（环境工程专业论文）生物吸收及其影响因素研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 生物吸收及其影响因素研究 专业：环境工程 硕士生：王文国 指导教师：彭党聪教授 摘要 本文以乙酸和葡萄糖为基质，采用s b r 反应器对溶解性有机物的生物吸收及其 影响因素进行了试验，研究结果表明： 1 葡萄糖为基质时，最大生物吸收量为5 4 6 2 m gg l u c o s e gm l s s ；乙酸为基质 时，最大生物吸收量为2 0 5 6 6 m gh a c gm l s s ； 2 ，葡萄糖为基质，有机负荷为1 o 和2 8 k g c o d m 3 d 时，最大生物吸收量分别 为5 4 1 9 、5 4 6 2 r a gg l u c o s e gm l s s ；乙酸为基质时，相应的最大生物吸收量分 别为1 7 5 6 8 、2 0 5 6 6 m gh a c gm l s s ； 3 d o 为2 5 m g l 时，葡萄糖、乙酸的平均生物吸收量分别为4 5 9 0 m gg l u c o s e g m l s s 和1 7 1 7 7 m gh a c gm l s s ：d o 。 o 4 r a g 1 时，相应平均生物吸收量分 别为3 7 1 9m gg l u c o s e gm l s s 和1 4 7 4 6 r a gh a c gm l s s ； 4 通过测定氨氮浓度、细胞蛋白质含量和磷浓度等在反应过程的变化可间接描 述微生物对溶解性有机物的生物吸收，微生物吸收、增长和氧化之间的数量 关系为：吸收：增长：氧化= 9 3 ：6 ：4 。 关键词：活性污泥；生物吸收；生物储存；s b r ；p h b ；a s m 3 ；f e a s t - f a m i n e 西安建筑科技大学硕士学位论文 s t u d i e so n b i o l o g i c a lu p t a k e a n di t sa f f e c t i n gf a c t o r s s p e c i a l t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g a u t h o r ： w a n gw e n g u o s u p e r v i s o r ：p r o f p e n gd a n g c o n g a b s t r a c t s t o r a g ea n du p t a k eo f r e s o l v a b l eo r g a n i cm a t t e rb yg e r m sa n di t se f f e c t i n gf a c t o r sa r e s t u d i e db ye x p e r i m e n t ，i nw h i c hs b ri se m p l o y e da n dt w ok i n d so fs u b s t r a t eu s e da r e g l u c o s ea n d a c e t i ca c i d t h er e s u l t ss h o wt h a t ： 1 w h e ns u b s t r a t ei sg l u c o s e ，t h em a x i m a l q u a n t i t yo f b i o l o g i c a lu p t a k e i s5 4 6 2m gg l u c o s e g m l s s ；w h e n s u b s t r a t ei sa c e t i ca c i d ，i ti s2 0 5 6 6 m gh a c gm l s s ； 2 f m a d o p t e d i n t h e t e s t i s1 0 a n d2 8k g c o d m 3 d ，w h e ns u b s t r a t e i s g i n c o s e ，t h e m a x i m a l q u a n t i t yo fb i o l o g i c a lu p t a k ei s5 4 1 9 ，5 4 6 2m gg l u c o s e g i v i l s sr e s p e c t i v e l y ；w h e n s u b s t r a t ei sa c e t i ca c i d 。i ti s1 7 5 6 8 ，2 0 5 6 6 m gh a e gm l s s ； 3 w h e nd oi s2 5 m g 1 ，t h ea v e r a g eq u a n t i t yo f b i o l o g i c a lu p t a k ef o rg l u c o s ea n da c e t i c a c i di s4 5 9 0m g g l u c o s e gm l s s ，1 7 1 7 7m gh a c gm l s sr e s p e c t i v e l y ；w h e nd o l e s s t h a n0 4i e 【g 1 ，i ti s3 7 1 9n a g g l u c o s e g m l s s 、1 4 7 4 6m g h a e g m l s sr e s p e c t i v e l y ； 4 b i o l o g i c a lu p t a k ep h e n o m e n o n i sd i s c r i p t e di n d i r e c t l yb y m e a s u r i n gv a r i e t yo f c o n t e n t o f p r o t e i ni ng e r m ，c o n c e n t r a t i o no fa m m o n i an i t r o g e n a n dp h o s p h o r t h eq u a n f i m t i v e r e l a t i o no f b i o l o g i c a l u p t a k e ，g r o w t h a n d d e g r a d a t i o nd e s c r i b e db ya n a l y z i n gl a b o r a t o r i a l d a t u m i s ：c o d s r o ：c o d g o w t h ：c o d d e 倒撕习3 ：6 ：4 k e y - w o r d s ：a c t i v a t e ds l u d g e ；b i o l o g i c a lu p t a k e ；b i o l o g i c a ls t o r a g e ；s b r ；p h b ；a s m 3 ；f e a s t - f a m i n e 声明 y 6 1 6 7 22 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：互文阂日期：a 耐、咕：a 炙一 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：王炙国导师签名： 注：请将此页附在论文首页。 期：蒯，2 z 西安建筑科技大学硕士学位论文 月l j吾 近年来，环境保护成为全球的热门话题，环境污染已是各国的严重问题。自冷 战以来，人类处于经济飞速发展的和平时期，但同时也是环境遭到严重污染、生态 被急剧破坏的阶段。尤其去年与今年，各种流行病毒泛滥成灾，“非典”时期刚刚 痛苦地度过，紧接着遭遇了禽流感，这一切都是人类以环境为代价发展经济而遭到 的大自然的报复。维持生态平衡、解决污染问题，尤其水污染问题已是刻不容缓的 大事。 我国的水环境污染以有机污染和水质富营养化为主。水污染的恶化不但给工农 业生产带来巨大损失，严重制约国民经济的持续发展，而且对人民的生活和健康， 甚至对人民的基本生存条件造成很大威胁，成为影响社会安定的首要潜在因素。 大力兴建城市污水二级污水处理厂是水污染控制的关键性措施。为了控制水体 的有机污染，工业发达国家普遍采用二级生物处理技术，尤其是活性污泥法。经验 表明，城市二级生物处理技术对水质状况的改善确能起到十分重要的作用。但传统 的二级生物处理技术造价高、能耗大，自7 0 年代环境问题突出之后，世界各国都大 力开展节能、高效和投资少的科学技术研究。在水处理领域，高效节能少投资污水 处理技术一直是研究和开发的主导方向，出现了批新型污水处理技术，发达国家 应用这些技术有效地控制了水体污染。 与发达国家相比，我国的污水处理技术处于非常落后的状态，其原因除了资金 投入严重不足外，技术落后也是重要因素，因此在我国经济实力尚不强大的客观条 件下，要实现2 0 1 0 年水污染控制目标，即：工业废水排放量控制在3 0 0 - 3 2 0 亿吨， 工业废水处理率达到8 4 ，城市排水设施普及率达到7 0 ，城市污水处理率达到6 5 以上l “，必须充分合理利用投入环境保护方面的财力、物力，挖潜、改造、发挥己 有污水处理厂的最大潜力，引进、研究和选择投资省、见效快的污水处理工艺。 为迅速改善我国目前水体污染状况，并且兼顾我国的经济实力，采用处理效率 高、建设费用低、运行费用省、占地面积小、又能够满足各种处理目标要求的污水 处理工艺是比较现实的。生物接触稳定工艺等污水处理技术比较适合我国国情。 本研究充分利用国外己取得的研究成果，开展了一系列试验研究，并在此基 础上对污水生物处理的反应机理与净化功能进行了研究。 1 绪论 1 1 污水处理系统 1 1 1 污水的产生和性质 a 污水的产生 城市是人口密集、工业集中的场所，也是政治、经济和文化的中心。九十年代 是我国城市社会经济发展最快的时期，城市建设得到了快速发展，中小城市不断扩 大，城市数量也由八十年代初的2 4 4 个发展到现在的近7 0 0 个7 舶，我国工业得到了 巨大的发展，造成强大的环境压力。从地域上讲，城市污水负荷最重，而环境容量 有限，就行业而言，工业污染占总污染负荷的7 0 8 0 【引。水域中由于废水的排入， 有机物耗氧污染逐濒增加，流经主要城市的城市河流受到不同程度的污染，全国城 市有2 5 4 的人1 ：3 饮用不合格的水【”。因此，城市化进程的加快和人民生活水平的 提高，导致了城市排水的水质和水量都发生了很大的变化。据1 9 9 8 年统计，全年污 水为3 6 0 亿吨，工业污水占排污量的7 5 。而全国共有百余座公共污水处理厂，污 水处理能力为3 6 6 3 万吨天，处理率仅为6 7 5 i ”。所以，城市是污水产生的主要 场所。另外，我国的乡镇企业自九十年代初飞速发展，规模巨大，对农村环境的污 染也十分严重，近几年来，许多小型乡镇企业纷纷被强制关闭，具有定生产能力 的限期整改“”，可见，乡镇企业也是不可忽略的污染源头之一。 b 污水的性质 由于使用过程中带进了大量的洗涤剂、染料、油脂、粪尿以及酸、碱和重金属 等污染物，水的物理性质和化学性质发生了很大变化，从而水变成了污水，故污水 的性质与水大不相同，按照污水的种类分述如下。 生活污水的性质 生活污水仅仅与居民的生活习惯、文化风俗、经济条件以及当地的气候状况有 关，故污水成分及含量相对工业废水较为稳定，我国生活污水水质如表1 1 。 表1 1 生活污水水质 l 项目温度 s sc o d b o d 5p ht n t p j 单位 m 】m 1m 鲫 m 鲫m 创 f 浓度 2 0 3 01 0 0 3 5 04 0 0 6 0 01 8 0 2 5 06 8 7 32 0 8 54 1 5 夺s s 。生活污水的固体物质通常以有机物为主，通常情况下，s s 为2 2 0 m g 1 其中挥发性s s 为1 6 5 m g l ”； 一2 一 西安建筑科技大学硕士学位论文 夺c o d 。生活污水中的c o d 有7 0 8 0 是以不溶解性或胶体态有机物存在； 夺b o d 5 。生活污水中的有机物主要来源于人们的饮食、排泄物等，大多易被 生物降解，故b o d s 值相对较高，一般在1 2 0 2 5 0 m g 1 之间； 夺p h 值。生活污水的p h 值一般为6 8 7 3 。 工业废水的性质 工业废水成分复杂多变，主要污染指标为p h 、s s 和c o d 等常规指标以及酸、 n h 3 等特殊指标，由于企业的生产类别及生产工艺不同，造成其浓度相差悬殊。工 业废水的重要特征是含有毒性和酸碱污染物等。 城市污水的性质 城市污水包括居民的生活污水和工业企业的生产废水，通常生活污水的水质和 水量相对稳定，因此，城市污水的水质主要受工业废水水质及其所占比例、城市规 模、经济生活水平、居民生活习惯与文化风俗、气候条件及下水道系统的影响。目 前，我国城市污水水质见表1 2 。 表1 2 城市污水水质 项目温度s sc o db o d 5 p h t nt p 单位 m g 1m g lm g l m im g l 浓度 1 0 2 05 0 5 0 01 0 0 6 0 01 0 0 3 0 06 5 7 51 5 6 02 1 8 夺水温。不同于生活污水的是城市下水管道通常埋设在地下，污水的水温具有 相对稳定的特点，一般在1 0 2 0 。c 。冬季水温高于气温，夏季水温低于气温。城市 污水水温的突然变化一般是由工业废水排入造成的，而大量雨水的排入也会明显降 低污水的温度； 夺c o d 。c o d 的含量和组成对水体污染和自净有很大的影响； 夺s s 。城市污水通常含有一定量的固体物质，其组成包括有机物质和无机物质； 夺b o d 5 。生活污水的b o d s 一般在1 0 0 , - - , 2 5 0m 鲫之间，工业废水的b o g ；则有 较大的差异。城市污水的b o d s 一般在1 0 0 3 0 0m g l 之间； 夺p h 值。城市污水的p h 值一般为6 5 7 5 。城市污水p h 值的急剧变化，通 常是由工业废水的大量排入造成。 1 1 2 污水处理系统 污水处理方案的确定与处理系统的选取通常根据污水的来源与性质来进行。 城市污水的处理一般分为一级、二级和三级( 深度) 处理，其处理流程如图1 1 所示。一级处理为物理方法，一般采用格栅、沉砂池、沉淀池等构筑物去除污水中 一 西安建筑科技大学硕士学位论文 呈悬浮态的固体污染物质。一级处理的处理效率低，b o d 5 的去除率只有3 0 左右， s s 的去除率约为5 0 左右，对我国目前水体的污染现状来说，一级处理的出水水质 不能达到排放要求，一般作为二级处理的预处理。二级处理为生物方法，即通过微 生物的代谢作用将污水中各种复杂的有机物( 呈溶解态、胶体态以及微小颗粒态) 转化为简单稳定的无机物( c 0 2 ) 以及微生物细胞( 剩余污泥) 。二级处理b o d ，的 去除率可达9 0 以上，出水中的b o d 5 浓度降至2 0 3 0 m g 1 。三级处理是去除氮、磷 等营养物质以满足水环境标准的要求，防止水体富营养化，或进一步去除悬浮物、 盐和未被生物降解的有机物使其达到污水再利用的水质要求。为保证公共卫生安全， 城市污水处理系统应具有消毒功能；由于采用氯气消毒通常产生致癌物质( 氯代有 机物等) 怫】，通过食物链可能进入人体，同时出水中剩余的氯会对受纳水体的生态 系统产生破坏作用，经研究发现采用臭氧消毒也会产生致癌物质，因此近几年来有 人提出城市污水经处理后应直接排放。这样不但避免了上述危害，同时也优化了水 体的生态系统，国外将污水处理后直接排放的污水厂越来越多一】。目前，我国的大 部分城市污水处理厂以二级处理为主，并向脱氮、除磷及污水回用的三级处理发展。 城市污水处理技术以生物方法为主，经过近百年的研究发展，出现了各种各样 的处理工艺，且大多已经基本成熟。以有机物( b o d 5 ) 为主要处理对象时，通常采 用活性污泥法进行二级处理，而生物膜法主要用于工业废水的处理。污水首先经过 格栅、沉砂池，去除较大的悬浮物质及砂粒等杂质，然后进入初沉池去除呈悬浮态 的污染物，最后进入生物处理构筑物( 曝气池) ，使污水中的有机污染物在微生物的 作用下氧化分解，生物处理构筑物的出水进入二沉池进行泥水分离，出水再经消毒 处理后排放，沉淀池排出的剩余污泥经浓缩、消化、脱水后可综合利用，污泥消化 过程产生的沼气可回收利用，作为热源或沼气发电。 生活污水的污染物组分及其含量较有规律可循，因此，生活污水的处理较简单， 处理工艺也比较成熟。目前应用广泛的城市污水处理工艺都可以应用于生活污水的 处理，如氧化沟、s b r 、a b 等工艺，且处理效率较高。 工业废水的处理十分复杂，处理方法因废水水质而异，没有统一的处理工艺。 由以上分析可见，污水的处理比较复杂，方法也多种多样，对于生活污水和城 市污水通常采用生物方法，在各种生物处理方法中，活性污泥法最为常用。如何简 化处理流程、降低基建投资、减少运行费用已成为活性污泥法的主要研究内容之一。 1 1 3 活性污泥法的发展 活性污泥法的历史至今已近百年，被认为是由英国人阿登( a r d e m ) 和烙基特 4 西安建筑科技大学硕：e 学位论文 ( l o c k e f t ) 于1 9 1 4 年创造，第一座生产性的活性污泥法污水厂是1 9 1 7 年在英国 曼彻斯特市建造的。我国的活性污泥法历史也较长，第一座活性污泥法污水厂一上海 北区污水厂建成于1 9 2 3 年o “1 ，只比曼彻斯特污水厂晚六年，距今已有八十年的历 史。 一级处理二级处理三级处理 菸镦 扣斜 + | 除磷化学沉淀卜 生物滤池q 一悬浮物裴耋雾 t 生物处理非生物处理 牺鬲焉n 主_ 浓缩 污翮污泥掣 消化 泥 脱水 脱水 处 过滤 1 溶解性医渗型 千化焚烧 l 1 固体翳 理 图1 1 城市污水典型处理工艺流程 近百年来，活性污泥法经过不断发展，已经成为污水处理中应用最广泛的生化 操作工艺。 活性污泥法无论是在工艺流程、运行参数、处理能力方面，还是在生物反应和 净化机理的认识水平以及工艺设计、过程控制的手段上都有了巨大进步。在工艺流 程方面，从间歇运行发展到连续运行，从推流方式发展到完全混合方式，从一段法 发展到多段法，以及各种方式的组合使活性污泥处理技术不断完善、不断成熟。在 运行参数方面，体现在对污泥负荷的选择，以及对污水水质和污水浓度适应范围的 扩大，根据去除率的不同要求而采用低负荷、常负荷和高负荷等不同的负荷范围。 在曝气技术方面，首先是曝气设备上的变化，有鼓风曝气、射流曝气、微孔曝气、 机械曝气等，其次是曝气方式的变化，从普通曝气到渐减曝气、纯氧曝气、深水曝 气等。 活性污泥工艺在世界各国的应用比较普遍，又由于生物技术的飞快进步，对生 物反应和净化机理的认识有了比较深入的认识，所以在实践中该工艺发展非常迅速， 不断创造出利用活性污泥处理污水的新工艺、新方法，同时随着现代计算机技术、 自控技术等新技术的飞速发展，一些原始的活性污泥工艺又恢复了旺盛的生命力， 一5 西安建筑科技大学硕士学位论文 己经成为研究和应用的热点，如废水生物接触稳定工艺、s b r 工艺。s b r 工艺在我 国小城镇污水、工业废水处理中起着主导作用。生物接触稳定工艺在6 0 、7 0 年代曾 j 一泛应用，但近年来使用较少。本课题以生物接触稳定工艺为研究背景与出发点， 因此，有必要系统地认识与深入地了解。 1 2 废水生物接触稳定工艺 1 2 1 接触稳定工艺的形成和发展 接触稳定工艺( c o n t a c t s t a b i l i z a t i o na c t i v es l u d g e ，c s a s ，亦称生物吸附再生 法) ，是活性污泥法在不断实践应用中的一种改进。 1 9 5 0 年史密斯在美国得克萨斯州奥斯汀城污水处理厂首次将吸附一再生理论应 用于实际工程中。当时该污水厂由于处理水量增加而又无场地可供扩建，史密斯只 得另求仇法。在韦斯顿的基础上，史密斯做了大量的试验，结果发现性能良好的活 性污泥对污水中非溶解性的有机污染物的吸附于较短时间内即可完成。由于城市污 水中6 0 8 0 的有机物为胶体态和颗粒态，因此，去除污水中有机污染物质需要较短 的水力停留时间，这样构筑物不作任何改变但处理的水量却是原来的2 3 倍。史密 斯将原曝气池的进、出水位置进行了调整并增加扩散板把原曝气池改造为吸附池和 再生池，分别进行吸附和再生，回流污泥在与入流污水汇合之前先在再生池里进行 充分曝气( 2 小时) 恢复了净化能力，就这样史密斯解决了水量超负荷问题。 1 9 5 0 年被定为生物接触稳定工艺的创始年】，从此生物接触稳定工艺作为一种 主要方法开始了研究和应用。由于该方法具有构筑物容积小、投资省、工艺简单等 优点，继史密斯之后，接触稳定工艺开始广泛应用于处理各种规模的城市污水。生 物接触稳定工艺的典型流程如图1 2 所示。 随着应用，人们发现可以不设初沉池，于是接触稳定工艺演变成如图1 3 所示 的形式，这种形式为生物接触稳定法的标准工艺流程，最为常用。 进水初沉池接触池二沉池出水 图l ，2 典型接触稳定工艺流程 6 进水 西安建筑科技犬学硕士学位论文 进水接触池二沉池出水 图1 3 标准接触稳定工艺流程 图1 4 一体化接触稳定工艺流程 沉淀池 图1 5 圆形池一体化接触稳定工艺流程 7 - 西安建筑科技大学硕士学位论文 萤亘萤亘亘亘亘亘亘萤亘亘亘亘亘亘量亘量璺雪量重量亘曼亘亘董茧羞毒茧羞喜曼亘亘萤亘萤亘亘量量量量曼董 进水 图1 6 分段进水、半接触稳定工艺流程 进水接触池二沉池 j 稳定池7 掣u 飞 赠 姆 燔 回 1r 堑 f 訾圣_ v 图1 7 改进的接触稳定工艺流程 接触稳定工艺可设计为一体式，即接触池和稳定池合建在起，如图1 4 所示， 池型可为圆形( 图1 5 ) ，图1 6 为兼有接触稳定法与“普通”活性污泥法两者特性 的混合体，可称之为半接触稳定工艺。 如图1 4 、1 5 、1 6 所示的接触稳定工艺并没有广泛应用开来，使用最多的还 是标准的接触稳定工艺。 由于污泥的含水率高达9 9 以上，浓缩脱水性差，处置技术复杂，处理的费用 较高，增加了整体的运行费用。在高负荷的活性污泥工艺中，剩余污泥量及处置问 题尤为突出，接触稳定工艺也不例外，从剩余污泥的处理问题角度出发，有人认为 建议将剩余污泥经稳定池稳定后再排放，则接触稳定工艺又演变成如图1 7 所示的 形式。 认为这样做可以减少剩余污泥量，降低污泥处理费用，但工程上一般不采用。 实际上，这是一个颇有争议的问题，有待进一步论证。根据西安建筑科技大学的工 程经验和理论总结认为，若处理对象为城市污水且水量较大，由于产生的剩余污泥 量大，采用厌氧消化工艺处理可产生沼气回收部分资金，故采用成熟的接触稳定工 艺在经济上占优势；同样道理，当处理对象为城镇污水或某些工业废水时，由于产 r 一 西安建筑科技大学硕士学位论文 8 1 1 1 1 1 1 舜薹薹亘量雪亘量量重量亘亘亘量亘量量萤勇量量曼鱼鱼亘亘亘量量萤焉虽量董萤鱼量蕈勇量蕈勇 生的剩余污泥量不大，采用厌氧消化工艺处理而产生沼气能源回收的资金不足以补 偿稳定池处理剩余污泥所消耗的能源时，采用改进的接触稳定工艺比较合适。 由于当时人们对污水生物处理机理认识的局限性，接触稳定工艺的发展也仅仅 体现在工艺流程的简单改造而已，因此，在实际工程应用中，存在一些的问题当时 无法解决，如出水水质不稳定、技术操作难度较大等，致使生物接触稳定工艺的应 用逐渐减少，已经应用的也大多被改造为完全混合式活性污泥法【”】。基于上述原因， 生物接触稳定工艺并没有得到多大的发展。尽管在实际工程中的应用没有取得很大 成功，但是史密斯创造的接触稳定工艺却给后人树立了一个典范，成为活性污泥法 的一个发展方向。 1 2 2 废水生物接触稳定工艺的：争化机理 早在1 9 3 0 年美国的韦斯顿在试验中发现，有机废水和活性污泥充分接触搅拌 后，在较短时间内水中的有机物大幅度急剧减少，而在之后的很长一段时间内有机 物缓慢地降低，于是韦斯顿认为在活性污泥法处理有机废水时有机物的降解分为两 个阶段：吸附和降解。微生物在和有机废水接触时先将有机物吸附到其体表上，吸 附时间较短( 一般3 0 m i n ) ，在之后的很长一段时间内细胞将吸附到自己体表的有机 物慢慢降解，细胞再一次恢复了吸附能力，故降解阶段又称为细胞再生阶段。这种 吸附一再生理论在韦斯顿提出时仅仅是一个假设，一种现象的发现，并没有得到理 论上的论证。 1 9 5 0 年美国工程师史密斯( m s m i t h ) 在美国德克萨斯州的舆斯汀城市污水厂 进行改造时作了大量的试验，在韦斯顿的基础上提出了著名的史密斯曲线( 如图 1 8 所示) 。史密斯曲线反映了有机污染物的降解规律，即活性污泥净化颗粒态及胶 体态有机污染物的净化分为严格的两个阶段，先吸附后氧化降解，吸附是十分短暂 的过程，而氧化降解则是缓慢的过程，活性污泥对于溶解性有机污染物的净化是无 间断过程，不存在先迅速后氧化降解两个阶段。 史密斯曲线在理论上初步成熟，使得吸附一再生理论初具雏形。后人运用物理化 学、生物化学知识站在纯理论的高度对有机物的吸附和降解现象进行了解释，提出 了多种学说“i ，使吸附一再生理论进一步成熟。史密斯曲线的影响十分深远，至今 仍是世界各国各高校的环境工程专业的学生所必须掌握的基本知识，它反映了有机 污染物在活性污泥法处理过程中净化的基本规律，一直在水处理界占有十分重要的 地位。 吸附一再生理论最早应用于废水生物接触稳定工艺。废水生物接触稳定工艺直接 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 利用了生物吸附一再生理论，接触池和稳定池形成了封闭循环的生物动力学系统， 虽然池中的菌群、生态系统相同，但微生物在各池中的行为( 氧化、增长等) 则不 相同。在生物技术尚不发达的当时，接触稳定工艺没有得到多大进展，其应用技术 和机理的研究也未深入进行。 1 2 3 废水生物接触稳定工艺新发展 近年来，随着生物、电脑等相关技术的飞速发展，人们对生物接触稳定工艺的 认识也在不断提高。2 0 世纪8 0 年代，国内外学者开始应用s b r 反应器代替推流式 反应器对接触稳定工艺进行了改进，即在一个s b r 反应器内进行接触反应、固液分 离、排水和污泥稳定等整个运转过程【】“，接触稳定工艺和s b r 工艺的结合已经应用 于各种小型的有机工业废水的处理。 时间( h ) 图1 8 接触池内有机物特性曲线( s m i t h 曲线) 1 3 本课题研究的背景、目的与内容 1 3 1 本课题研究的背景 在史密斯曲线的基础上，d d i o n i s i 等人【1 4 】利用最新生物理论与技术通过试验 就有机污染物在污水处理过程中的降解规律提出了新观点。 新观点认为，溶解性特别是小分子有机物的净化经历了先“迅速吸收”而后慢 慢降解的过程，这里的“吸收”实际上是指微生物对基质的摄取、吸纳并在细胞内 将基质转化为p h b 等不含n 、p 元素的碳水化合物进行储存或直接以基质的原始状 态进行储存的过程，称之为生物吸收；微生物对颗粒态和胶体态有机物的净化过程 一1 n 一 西安建筑科技大学硕士学位论文 中物理化学吸附起主要作用，而在对溶解性有机物的净化过程中生物吸收作用占绝 对优势。 国际水质协会推出的a s m 3 也将生物吸收作为重点内容进行数学模拟，着重强 调微生物对溶解态有机物的吸收和储存的事实，同时将之视为有机物净化过程的一 个重要环节来进行数学模拟。 1 3 2 本课题研究的目的 无论活性污泥还是生物膜在净化有机污染物的过程中都存在生物吸收作用，同 时，生物吸收作用也是微生物学科的研究内容，作为环境工程和微生物学的交叉内 容，必须同时考虑两门学科的特点来研究。因此，引入微生物学的些概念和知识 来研究生物吸收作用非常必要。 微生物学认为，当外界环境恒定时，微生物对基质的反应主要体现在增长，在 污水生物处理过程中通常借用这一概念，即假定进水基质、基质浓度、溶解氧含量、 温度和p i 值等所有外界因素不变的情况下对污水生物处理系统进行设计、运行与管 理。 若外界环境恒定，采用活性污泥法进行污水处理，这时借用微生物学的概念， 则活性污泥系统可称为平衡活性污泥系统。 实际上，在所有污水系统中，外界环境( 水量、水质、水温等) 和内部环境总 是不断变化。如何描述环境变化对污水处理的影响成为比较复杂的问题，如何使这 种影响得以应用更需要借助微生物学的最新知识与概念。 当环境条件变化时，微生物会逐渐适应新环境，同时，慢慢形成适应环境的基 质合成新机制，然而，在适应新环境、形成新机制之前，环境条件又转变为原状态， 微生物具有维持原有基质合成机制的能力，则微生物会进行超量基质合成与细胞合 成，以抵御环境的变化，微生物对环境变化的这种超量响应称为非平衡增长【1 “。 在污水处理中对非平衡增长的认识始于对基质储存的研究，很早以前就有关于 微生物将基质以p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e s 、l i p i d s 、g l y c o g e n 等储存于细胞的报道，微 生物的非平衡增长和其自身的生物吸收息息相关。 生物吸收作用在非平衡活性污泥系统中能够得到充分的体现，推流式、s b r 以 及选择池等存在着基质浓度梯度的活性污泥反应器中，微生物的增殖为典型的非平 衡增长。因此，生物吸收理论的试验研究一般采用s b r 反应器，基质一般采用葡萄 糖和乙酸。 总之，生物吸收理论是目前有关非平衡增长研究的前沿课题之一，在a s m 3 中 1 1 西安建筑科技大学硕士学位论文 也是重要内容。作为污水生物处理的基本规律，通过对生物吸收的深入研究有助于 污水生物处理技术的进步和完善。 因此，本课题以微生物对溶解性有机质的生物吸收作用及其影响因素为核心、 采用s b r 反应器、以乙酸和葡萄糖为基质进行试验研究，以期对废水生物接触稳定 工艺、a b 工艺、a s m 3 等多方面技术、理论有所完善与提高。 1 3 3 本课题研究的内容 在查阅了大量有关生物吸收、p h b 等高聚物的生物储存、s b r 的国内外文献的 基础上，本论文将以生物吸收为核心在以下几个方面进行试验研究： 探讨环境因素、操作条件对生物吸收量的影响。影响生物吸收量的因素有吸 收时间、进水基质、溶解氧浓度、菌种、p h 、污泥龄以及温度等，而且它们之间相 互关联。根据实验室条件，本文将围绕反应时间、溶解氧浓度、进水基质、污泥龄、 有枫负荷、p h 值等因素进行试验研究、探讨，并在前人的基础上进行总结： 生物吸收、生物增长与生物氧化之间的关系。污水中大部分基质在与微生物 接触的短时间内就即可得以去除，这一过程是生物氧化降解的结果还是生物吸收所 引起有必要通过试验给予证实。关于证实的途径和方法，结合文献，本文从溶解氧 浓度、氨氮去除率、磷去除率以及细胞蛋白质含量、p h b 含量等几个方面进行探讨， 在此基础上，再进一步探讨基质去除过程中生物吸收、生物增长与生物氧化三种作 用之间的数量关系； 关于生物吸收的抗冲击能力。本论文将初步探讨生物吸收对高负荷冲击、p h 值冲击、毒物冲击的缓冲和抵抗能力； 生物吸收动力学的解析。本论文将结合试验数据谈一点粗浅认识。 一1 2 一 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 生物吸收试验研究 2 1 试验装置与方法 2 1 1 试验装置 试验装置如图2 1 所示，试验系统由进水系统、排水系统、反应器、曝气系统 以及自控系统组成。 进水系统由进水箱、进水泵、进水管、进水液位计和时间控制器组成。排水系 统由出水箱、排水泵、出水管、时间控制器组成。为了保证进水和排水体积的准确 计量，在最高水位和最低水位处分别设置液位计。反应器由玻璃加工制成，上部为 圆柱形，底部呈球形，有效容积为4 l 。反应器内除了曝气系统外，还安装了搅拌机， 以保证无曝气时微生物和污水的充分混合。曝气系统由微型空气压缩泵、空气软管 和曝气头组成。s b r 的进水、反应、沉淀、排水等由时间继电器控制自动进行。 图2 1 试验装置图 2 1 2 试验方法 a ，基质 试验采用人工废水，基质分别为葡萄糖和乙酸，自来水配制，c o d 浓度为3 0 0 5 0 0 m g 1 ，同时投加n 、p 和微量元素，具体投加量与配制组成分别如表2 1 、表2 2 所示。 1 3 一 l：=：=。=l：利 西安建筑科技大学硕士学位论文 表2 ，i 试验废水组成 组分 浓度( m g 1 ) c o d3 0 0 5 0 0 n h 3 - n 2 5 p p o ：一 5 微量元素0 1 m l l 表2 2 微量元素溶液组成( 以药品计) 表m 项目名称 含量( 】) c a c l 2 2 h 2 0 7 3 4 0 0 z n c l 2 2 h 2 0 0 0 1 0 0 m g c l 2 6 h 2 0 2 5 0 7 0 0 c u c l 2 2 h 2 0 o 1 1 2 0 f e c l 3 ，6 h 2 0 4 8 0 0 0 n a l v i 0 0 42 h 2 0 0 0 0 2 5 m n c l 24 h 2 0 1 0 3 0 0 b 接种污泥与培养驯化 接种污泥取自西安市北石桥污水处理厂曝气池，污泥浓度为1 2 0 0 0 m g 1 ，接种污 泥量为1 l ，加入废水3 l ，反应器内起始污泥浓度为3 0 0 0 m g l 。 s b r 反应器运行参数如下：进水为2 r a i n ，反应时间为4 h ，沉淀为1 5 h ，排水 2 8 m i n ，即工作周期为6 h 。每周期处理水量为2 l ，以此计算，h r t 为1 2 h ，有机负 荷为1 0 k g m 3 d 。每天排出混合液4 5 0 m l ，即s r t 为5 d 。监测进、出水c o d 浓度、 污泥浓度和生物相。连续运行一周，测定s v i 为1 0 0 m l g 左右，说明污泥沉降性能 良好，且有大量固着型原生动物存在，说明驯化成功。 c 运行方法 夺生物膜的处理。试验系统经过一段时间运行后，反应器壁、搅拌机杆等上会 挂满生物膜，影响观察反应器内的水力状况、微生物絮凝化程度等情况，而且，大 量生物膜的存在会影响污泥形态和生物效能，试验中定期将其清除； 夺生物吸收与细胞再生的实现。在试验过程中采用正常的s b r 运行周期，生 物吸收与细胞再生在同一反应时间内进行，延长反应时间则可以认为延长细胞再生 时间，即生物吸收和细胞再生两个反应过程不存在时间上的间断。 夺水时间的确定。一般认为生物吸收过程十分短暂，若进水时间长，则增长所 1 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 ! 重量重查茧量量量量亘重量亘重量量量董薹量亘苜董蕈量量亘亘亘萤亘亘亘量萤量堇量鱼量重量量善孽里量重量亘量亘亘 占份额将加大，因此，选取合理的进水时间对最大生物吸收量的测定有较大影响。 确定进水时间为2 r a i n ； 夺反应时间的确定。f e a s t - - f a m i n e 理论认为，在与基质接触的短时间内基质丰 富，细胞处于营养富足( f e a s t ) 状态，当外部基质被消耗后，细胞处于饥荒( f a m i n e ) 状态，此时，微生物利用自身的储存物质维持生命活动。处于f a m i n e 状态的时间越 长，则细胞在f e a s t 阶段吸收基质的能力越强，这与微生物的吸附一再生或接触一稳 定理论在本质上一致，因此，f a m i n e 阶段又可称为细胞再生阶段。根据这一理论， 试验中细胞再生时间应该比较长，但由于试验所采用的葡萄糖、乙酸为易降解基质， 反应时间过长微生物会发生过氧化现象( 即细胞自我解体) 【”1 。再生时间过长反而 造成生物吸收能力下降，因此，反应时间不宣过长，一般认为，取3 h 较为合适【”j 。 2 1 3 分析方法 分析项目、方法及频率如表2 3 所示。 表2 3 分析项目、方法及频率 序号项目分析方法分析频率备注 l p h 值 p h s 3 c 精密酸度计1 次天 2 c o d c r 重铬酸钾法t 1 8 】2 次周 3m l s s重量法l 1 次周 4m i s s重量法 1 次周 5 n h + 4 - n纳氏试剂分光光度法2 次周 6生物相光学显微镜i ! o 】1 次天 7d o 值d o 在线监控仪 1 次周 8o r po r p 测定仪 1 次周 9t p钼蓝分光光度法共1 次 1 0 细胞蛋白质含量考马斯亮兰分光光度法【2 l 】共2 次 1 1硝酸盐紫外分光光度法共2 次 1 2亚硝酸盐n 一( 卜萘基) 一乙二胺光度法1 1 8 3共2 次 1 3s v i量筒法1 次周 2 2 吸收时间的影响 生物吸收时间过短则吸收不充分，时间过长则生物增长和生物氧化在基质的去 除中所占份量增大，而生物吸收作用减弱。因此，考察吸收时间对生物吸收量的影 响可以有助于确定生物吸收时间。 22 1 试验结果 一1 s 西安建筑科技大学硕士学位论文 试验采用两种，基质，下面分别对其进行讨论。 葡萄糖 试验分析了2 、5 、8 、1 5 m i n 四种情况。试验参数：有机负荷为1 0 k g c o d m 3 j ，d o 为2 5 r a g 1 ，污泥龄为5 d ，温度为2 0 2 3 。c ，h r t 为1 2 h ，细胞再生时间为 3 h 。在生物相正常( 即污泥絮体状态较好、沉降性能良好、钟虫类等固着型微生物 较多) 稳定的状态下运行，并根据生物吸附量的计算方法进行换算( 将c o d 值转 换为基质量) ，试验结果见图2 2 、2 3 、2 4 、2 5 。 2 3 躐撇4 56 图2 2 葡萄糖为基质吸收时间为2 m i n 时的运行情况 图2 3 葡萄糖为基质吸收时间为5 m i n 时的运行情况 一1 6 一 仍d二88；一暑ui)嘲擎昏s划 仍宴岫8ji嚣目一删掣昏霉州 西安建筑科技大学硕士学位论文 i 萤量堇勇量量萤重量量重量量亘量量童重量亘萤量萤勇重量量萤量萤董量童亘量萤量量量量亘萤亘鱼茧罾量蕈亘亘量亘鱼茧量量董勇重量 123456 试验批次 图2 4 葡萄糖为基质吸收时间为8 m i n 时的运行情况 2 4 0 2 0 0 1 6 0 黑1 2 0 8 。8 0 4 0 o 23456 谊 宴 苦 昙 彗 赢 擎 督 彝 刊 1 2 0 ，、 踢 宴 8 0 蓄 忌 暑 4 0 面 掣 督 s o 州 图2 5 葡萄糖为基质吸收时间为1 5 m i n 时的运行情况 乙酸 乙酸作为基质进行试验，试验参数与葡萄糖相同，所测得的生物吸收量的数据 如图2 6 、2 7 、2 8 、2 9 所示。 1 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 乏2 0 0 誉 8 1 5 0 l ) 1 0 0 5 0 0 1 2345 试验批次 图2 6 乙酸为基质吸收时间为2 r a i n 时的运行情况 45 图2 7 乙酸为基质吸收时间为5 r a i n 时的运行情况 - 1 8 ， 窃沂j苫宕，。凹e一删警管s划 湖 哪 蜘 姗 啪 o 姗 咖 渤 仂苫暑。z)唰娶督雾烈 (t宜eo_)凸ou 西安建筑科技大学硕士学位论文 试验批次 图2 8 乙酸为基质吸收时间为8 r a i n 时的运行情况 辱 宴 苫 董 誉 面 莲 督 s 酬 蓉 宴 詈 羞 挈 面 擎 娶 s 甘1 图2 9 乙酸为基质吸收时间为1 5 m i n 时的运行情况 2 2 2 结果讨论 葡萄糖为基质时，由图2 2 至图2 5 可以看出，随着吸收时间的增长，生物吸 收量逐渐增大，而且，吸收越长生物吸收量增大的速率变小。各吸收时间与其平均 生物吸收量的关系如图2 1 0 所示。 由图2 1 0 可知，吸收时间在0 5 m i n 范围内，随着吸收时间的延长，生物吸收 量呈直线关系增大，在5 r a i n 以后，随着吸收时间的增加，生物吸收量增加比较缓慢。 这是因为吸收时间在5 m i n 以前，污泥负荷较大，微生物处于以生物吸收占绝对优势 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 兼有氧化作用的状态，这种情况下基质绝大部分被微生物吸收入细胞内转化为 p h b 、p h a 等中间碳水化合物或以原始状态储存于体内 2 2 1 。5 r a i n 过后，生物吸收过 程已基本完成，进入以氧化作用为主兼有生物吸收的状态，这种情况下生物吸收量 增加很少。根据生物吸收量的计算方法即生物吸收时间内c o d 减少量与污泥浓度 的比值，因此，吸收时间越长所测定的生物吸收量中由氧化作用所占的比值越大。 辱 宴 苫 墨 首 面 莲 督 s 刊 图2 1 0 葡萄糖为基质时吸收时间与生物吸收量的关系曲线 图2 1 1乙酸为基质时吸收时间与生物吸收量的关系曲线 乙酸为基质时的变化规律与葡萄糖为基质时的结果相同a 各吸收时间与其平均生物 吸收量的关系见图2 1 1 e 2 0 一 一厂l苫钟童。兰1暑一删娶馨s州 西安建筑科技大学硕士学位论文 因此，废水处理中生物吸收时间取5 r a i n 较为合适。 2 3 泥龄的影响