。这种除磷现象通过e m d e n - - m e y e r h o f 途径和三羧酸循环实 现，h a r o l d 对细胞内的聚磷机理进行了讨沦f 2 j ，认为微生物对聚磷的合成与分解 是在聚磷酶催化作用下进行的，而且聚磷产生有可能是微生物受到厌氧抑制的结 果。n i c h o l s l 和o s b o m 发展了h a r l o d 的假说，提出新的生长模型卜 。他们假定 聚磷产生是微生物对厌氧抑制的一种响应，而聚磷又帮助微生物渡过厌氧环境， 同时还发现聚p 羧基丁酸( p h b ) 对微生物在厌氧区的生存起着重要作用。 1 2 i 生物脱氮除磷机理 污水中氮的存在形式一般为氨氮和有机氮，只含少量或不含亚硝态氮和硝酸 盐氮。污水生物脱氮的基本原理为首先有机氮氨化为氨氮，通过硝化作用将氨氮 转化为硝态氮，再通过反硝化作用将硝态氮转化为氮气，从而将污水中的氮去除 1 4 1 ，生物脱氮的三个反应过程如下： 山东大学硕上学位论文 氨化反应 好氧菌，氨化菌 r c h n h 2 c o o h + 0 2 r c o o h + c 0 2 + n h 3 硝化反应包括两个步骤，第一阶段是由亚硝酸盐将氨氮转化为亚硝酸盐，第 二阶段是由硝酸菌将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐。 第一阶段： 亚硝酸菌 5 5 n h 4 十+ 7 6 0 2 + 1 0 9 h c 0 3 一_ c 5 h t n 0 2 + 5 4 n 0 2 + 5 7 h 2 0 + 1 0 4 h 2 c 0 3 第二阶段： i - h + 4 h 2 c 0 3 + 19 5 0 2 骂c 5 h 7 n 0 2 + 3 h 2 0 + 4 0 0 n 0 3 一+ n 二二= ：_ c 5 h 7 n 0 2 + 3 h 23 一 反硝化反应 反硝化菌 6 n 0 3 + 5 c h 3 0 h _ 5 c 0 2 + 3 n 2f + 7 h 2 0 + 6 0 h 一 目前普遍认可的生物除磷的原理为：聚磷菌p a o ( 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 ) 在厌氧环境中，通过将细胞中聚磷水解成正磷酸盐获取能量，并利用 污水中易降解的有机物，如挥发性脂肪酸( v f a ) ，合成贮能物质聚1 3 羟基丁酸 ( p h b ) 存于细胞中；在好氧环境中，聚磷菌以氧为电子受体，氧化细胞内储藏的 p h b ，氧化代谢产生的能量来合成细胞，并利用该反应产生的能量，过量地从污 水中摄取磷酸盐，合成高能物质三磷酸腺苷a t p ，其中一部分转化为聚磷，能量 随之以聚磷酸高能键形式贮存于细胞中。由于好氧环境下摄取的磷远大于厌氧环 境下释放的量，所以通过排放富磷污泥可以达到高效生物除磷的目的。聚磷菌细 胞内的磷含量可高达1 2 ( 以细胞干重计) ，而普通细菌细胞的磷含量仅为1 3 f l 。因此，生物聚磷后的排泥可有效将污水中的磷酸盐脱除。 9 山东大学硕j j 学位论文 1 2 2 生物脱氮除磷工艺简述 a o 工艺通过构筑物设置缺( 厌) 氧区和好氧区，在好氧区发生含氮有机物 的氨化、硝化反应，缺氧区发生反硝化反应，从而达到去除有机物和脱氮的目的。 该工艺的特点是反硝化时无须外加碳源，易于控制污泥膨胀，但脱氮效率较低， 耐冲击负荷能力较差。 a 2 o 工艺是在传统的活性污泥基础上增加厌氧区、缺氧区，污水首先进入 厌氧区与回流污泥混合，在兼性厌氧菌的作用下，将污水中生物能降解的大分子 有机物转化为小分子( 如v i a ) ，聚磷菌吸收有机物后发生磷的释放，在缺氧区， 反硝化菌利用污水中的基质对好氧区回流液中硝酸根进行反硝化脱氮，进入好氧 区发生有机物氧化和磷的吸收，从而达到较好的脱氮除磷效果。 氧化沟工艺同时具有完全混合型反应器和推流型反应器的特点，由于曝气设 备的作用，使溶解氧呈现分区现象，即在厌氧区发生吸收有机物释放磷，在曝气 区发生硝化和吸磷反应，在非曝气区( 处于缺氧状态) 实现反硝化脱氮。 1 2 3 生物脱氮除磷技术进展 随着近代生物学的发展以及在生物脱氮除磷过程中一些超出人们传统认识 现象的发现，脱氮除磷技术从过去单纯的工艺改革向着利用生物特性、促进工艺 改革与之相适应的方向发展，以综合的方式来解决污水处理问题，即仅改善水质， 而且考虑污水及所含污染物的资源化和能源化，采用的技术以低能量消耗、少资 源损耗为前提| 5 】。这些新技术包括：短程脱氮技术和厌氧氨氧化、反硝化除磷技 术等。这些新技术原理与传统的脱氮除磷理论有一定区别，起主要作用的是特殊 微生物，并对反应条件要求严格。 ( 1 ) 在1 9 7 5 年v o c t 发现硝化过程中亚硝酸根的积累现象并首次提出了短 程硝化一反硝化生物脱氮( s h o r tn i t r i f i c a t i o n - d e n i t r i f i c a t i o n ) ，也称亚硝酸生物脱 氮，该方法就是将硝化过程控制在亚硝酸根阶段而终止，随后进行反硝化| f ”。 传统上认为要实现废水生物脱氮必须使氨氮经历典型的硝化和反硝化过程 才能完全地被除去，根据脱氮原理可知氨氮氧化为硝态氮是由两类独立的细菌完 成的，其中从氨氮向亚硝酸盐的转化是硝化过程的速度控制步骤，而硝酸根和亚 硝酸根均可以作为反硝化菌的最终受氢体。这样就可以通过控制反应条件使氨氮 l o 山东大学硕 ：学位论文 硝化成亚硝酸盐后，不再继续进行硝化而直接进行反硝化。 ( 2 ) 荷兰研究人员m u l d c l j _ 在9 0 年代初发现了“厌氧氨( 氮) 氧化”现象。 其特点是微生物在厌氧条件下，以n h 4 + 为电子供体，以硝酸根或亚硝酸根为电 子受体，将氨氮和硝态氮转变成氮气排入大气中。厌氧氨氧化的主要工艺是 a n a m m o x 工艺降1 。 ( 3 ) 南非、荷兰、日本等国科学家对生物摄放磷代谢机理重新认识后确定 了“反硝化除磷”新途径。在生物除磷过程中，硝酸盐可以作为最终电子受体，也 就是说反硝化除磷菌( 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 ) p j ，这类微生物 能将反硝化脱氮和生物除磷这两个原本认为彼此独立的作用合二为一，进行反硝 化的同时进行缺氧吸磷。进行反硝化除磷，除将有机氮和氨氮转化为硝态氮需要 曝气外，其他工序可以不需曝气或曝气量减少，将大大减少曝气量从而降低运行 费用，污水中的碳源在厌氧阶段被微生物吸收进体内，进行释磷，在缺氧阶段， 有硝态氮存在的条件下，体内碳源又被分解提供能量用于吸磷，做到“一碳两用 i l o l t i l l 2 1 ，从而满足脱氮除磷对碳源的需求，在去除相同氮、磷的基础上减少污 泥产生量。这种新型同步脱氮除磷工艺被誉为适合可持续发展的绿色工艺。 目前，反硝化除磷技术在国外已从基础性研究发展到了工程应用阶段。实践 表明它对城市污水，特别是c n 比值较小的污水有很好的处理效果。而目前国 内对该技术的研究才刚刚起步。 1 3 反硝化脱氮除磷技术理论与研究进展 1 3 1 反硝化脱氮除磷技术理论 经研究表明，p a o s 并非是专性好氧菌，在对除磷脱氮系统的研究过程中发 现，活性污泥中的一部分聚磷菌能以硝酸盐作为电子受体在进行反硝化的同时完 成过量吸磷。1 9 9 3 年荷兰d e l f t 大学的k u b a 在研究中发现3 i ，在厌氧缺氧交替 的运行条件下，比较容易富集一类兼有反硝化作用和除磷作用的兼性厌氧微生 物，称为反硝化聚磷菌简称( d p b ) ，针对此种微生物同时脱氮除磷现象研究者 们提出了两种假说来进行解释：两类菌属学说4 ；，即生物除磷系统中的p a o 可 分为两类菌属，其中一类p a o 只能以氧气作为电子受体，而另一类则既能以氧 山东人学硕上学位论文 气又能以硝酸盐作为电子受体，因此它们在吸磷的同时能进行反硝化；一类菌 属学说小i 即在生物除磷系统中只存在一类p a o ，它们在一定程度上都具有反 硝化能力，其能否表现出来的关键在于厌氧缺氧这种交替环境是否得到了强化。 如果交替环境被强化的程度较深则系统中p a o 的反硝化能力较强，反之则系统 中p a o 的反硝化能力弱，即p a o 不能进行反硝化除磷。也就是说，只有给p a o 创造特定的厌氧缺氧交替环境以诱导出其体内具有反硝化作用的酶，才能使其 具有反硝化能力。这两种假说都有各自的支持者，但大部分研究人员都赞同前者。 v l e k k e ( 1 9 8 7 年) l l “j 和t a k a h i r o ( 1 9 9 2 年) l j 等分别利用厌氧缺氧 s b r ( a n a e r o b i c a n o x i cs b r ，简称a 2 s b r ) 系统和固定生物膜反应器进行了试验研 究。结果表明，作为氧化剂的n 0 3 - 和氧气在除磷系统中起着相同的作用，而且 通过创造厌氧、缺氧交替的环境可筛选出以n 0 3 作为电子受体的聚磷菌优势菌 属即d p b 。类似的实验室和生产性规模的生物除磷脱氮研究也表明，当微生物 依次经过厌氧、缺氧和好氧三个阶段后，约占5 0 的聚磷菌既能利用氧气又能利 用n 0 3 - 作为电子受体来聚磷，即d p b 的除磷效果相当于总聚磷菌的5 0 左右 1 8 - 2 0 。这些发现一方面说明了硝酸盐亦可作为某些微生物氧化p h b 的电子受体， 另一方面也证实了在污水的生物除磷系统中的确存在着d p b 属微生物，而且通 过驯化可得到富集d p b 的活性污泥。对d p b 的特点研究表明： d p b 易在厌氧 缺氧序批反应器中积累；d p b 在传统除磷系统中大量存在；d p b 与完全 好氧的聚磷菌p a o ( p o l y p h o s p h a t ea c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ) 相比，有相似的除磷 潜力和对细胞内有机物质( 如p h b ) 、糖肝的降解能力。与好氧聚磷菌不同的是 d p b 所利用的电子受体是n 0 3 - 而不是0 2 。 1 3 2 反硝化除磷技术的研究进展 我国对反硝化除磷研究起步较晚，对硝态氮与吸、放磷关系的认识长时间停 留在厌氧区存在硝态氮会影响磷的释放上，对于硝酸根含量升高时，对吸释磷 会产生怎样的影响没有深入研究。但是张波等【17 】在研究倒置a 2 o 工艺时就发现 在缺氧区存在较高浓度硝态氮的情况下会发生磷吸收的现象。 在单级工艺中，最具代表性的是b c f s 工艺l _ c “。在双级工艺中，硝化细菌 独立于d p b 而单独存在于某一反应器中，双级工艺主要有d e p h a n o x l 2 。t 和 1 2 山东大学硕一b 学位论文 a 2 n s b r ( a n a e r o b i c a n o x i ca n dn i t r i f y i n gs e q u e n c i n gr e a c t o rp r o c e s s ) 等阎。 ( 1 ) b c f s 工艺 b c f s 工艺实际上是u c t 工艺的一种变型如图1 1 。虽然u c t 的设计原理 仅仅是基于对p a o 所需环境条件的工程强化，但实践中发现该工艺中存在着不 少的d p b 。 b c f s 工艺以荷兰早年研发的氧化沟( 污泥龄同氧化沟) 和南非发明的u c t 工艺原理为基础，将u c t 反应池扩展为5 个，具有3 个内循环和1 个被结合的 化学除磷单元。 循环 循环c 图卜1b c f s 工艺流程 在好氧池与缺氧池之间增设一缺氧好氧池( 混合池) ，目的是为了在此池内获 得同时的硝化与反硝化，以保证出水含有较低的总氮浓度。这个新增设的反应池 仅在需要时曝气( 或因好氧池溶解氧浓度过低，或因好氧池和缺氧池中的氧似还 原电位太低) 。在此情形下，这个增设的反应池可以被定义为”混合( 曝气) 池”( 池 内溶解氧通常为0 5 m g l ) 。在好氧池之前加设混合池，可较容易地通过控制内循 环流量达到保证完全的反硝化和内循环a 中无( 或极低) 硝酸氮的目的。否则，硝 酸氮可能被回流到厌氧池中，导致普通兼性异养菌( 反硝化作用) 同除磷细菌 ( p a o d p b ) 竞争并消耗c o d 。 ( 2 ) d e p h a n o x 工艺 w a n n e r 在1 9 9 2 年开发出以厌氧污泥中的d p b 为优势菌的d e p h a n o x 反硝化 除磷工艺，取得了良好的除磷脱氮效果吲 2 1 。 1 3 山东大学硕十学位论文 回流污泥 剩余污泥 图卜2d e p h a n o x 工艺流程 图1 2 是d e p h a n o x 工艺流程，该工艺的最大优点是使附在生物膜上的敏感 的好氧性硝化细菌不暴露在缺氧或厌氧条件下，附着生长，具有较好的硝化效果， 同时也就保证了缺氧段有足够的硝态氮充当电子受体用于吸磷。目前国内开展的 反硝化除磷研究以该工艺为主。 ( 3 ) a 2 n s b r 工艺 a 2 n s b r 工艺是一种新型的双泥反硝化除磷工艺，由a n a e r o b i c a n o x i cs b r 反应器和n i t r i f y i n gs b r 反应器组成。目前国内外的研究以厌氧缺氧模拟或配水 处理为主，厌氧缺氧工艺只需要一个s b r 反应器，加入硝态氮作为吸磷的电子 受体。该工艺结合了s b r 反应器和反硝化除磷技术的优点，适用于水量不大， 时变化系数大，c n 不是很高的污水。 1 3 2 2 反硝化除磷研究进展 ( 1 ) 最佳氮磷比 最佳氮磷比是反硝化除磷的关键之一，原因是控制合适的氮磷比对提高氮磷 的同步去除率具有重要作用。目前氮磷比控制值有许多不同的观点，有的研究指 出：根据化学计量，最佳n p 为7 1 嬲l ，新加坡j y h u 等人的研究结果为控制在 1 4 ：一 ，国内王春英等为3 ：”，周康群等为3 2 ：“，杨永哲等为1 4 ：1 吲， 李勇智等为1 1 ：1 1 j 翔，邹华等为0 7 ：1 1 3 z l ，罗固宁等为0 8 8 ：l ，王亚宜等人 则认为，在一定时间范围内，控制氮磷比0 8 3 ：。】的情况下，同步脱氮除磷效 果很好( 以上的磷浓度均指在厌氧结束后磷的浓度) 。归纳目前的研究结果，n p 控制数值变化比较大，从小于1 到3 以上都有。一方面说明反硝化除磷可以在较 宽范围内进行，另一方面碳源的影响不可忽视，因为在厌氧缺氧系统中，仍然 具有一定数量的仅能起到反硝化作用的微生物，系统进入缺氧的时候，这部分微 生物首先利用外部碳源进行反硝化，剩余的硝态氮被d p b 用作电子受体进行吸 磷，因此在研究反硝化除磷时，应综合考虑c 、n 、p 三者之间的比例，c o d n 1 4 山东大学硕士学位论文 较低时，较小的n p 比就能够达到很好的反硝化除磷效果，c o d n 较高时，则 在较高的n p 比情况下，才能出现反硝化除磷现象。由于不同研究者虽然都采用 c o d 作为水中有机物的指标，但c o d 中微生物易利用的组成又有所不同，具体 的c 、n 、p 之间比值应针对特定废水而定。 ( 2 ) 临界硝态氮浓度 邹华等的研究结果认为，只有存在高于1 5 m g l 浓度的硝态氮才能发生同步 吸磷现象1 3 7 1 ，但是李军等人在低于1 5 m g l 的硝态氮浓度下，即在1 3 4 2 m g l 的 时候，也观察到了明显的反硝化吸磷现象o “j ，根据反硝化除磷的原理和存在能 利用硝态氮积累磷的菌类学说”8 j 不应存在临界浓度，原因应是碳源的影响，在 进入缺氧阶段时，如果仍然存在较多的外源碳源，此时优先进行反硝化，硝态氮 被全部消耗，就不能够进行缺氧吸磷，只要控制合适的外碳源浓度和d o 值，就 可以发生反硝化除磷现象。 ( 3 ) 减少的污泥产量 在k u b at 等人的研究中得出反硝化除磷能分别节省5 0 和3 0 的c o d 与 氧的消耗量，相应减少5 0 的剩余污泥量的结果，虽然根据反硝化除磷的原理 可以减少细胞的同化作用，但是如果在缺氧吸磷后仍有剩余有机物，这部分有机 物仍然需要去除，则总的减少的污泥量有限，因此对于反硝化除磷能够减少多少 污泥量还需要深入研究。 ( 4 ) 电子受体 新加坡j y h u 等人的研究发现，亚硝态氮同样可以作为反硝化除磷的电子 受体，如果亚硝态氮也能够作为反硝化除磷的电子受体，则硝化工艺可控制到只 将氨氮氧化到亚硝态氮的程度，从而进一步减少曝气量。 1 4 课题的目的、意义及内容 1 4 1 课题目的、意义 由于目前脱氮除磷工艺中，存在着聚磷菌和反硝化细菌对有机碳源的竞争， 致使工艺不能同时达到脱氮与除磷的最佳效果，为此，许多研究者开发了不同的 工艺试图同时实现最大程度的脱氮与除磷，但由于脱氮除磷机理的局限性而始终 山东大学硕上学位论文 不能从根本上解决这一难题。因此要同时实现脱氮与除磷的最佳效果，必须转变 思路，不仅只是从研发工艺以及调整运行参数等方面研究，还必须从微生物学的 角度研究探讨生物脱氮除磷的机理和效能。 目前已有研究者发现了具有同时脱氮与除磷效能的微生物菌群，统称为反硝 化聚磷菌( d p b ) ，确定了这是一类能够在厌氧条件下，分解体内聚磷，并吸收 易降解有机物以聚一1 3 一羧基丁酸( p h b ) 形式储存在菌体内，在缺氧条件下， 分解体内p h b ，并以硝酸盐氮为电子受体进行摄磷的微生物菌群，利用d p b 的 生物特性，成功地解决了传统脱氮除磷工艺中的碳源争夺矛盾，达到了一碳两用 的效果，然而此类菌群及特性的研究都处于初级阶段，对菌群没有完整的定论和 系统的鉴定方法，也没有方便快捷的培养驯化方式，为此，本课题利用双泥法 s b r 对反硝化聚磷菌进行培养驯化，并对富集的菌种进行分离与鉴定，同时对 菌种的脱氮除磷效能进行研究，目的与意义在于通过对反硝化除磷菌特性的研究 更好的认识与了解活性污泥生态系统，为优化设计运行参数，分析影响因素，弄 清楚去除有机物同时除磷脱氮机理，并为最终产业化应用创造条件。 1 4 2 课题研究内容 本课题的研究内容主要包括以下三个方面： ( 1 ) 采用双泥法s b r 工艺对反硝化聚磷菌( d p b ) 进行培养驯化，研究培养驯 化中的污染物降解趋势的变化规律与d p b 脱氮除磷生化机理的关系，探索一种 快捷高效的培养驯化方式。 ( 2 ) 选择专性培养基，对双泥法s b r 污泥中的菌群进行分离与提纯，得到具 有脱氮与除磷双重效果的纯菌。 ( 3 ) 研究纯菌的脱氮除磷效能。 1 6 山东大学硕士学位论文 2 1 试验材料与方法 2 1 1 试验装置 第二章污泥驯化 双泥法s b r 工艺试验装置如图2 1 所示，装置用工程塑料制成，由一个s b r 反应器和两个污泥池组成。s b r 反应器长8 0 c m ，宽8 0 c m ，高8 0 c m ，底部泥斗 为方锥形，倾角为6 0 度，总有效容积为5 0 0 l 。污泥池长6 0 c m ，宽6 0 c m ，高5 0 c m ， 底部泥斗为方锥形，总有效容积为2 0 0 l 。 图2 - 1t s s b r 工艺试验装置图 s b r 反应器内设置曝气管和搅拌器，转速1 0 0 r m ，反应器底部设有污泥排 放管，侧壁设有排水管。进水和污泥回流分别由潜水泵和污泥泵控制。排泥管、 污泥回流管和排水管上均安装电动阀门。曝气设备采用空气压缩机，并通过流量 计显示流量，实际反应器如辫2 2 ： 1 7 m $ 人学砸f 学位论文 图22 般泥法s b r 反戌器主体实国 电器设各由控制柜进行控制，控制系统由手动控制和自动控制两种模式组 成。自动部分采用可编程控制器( p l c ) 作为控制核心，将试验装置的各开关信 号引入p l c ，经过判别和计算输出控制动作：手动部分可摆脱p l c 的控制手 工控制试验装置的运行，埘22 - j ： 山东人学硕 ：学位论文 2 1 2 试验用水 图2 3 双泥法s b r 反应器操作柜实图 本试验用水取自某宾馆生活污水，污水各项指标如表2 1 。 表2 1 某宾馆生活污水指标 2 1 3 检测指标与方法 主要分析项目及测定方法如表2 2 所示 1 9 誓下 山东大学硕上学位论文 表2 - 2 主要分析项目及测定方法 监测项目分析方法“所用仪器 2 1 4 运行方式 试验从2 0 0 6 年7 月开始，利用城市污水处理厂氧化沟工艺内的接种污泥， 采用宾馆污水进行污泥的驯化，取回污泥均匀分入两个污泥池中，分别为反硝化 污泥和硝化污泥，污泥驯化和试验阶段工艺过程中，具体操作流程和运行周期如 图2 - 4 。 囫口圜图豳m 充水并厌氧搅拌静止换泥 好氧曝气 缺氧搅拌 静止排水 图2 - 4 一个反应周期内时问分配 一个反应周期为1 1 5 h ，s b r 反应器在一个周期内依次处于状态： ( 1 ) 厌氧i ，2 h 。污水进入反应器与反硝化污泥( 含反硝化除磷菌d p b ) 混 合，然后厌氧搅拌，d p b 吸附污水中的大量有机物，同时释放磷； ( 2 ) 静置换泥，0 5 h 。反应器静置沉淀，沉淀下来的反硝化污泥排入反硝化污 泥池； ( 3 ) 厌氧i i ，0 5 h 。将硝化污泥泵入s b r 反应器，厌氧搅拌0 5 h ，硝化污泥 中的聚磷菌p a o 吸附污水中的剩余有机物，同时释放磷； ( 4 ) 曝气阶段，4 - 4 5 h 。聚磷菌p a o 以0 2 作电子受体，分解体内有机物， 山东大学硕士学位论文 吸收污水中的磷，同时氨氮经硝化细菌的作用转化成硝酸盐氮。在曝气阶段后期， 将经过充分沉淀的d p b 污泥上清液移入s b r 反应器； ( 5 ) 静置换泥，o 5 h 。曝气结束后静置沉淀，将沉淀下来的硝化污泥排入硝化 污泥池； ( 6 ) 缺氧阶段，2 5 3 h 。将d p b 污泥泵回s b r 反应器与污水混合，在缺氧 搅拌的条件下，以n 0 3 作电子受体，利用厌氧段吸附的有机物作碳源进行反硝 化，硝酸盐转变成氮气从污水中去除，同时吸收溶液中的磷酸盐并贮存于细胞体。 2 2 运行结果 2 2 1 系统对c 0 1 ) 、氨氮、t p 的去除效果 经过6 0 个周期的培养驯化，系统已基本趋于稳定，对c o d 、氨氮、t p 的 去除率分别保持在8 5 左右、9 0 以上、8 5 左右，系统对主要污染物去除状况 如表2 3 、图2 5 。 表2 - 3 污泥驯化期间污染物的去除效果m g l 2 l 山东大学硕士学位论文 ， v 静 筮 帆 驯化时同( 周期) 图2 - 5 系统驯化期间主要污染物去除率变化趋势 从表2 3 、图2 5 中可以看出系统驯化初期对c o d 的去除率就在6 0 左右， 主要原因可能是系统中反硝化污泥和硝化污泥微生物生长繁殖都需要碳源；系统 初期对氨氮的去除率较低，但增长幅度较快，主要是由于驯化环境有利于硝化污 泥中硝化菌群的生长；系统初期对t p 也有一定的去除效果，主要是由于常规聚 磷菌在硝化污泥中占一定比例，进入运行稳定阶段后，系统反硝化污泥中的反硝 化聚磷菌逐渐成为优势菌种，表现出了较好的除磷效果。 2 2 2 系统污泥龄及污泥特性 污泥龄的长短对聚磷菌的摄磷作用和剩余污泥排放量有直接的影响，从而 对除磷效果产生影响。泥龄越长，污泥中的磷含量越低，加之排泥量的减少，会 导致除磷效果的降低。相反，污泥龄越短，污泥中的磷含量越高，加之产泥率和 剩余污泥排放量的增加，除磷效果越好。根据以上的理论，在试验中考察了污泥 龄与除磷效果的关系。 2 2 暑阳加印们加m o 山东大学硕士学位论文 表2 4 驯化阶段系统污泥浓度变化 n l g l 反硝化污泥硝化污泥 日期 m l s s删s sv s s s sm l s sm l v s sv s s s s 0 7 2 44 4 9 90 8 6 81 9 3 0 4 3 3 40 8 1 91 8 9 0 0 8 0 33 8 2 50 7 3 41 9 1 9 4 0 150 8 0 72 0 0 9 0 8 1 73 2 4 80 6 6 62 0 4 0 4 1 6 7i 0 8 32 5 9 9 0 8 2 83 1 3 70 5 8 53 3 7 4 3 9 6 41 2 5 13 1 5 5 0 9 1 42 4 0 30 9 5 03 9 5 3 4 1 4 51 6 4 73 9 7 2 0 9 2 02 3 9 40 8 6 8 3 6 2 5 3 9 2 4 1 5 2 7 3 8 9 1 表2 4 污泥浓度变化情况表明：在系统驯化初期，将城市污水处理厂的活性 污泥均分在反硝化污泥池和硝化污泥池，7 月2 4 目的监测数据可以看出，两个 池内的污泥性质一致，但v s s s s 比值仅为1 9 3 0 ，说明污泥活性很差。在此 期间，系统的脱氮除磷效果不理想。在随后的驯化过程中，发现硝化污泥量增长 速度较快，而反硝化污泥量增长缓慢。由反硝化除磷技术的原理可知，细胞在厌 氧阶段吸收的有机物，在缺氧状态下作为电子供体用于脱氮和吸磷，这样就减少 了同化作用产生的污泥。根据污泥增长的速度，对系统进行定期排泥，控制反硝 化污泥龄在1 0 d 左右，硝化污泥龄在2 0 d 左右。经过近两个月的驯化后，系统出 现了明显的同步去除氮磷现象。对污泥性质的检测也发现，反硝化污泥和硝化污 泥的v s s s s 比值都提高了。将反硝化污泥龄缩短到5 d 后，虽然反硝化污泥浓 度降低了，但系统的脱氮除磷效果却更好了。定期的排泥不仅将污泥吸收的氮磷 排出系统，而且使污泥的活性得到了改善。另外，试验还发现两种污泥的v s s s s 比值基本上保持一致。 2 2 3 系统硝化反硝化过程中o r p 的变化 s b r 法的反应是一个高度非稳态的过程，有机物的浓度、活性污泥的性能 和质量、水体的氧化还原状态都随反应的进行发生一定的变化，从而使得该工艺 不如一般的活性污泥法在实际中容易控制。由于b o d 5 、c o d 、t o c 等水质指标 测定周期长，操作繁琐，不适于反应阶段的连续测定，为了使污水设施有效地运 行，达到节能的目的，人们经过长期的研究，发现可以把氧化还原电位 ( o x i d i a t i o n r e d u c t i o np o t e n t i a l ) 作为s b r 法反应的时问控制参数。 s b r 系统的o r p 是多种氧化物质和还原物质进行氧化还原反应的综合结 山东大学硕- j ：学位论文 果，是对整个氧化还原状态给出的一个综合指标，资料表明，污水中o r p 与各 种反应有如图2 - 6 所示关系。 0 r p 过程 电子受体落件 i d v ，j 、il + 3 0 0 3 1 2 l 0 2 好氧 4 - 2 0 0 - - - i ，1 鼍 + l0 0 一 u j 厌氧碳源 厌氧发酵 有机物 一10 0 一 8 - 2 0 0 - 5 1 _ _ 3 0 0 。 - l 一4 0 0 一 一 1 有机物氧化2 ，聚磷3 鞘化4 反硝化5 释磷6 产生硫化氢7 产酸8 产甲烷 图2 - 6o r p 范围和各种氧化还原反应的关系：如一 图2 - 6 指示的是系统去除溶解性污染物的先后顺序与o r p 变化范围的关系。 污水中的碳、硫和氮氧化物是唯一经历氧化还原转化的物质，碳化合物还原性最 强，大部分碳源在曝气阶段较低的o r p 范围被去除，其余的被絮体吸附继续缓 慢氧化，而氮化合物最难被氧化。 d a es u n gl e e 等对( a o ) 2 s b r 系统反硝化除磷污泥的批量研究过程中也发 现，p h 、o r p 和d o 与系统中营养物浓度州i - 1 4 + - n 、n 0 3 。n 和p 0 4 孓p ) 存在一定 的相关关系，因此可以利用o r p 作为实时控制的参数，来自动调节( a o ) 2 s b r 系统各阶段的运行时间。对比试验结果表明，对( o ) 2 s b r 实施的实时控制策略 相对于定时控制策略可以大大提高系统脱氮除磷的效果 虽然本试验硝化过程中采用恒量曝气的方法，但为了考察o r p 对好氧硝化 过程中硝化反应的指示作用，对o r p 的研究中设定d o 值，通过间歇曝气的方 式控制d o 值在2 5m g l 左右。本试验的缺氧阶段，由于没有常规的