（环境工程专业论文）胞内碳源对a2o工艺脱氮除磷影响研究.pdf

签字日期：沙o 年7 月g 日 签字日期：吵秒年7 月沪日 致谢 本论文的工作是在我的导师李进教授的悉心指导下完成的，李进教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来李老 师对我的关心和指导。 北京城市排水集团研发中心研发部的王佳伟工程师悉心指导我完成了实验室 的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向王工表示 衷心的谢意。 研发中心的陈刚新、韩军两位工程师对于我的科研工作和论文都提出了许多 的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，杨彦、王俊等同学对我的论文研究工作给予 了热情帮助，北京工业大学的孔倩、王赛等同学对我的试验研究提供了大力协助， 在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 中文摘要 摘要： 目前污水处理的研究热点之一，是在保证出水水质的前提下，实现节能减排。 本文结合碳源和空气的供给条件，取得如下成果： ( 1 ) 碳源的种类和数量的差异会对处理结果产生的影响。在缺氧条件下，采 用过度曝气和未过度曝气两种状态培养的活性污泥，以价廉易得的生活污水和小 分子乙酸钠作为) f i j h 碳源，进行对比试验。结果表明，在外界提供碳源和能源总 量相同的前提下，以外源污水为碳源的未过度曝气污泥，其细胞内耗能反应强度 最弱，能量能够最大限度的得以储存；原污水作为外加碳源诱导污泥脱氮除磷的 效果要优于小分子乙酸钠碳源。 ( 2 ) 针对a 2 o 工艺厌氧、好氧阶段开展模拟试验。由于两阶段对氧浓度和 碳源含量的要求不同，相应胞内储能物质p h b 的含量也会有差别，通过胞内碳源 的合成和营养物质的去除情况对污泥活性进行客观评价。试验采用未过度曝气条 件下培养的具有较好脱氮除磷活性的污泥，在相同溶解氧浓度下进行曝气，通过 控制曝气时间长度进行试验。结果表明，好氧段曝气时长控制在6 h 到1 0 h 之间时， 细胞内储能物质p h b 的合成、降解过程与释磷、吸磷过程表现最为一致，取得最 佳出水水质；曝气2 h 会出现p h b 在厌氧段被消耗的现象，过度曝气1 4 h 的污泥 在好氧段p h b 含量剧增，均对污水处理效果产生不利影响。 ( 3 ) 在运行状况良好的污水厂进行沿程采样分析试验，取样点设置在a o 工 艺和a 2 o 工艺厌氧缺氧好氧池的氧浓度变化点。比较发现，a o 工艺由于缺失 厌氧段，导致p h b 的合成现象不明显，对磷的吸收效果较差。不同进水条件的a 2 o 工艺培养的活性污泥对氮和磷的去除效果也有不同，进水中p 元素含量高，则污 泥对能量的储存和磷的去除能力较强；进水中含较多n 元素的工艺，表现出较强 的脱氮能力，而p h b 合成与除磷之间相关性则较差。 关键词： 脱氮除磷；胞内聚合物；聚b 羟基丁酸盐( p h b ) ；碳源；反硝化；过度曝气 分类号：x 7 0 3 1 a bs t r a c t a b s t r a c i ! o n eo ft h eh o tp o i n t si ns e w a g et r e a t m e n tr e s e a r c hi st oe r l s u r et h et r e a t i n gr e s u l ta s t h ep r e m i s e ，m e a n w h i l er e a l i z i n gl e s sc o s ta n de m i s s i o n t h i si st h em a i na i mo ft h i s p a p e r a n dt h ee x p e r i m e n ts t e p sa r es h o w e d 嬲f o l l o w s ： 1 ) t h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s sn e e d sc a r b o ns o u r c e ，w h i c h c o m e sf r o mo u t s i d em a n u a ld e l i v e r yu s u a l l y d i f f e r e n tk i n do fc a r b o ns o u r c 宅w i l ll e a d t od i f f e r e n tr e s u l t t h i sp a p e ru s et w ok i n do fc a r b o ns o u r c ea sc o m p a r i s o n o n ei s s o d i u ma c e t a t e ，w h i c hi sv e r yc o m m o ni ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 雒m i c r om o l e c u l e c a r b o ns o u r c e t h eo t h e rc a r b o ns o u r c ei sw a s t e w a t e r , f u l lo fn u t r i e n ts u b s t a n c ea n d e n e r g y , c h e a p ，a n de a s yt ob eo b t a i n e d t h er e s u l ts h o w st h a t , w h e nt h em a i na m o u n to f e n e r g yc o m i n gf r o mm a n u a l l yd e l i v e r yi st h es a m e ，a p p r o p r i a t ea e r a t i o ns l u d g es h o w s b e a e rt r e a t i n ga b i l i t yt h a no v e ra e r a t i o ns l u d g e i na p p r o p r i a t ea e r a t i o ns l u d g es y s t e m ， e n e r g yc o u l db es t o r e di ns l u d g ec e l l si n s t e a do fb e i n gc o n s u m e d a n dw a s t e w a t e ri s b e r e tf o ra c t i v a t e ds l u d g et oa b s o r b ，c o m p a r e dt om i c r om o l e c u l ec a r b o ns o u r c es o d i u m a c e t a t e 2 ) s i m u l a t et h ea n a e r o b i c ，o x i cp r o c e d u r eo fa 2 op r o c e s s b e c a u s ed i f f e r e n t p r o c e d u r e sn e e dd i f f e r e n to x y g e na n dc a r b o nc o n c e n t r a t i o n s ，p h ba m o u n tw i l lb e v a r i e d f o rt h e r ea r es o m er e l a t i o n se x i s tb e t w e e nt h ei n t r a e e l l u l a rp o l y m e rp h ba n d 、e x t r ac e l l u l a rp o l y m e r , p h bc a nb et h er e p r e s e n t a t i o no ft h ec a p a c i t yo fa c t i v a t e ds l u d g e t h i se x p e r i m e n tc a r r i e so u ti nf i x e do x y g e na t m o s p h e r e ，a n dr e a l i z i n gb yc h a n g i n g d i f f e r e n ta e r a t i o nt i m e t h eb e s tr e s u l tw a sa c h i e v e dw h e na e r a t e dt i m el a s t sf o r6h o u r s t 010h o u r s i nt h e s et w or e a t o r s ，p h bs y n t h e s i sa n dd e g r a d a t i o np r o c e s ss h o w s c o n s i s t e n c y 、析t hp h o s p h o r u sr e m o v a l a n da g g r e g a t i o n s ot h a tt h e yc a nm a i n t a i nb e t t e r e f f l u e n tw a t e rq u a l i t y t o o l o n ga e r a t i o nt i m e ( 1 4 h ) w i l lc a u s et h es l u d g e c e l l d e g e n e r a t e d ，w h i l ea e r a t e2h o u r si st o os h o r tf o rs l u d g ec e l lt os t o r ee n e r g y s ot h e s e t w o i n a p p r o p r i a t ea e r a t i o nt i m el e a d st ol o w n u t r i e n tr e m o v a le f f i c i e n c y 3 ) t h i sp a p e ra l s oa n a l y s i st h ek e yp o 缸o fe a c hs e w a g et r e a t m e n tp l a n t ，b y m o n i t o r i n gt h ec o n t e n to fp h b ，n i t r o g e n , p h o s p h o r u s ，e t c t h er e s u l ti s ，w i t h o u tt h e a n a e r o b i cp r o c e d u r e ，t h ea op r o c e s sc o u l d n ts y n t h e s i z ep h b ，w h i c hm e a n st h e r ei sn o e n e r g ye x i s t sw h e nt h ec e l lh a st oa b s o r bp h o s p h o r u s s ot h ea z op r o c e s sb e h a v e d b e t t e rt h a na op r o c e s s ，n om a t t e ri nn i t r o g e n ，p h o s p h o r u sr e m o v a la s p e c t , o ri ne n e r g y s t o r a g ea s p e c t m e a n w h i l e ，v a r i o u ss e w a g ec o n d i t i o n sc a u s ed i f f e r e n tn u t r i e n tr e m o v a l r e s u l t si nt w oa z op r o c e s s i ft h es e w a g ec o n t a i n sm o r ep h o s p h o r u s ，i t sa c t i v a t e d s l u d g ec a nh a v es t r o n g e re n e r g ys a v i i l ga n dp h o s p h o r u sr e m o v a la b i l i t y , a n dt h e s et w o a b i l i t i e sw i l ls h o wab e t t e rl i n e a rc o r r e l a t i o n t h es e w a g eo ft h eo t h e rp l a n t , w h i c h c o n t a i n sm o r e n i t r o g e n , s h o w ss t r o n g e rn i t r o g e n r e m o v a l a b i l i t y o t h e rt h a n d e p h o s p h o r i z a t i o n k e y w o r d s ： n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s s ；i n t r a c e l l u l a rp o l y m e r ； p o l y h y d r o x y b u t y r a t e ( p h b ) ；c a r b o ns o u r c e ；d e n i t r i f i c a t i o n ；o v e ra e r a t i o n c l a s s n 0 ：x 7 0 3 1 v 目录 中文摘要。i i i a b s t r a c t i v 1 绪论1 1 1课题来源1 1 2 选题依据1 1 3 理论基础2 1 - 3 1 胞内储能物质理论2 1 3 2 胞内储能物质在生物除磷中的作用机理3 1 4胞内储能物质合成条件3 1 4 1 碳源条件3 1 4 2 能量条件5 1 5硝酸盐作为缺氧段电子受体的应用研究6 1 5 1 研究意义6 1 5 2 硝酸盐与分子氧作为电子受体的差别6 1 5 3 缺氧段除磷机理。7 1 5 4 内源反硝化研究成果7 1 6研究设想与展望8 1 6 1 研究设想_ 8 1 6 2 意义8 2试验材料与方法。9 2 1研究方法9 2 1 1 聚羟基丁酸( p h b ) 的检测方法9 2 1 2 常规检测项目检测方法1 0 2 2试验设计1o 3碳源种类对活性污泥脱氮除磷和储存p h b 功能的影响。1 1 3 1概j 苤1 1 3 2试验步骤j 1 1 3 3 试验仪器、试剂及测样方法1 3 3 3 1 试验仪器1 3 3 3 2 试剂1 4 3 3 3 测试方法1 4 3 4试验结果与讨论1 5 3 4 1 两种污泥对碳源利用情况比较15 3 4 2 两种污泥对硝酸盐利用情况比较1 6 3 4 - 3 反硝化速率1 7 3 4 4 释磷速率2 0 3 5 本章小结2 3 4 曝气量对活性污泥脱氮除磷和储存p i - i b 功能的影响2 4 4 1 概述2 4 4 2 试验步骤2 4 4 - 3 试验仪器、试剂及测样方法2 7 4 4试验结果与讨论2 8 4 4 1 曝气量对磷去除效果分析2 8 4 4 2 曝气量对氮素去除结果分析3 0 4 4 3 细胞内外碳源含量关系分析3 2 4 5本章小结3 5 5不同污水处理工艺活性污泥脱氮除磷和储存p h b 功能比较3 6 5 1 概述3 6 5 2试验流程3 6 5 3试验仪器、试剂及测样方法3 8 5 4试验结果与讨论3 8 5 4 1 各工艺活性污泥p i - i b 含量与混合液p 含量的关系3 8 5 4 2 好氧段p h b 与s p 含量关系的线性描述4 2 5 4 3 两种a 2 o 工艺比较4 3 5 4 4 - a o 工艺和a 2 o 工艺对n 、p 去除效果的综合比较4 5 5 5本章小结4 6 6 结论4 7 6 1结论4 7 6 2存在问题与展望4 8 参考文献4 9 附录a 5 4 索引：5 5 作者简历5 6 独创性声明一：5 7 学位论文数据集5 8 1 绪论 1 1课题来源 本课题来源于： “十一五”国家科技支撑计划重点项目“a 2 o 工艺城市污水处理厂节能 降耗关键技术”的子课题，项目编号：2 0 0 6 b a c l 9 8 0 1 。 1 2 选题依据 目前，城市污水中磷的去除可以通过化学法和生物法实现【l 】。化学法以化学强 化一级处理技术( c e p t ，c h e m i c a l l ye n h a n c e dp r i m a r yt r e a t m e n t ) 为典型代表。 它在消耗大量化学合成絮凝剂的同时，产生大量难以处理的化学污泥。此外，该 技术只针对污水中的悬浮物和磷，对可溶性c o d 和b o d 的去除效果欠佳，脱氮 效果也不理想。因而，单独的化学强化一级处理技术不足以使处理后的污水达标 排放，通常需要进一步的生物处理，化学处理的广泛应用受到限制。 污水生物除磷技术来源于微生物的超量吸磷现象，它不需加入难以生物降解 的化学药剂，不产生二次污染。所以，强化生物除磷( e b p r ，e n h a n c e db i o l o g i c a l p h o s p h o i l l sr e m o v a l ) 成为近年来研究的一个热点，其表现为厌氧状态释放磷的活 性污泥在好氧状态下有很强的磷吸收能力，吸收的磷量超过了微生物正常生长所 需要的磷量，即为过度吸磷，最终通过排泥可达到去除污水中磷的目的【。此工艺 的关键是，污水中存在足够的有机物。 但仅凭污水中存在的有机物量并不能满足生物除磷的全部需要，活性污泥微 生物对有机污染物的代谢过程中的部分环节，如反硝化等需要外界碳源的添加以 维持其处理能力和出水效果，所以生物除磷也存在一定的弊端。随着节能减排工 作的深入，目前的研究重点已经转移到，能否促使活性污泥细胞利用其自身的储 能物质来维持其生物活性和污染物的降解能力，而不依赖于外界碳源的存在。所 以本课题的选题依据，是考察碳源在细胞内迁移变化、合成、分解的过程，通过 研究外界条件对胞内碳源含量的影响来提高胞内碳源的利用率，使得在出水达标、 工艺运行稳定的前提下，提高内源反硝化的效率，减少外加碳源的用量，最终达 到节能减排的目的。 1 3理论基础 1 3 1胞内储能物质理论 早在上世纪五、六十年代，就有研究者【2 叫提出，一部分吸收入细胞的有机物 会转化为某种多聚物储存于污泥絮体的微生物细胞内，其中被分辨出最常见的胞 内储存多聚物是多羟基链烷脂( 盐) 类( p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e s ，p h a s ) 和碳水化合物。 p h a s 存在于细胞质中，是被膜包围的0 2 - - 0 51 tm 的微粒。由于其低水溶性 和高分子质量，是理想的碳能量贮存物质。厌氧条件下，低分子挥发性脂肪酸被 聚磷菌吸收贮存为p h a s 。在本试验研究中用到的小分子碳源是乙酸，其合成的主 要储能物质是p h a s 族群中的p h b ( 聚p 羟基丁酸) ，细菌吸收乙酸贮存为p h b 合成与降解途径如图1 1 所示【5 j 。 s o c h s c s c o a o - c e f - c l h 。? s e o a i ( s e o a 。 舭d h r s a c l h ， 户 c f f ，户 h o - c h c h r c s c o a0 一c c h r c o h 台废 口圣基t 麓辅搿乙酰乙馥 上 kh 矗h 上 i骞譬丁酸 1 i r卜h ：o h 。瓢勰以默：乏 图1 - 1 乙酸为碳源时p h b 合成降解途径 f i g l - 1t h es y n t h e t i ca n dd e g r a d ea p p r o a c ho f p h b u n d e ra c e t i ca c i da sc a r b o ns o u r c e 对该图解释如下【5 j ：在乙酰辅酶存在的条件下，p i - i b 合成不需要a t p 的直接 参与，但是需要还原态的氢载体n a d h 。若存在最终电子受体，则抑制了n a d h 的氧化，使其发生p h b 的合成。当胞内n a d 和辅酶高，同时乙酰辅酶低时p h b 发生降解。p h b 的合成需要n a d h ，其来源有两种观点：一是由乙酰辅酶通过t c a 循环( 三羧酸循环) 产生【6 1 ，一是细胞内碳水化合物( 糖原) 降解产生【7 1 。其中，第 二种观点被广泛接受。 2 1 3 2胞内储能物质在生物除磷中的作用机理 一般认为生物除磷的过程可分为两部分【l j ：( 1 ) 厌氧段，聚磷菌( p a o ) 吸收 废水中的有机物，将其同化成聚羟基烷酸( p h a ) ，其所需要的三磷酸腺苷( a r p ) 及还原能是通过聚磷菌细胞内贮存的聚磷和糖原的降解来提供的，这个过程会导 致反应器中磷酸盐的增加；( 2 ) 好氧段，聚磷菌利用p h a 氧化代谢产生的能量来 合成细胞、吸收反应器中的磷来合成聚磷，同时利用p h a 合成糖原。 从细菌生物能学角度看，细菌质子移动力( t h ep r o t o nm o t i v ef o r c e 简称p m f ) 在 释磷和吸磷时过程中起了决定性作用【8 】。p m f 是细胞质膜内外的化学渗透浓度梯 度，其主要作用是通过膜结合酶复合体合成a t p 和用于运输基质到细胞内。而且细 菌具有维持p m f 在某一恒定最佳值上的趋势。 在厌氧状态下，细菌储存的多聚磷酸盐水解，为a t p 的产生提供所需的能量，并 使细胞内的乙酸活化产生乙酰辅酶a 。一部分乙酰辅酶a 可转化为p h b 。所以， 在厌氧条件下，活性污泥聚磷菌细胞内有大量p h b 迅速合成。进入好氧阶段后，聚 磷菌又会消耗大量内含物p h b 颗粒和外源机质，产生p m f 。为了维持p m f 的恒定， 聚磷菌通过消耗p m f 把胞外的磷以中性或电阳性的形式主动运输到细胞内合成 a t p ，这一过程是通过细菌储存的p h b 降解代谢实现的【9 】，它为生物合成提供碳， 并通过t c a 循环( - - 羧酸循环) 产生a t p , 为合成细胞物质及细胞活动和聚磷酸盐的 大量合成提供能量。故在好氧条件下，活性污泥聚磷菌细胞吸收磷使废水中磷实现 高效去除。 1 4胞内储能物质合成条件 活性污泥细胞储存能量的过程伴随磷的释放与吸收，因此，表观上可用磷浓 度的改变表征储能物质合成状况。储能物质的合成，需要满足碳源和能量两个条 件才能实现。 1 4 i碳源条件 研究发现，磷的释放基本上取决于进水中碳源的性质，而不是厌氧状态本身。 据此将诱导放磷的溶解性快速生物降解的有机基质划分为3 类6 1 。 a 类乙酸、甲酸和丙酸等低分子有机酸； b 类乙醇、甲醇、柠檬酸和葡萄糖等； k ，。值大小取决于活性污泥中聚磷菌的数量及其聚磷贮量，廓值是一个微生 物特性常数【h 】。如通常为3 0 - 3 5m g c o d ( g v a s s h ) ：峰值为0 4 m g p m g c o d ； 最大磷释放量值不是一个常数，它随工艺条件和进水水质的变化而变化。 ( 2 ) b 类基质与磷的厌氧释放 由于b 类基质必须在厌氧状态下转化成a 类物质后才能被聚磷菌利用，从而 诱发磷的释放，因此实际上b 类基质诱导的释放速率主要取决于b 类基质转化成 a 类基质的速率，这也是释放曲线可近似的用m o n o d 型方程表示的原因f 1 2 1 ，即 警= 砟誓 d s b k m s b x 。 一dt k 疆+ s b ( 公式1 3 ) ( 公式1 - 4 ) 式中，& 为b 类基质的浓度( r a g l ) ；疋为b 类基质厌氧状态下的最大转化 速率k 通常为5 , - 2 0m g c o d ( g v a s s h ) ；k ： 为聚磷菌吸收单位b 类物质所释放 的磷量观测值，为0 3m g p m g c o d ；k 船是半速率常数，报道值为1 - 2 0 m g c o d l 。 k ；小于k ，是因为b 类基质的酸化产物不全是a 类基质，有一部分b 类基质 被损耗( 以c 0 2 的形式) 或转化成聚磷菌不能吸收的有机酸等。k 。和k 船值变化 较大，是因为b 类基质酸化时反应速率受到酸化终产物的阻遏，污泥中微生物的 组成、所占比例、基质性质均影响k 。和岛的值【1 3 1 。因此对b 类基酸化的反应速 率问题还有待进一步研究和澄清 ( 3 ) c 类基质与磷的厌氧释放 据报道c 类基质能否引起磷的释放与污泥的微生物组成有关，有的能，有的 4 则不能，如果能，释放速率与a 类基质相近。 基于此，任源1 9 等以典型废水的代表性成分，葡萄糖、乙酸钠、乙醇、可溶性 淀粉及谷氨酸钠为唯一碳源，探讨在厌氧好氧吸磷吸磷过程的吸磷效率，所得几 种碳源的释磷，吸磷能力比较，在厌氧阶段，释磷量由大到小为乙酸钠 葡萄糖 谷氨酸钠 可溶性淀粉 乙醇；在好氧阶段，吸磷量由大到小为葡萄糖 乙醇 谷氨 酸钠 可溶性淀粉 乙酸钠。 所以本文采用a 类基质乙酸钠作为小分子碳源，与外源污水作为常规碳源进 行比较试验。 1 4 2能量条件 储存胞内多聚物的过程需要消耗能量。其主要用途除了细菌维持基本生命活 动的消耗外，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。 在好氧或缺氧条件下，有机物的吸收与胞内多聚物储存过程所需的能量可能来自 于部分溶解性有机基质以氧或硝酸盐为电子受体的代谢过程【1 4 】。而厌氧条件下有 机物吸收、胞内储存的能量来源则更为复杂，关于厌氧一好氧系统中厌氧有机物吸 收、胞内储存的能量来源的研究经历着不断更新、深入的发展历程，至今仍说法 不一。总的来说，根据基质种类、运行方式等的不同，细菌有可能选用不同的能 源进行有机物的厌氧吸收，同时采用不同的代谢途径。综合大量文献【l 弛1 1 ，简单 总结有以下两种： 聚磷菌( p h o s p h o r u sa c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ，p a o s ) 机制：在强化生物除磷 ( e b p r ) 系统中，利用多聚磷酸盐水解释放能量厌氧吸收有机物，并储存p h a s 。 聚糖菌( g l y c o g e n a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ，g a o s ) 机制：在非e b p r 系统中， 利用糖原酵解释能进行有机物厌氧吸收，同时储存p h a s 或糖原等胞内多聚物。 a d r i a n b 用乙酸钠和丙酸钠作为单一碳源通过s b r 工艺研究p a o s 和g a o s 之间的竞争，结果发现丙酸钠作为碳源更有利于p a o s 的竞争，因而取得了稳定的 生物除磷效果。对于不适合p a o s 利用的底物葡萄糖、蛋白胨等单一碳源培养下， 经长期驯化，这些碳源也能够作为电子受体被p a o s 利用，进行厌氧释放磷。 然而随着研究的深入，即使对己被普遍接受的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量来源的论断。而对非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。c a 九】c c i l 2 2 】研究发现在非e b p r 系统 中葡萄糖基质被厌氧吸收后并没有合成p h a s ，而是直接转化为糖原作为储存物 质，由此提出可能存在除多聚磷酸盐水解及糖原酵解以外的其它厌氧吸收供能途 径。 5 1 5硝酸盐作为缺氧段电子受体的应用研究 在反硝化脱氮除磷过程中，硝态氮和有机碳源作为反硝化吸磷的电子受体和间 接电子供体( 直接电子供体为聚磷菌利用有机碳源合成的p h b ) ，是反硝化除磷反应 得以有效进行的必备条件。因此，这两种底物浓度控制是否合理对系统反硝化脱 氮除磷效果的优劣有着极为重要的影响作用。 1 5 1研究意义 目前已有研究发现【2 3 瑚】：存在某种聚磷菌在缺乏氧的情况下有可能以硝态氮 作为替代氧的最终电子受体吸收磷，同时还能脱氮。如能利用硝酸盐作为最终电 子受体，同时进行除磷脱氮，将能减少曝气量及运行费用；并能做到“一碳两用 降低除磷脱氮对碳源的需求量；还可减少污泥产生量。其应用前景将是十分诱人 的。因此，对硝酸盐作为电子受体的研究具有现实的意义。 1 5 2硝酸盐与分子氧作为电子受体的差别 邹华四】进行了硝酸盐作为生物除磷电子受体的研究，得到如下结论：曝气状 态下磷的去除率最高，可达9 6 ：而不存在电子受体( 氧或硝酸盐) 的实验中则没有 除磷效果，相反还有少量磷的释放。以硝态氮作为替代的电子受体时也有明显 的除磷效果，与曝气系统相比磷的去除率较低，为8 7 1 ；但存在乙酸钠对磷的 浓度只有极少量的减少，说明外界碳源对试验结果的影响不大。 侯红勋【3 0 】试验证实：n 0 3 过高时，p a o s 在释放磷结束后能够利用硝酸盐作为 一 电子受体进行反硝化吸磷。正常反硝化1gn 0 3 需要5 2gc o d ，而反硝化吸收磷 过程1gn 0 3 - 反硝化仅消耗3 9gc o d ，反硝化吸收磷能够使碳源重复利用，节省 碳源。 以硝酸盐为电子受体时聚磷菌对储能物质利用效率不如氧【3 。由于以硝酸盐 作为电子受体的p o ( 磷氧比，是指l m o l 辅酶n a d 经过电子传递链被氧化磷酸 化所产生的a t p 的量，是表现微生物效率高低的一个重要参数) 比氧为电子受体 时低：好氧时为1 8 5 而缺氧时为1 。细胞效率的下降影响了聚磷菌的各种活性( 如 磷的摄取，细胞生长等) ，也导致了聚磷菌利用p h a s 的效率的下降，所以吸收相 同数量的磷，缺氧时所耗的p h a s 更多。 6 1 5 3缺氧段除磷机理 总结相关实验【3 2 。3 6 j 可知，由于试验用污泥取自厌氧好氧工艺厌氧段，未经过 厌氧缺氧的驯化培养，但是聚磷菌能够以硝酸盐为电子受体进行除磷。可见污泥 中的聚磷菌或者至少有一部分聚磷菌本来就有利用硝酸盐作为电子受体吸收磷的 能力。但在缺氧段存在有机碳源的情况下，聚磷菌利用硝酸盐为电子受体的反应 受到“抑制 ，这是因为存在碳源时，由于聚磷菌在利用硝酸盐为电子受体摄取磷 的同时也存在反硝化作用( 夺走了可利用的硝酸盐) 及合成常见的储能物质p h a s 并 释放磷的过程。从总体上观察就出现了摄磷被“抑制”的现象。这也就可解释为 什么许多文献中对缺氧段是吸收磷还是释放磷的说法各不相同。 1 5 4内源反硝化研究成果 关于内碳源反硝化脱氮和除磷，有文献【37 】提到了这样的试验，考察聚磷菌吸 磷反应时，通常所利用的污泥均首先经过厌氧反应，待体内贮存了大量的p i - i b ， 被用于反硝化和吸磷的研究如果聚磷污泥未经前序的厌氧放磷反应，而是在充分 吸磷以后，直接处于缺氧环境中，是否能够进行反硝化和吸磷反应，换句话说， 聚磷菌是否可在极度饥饿状态下利用自身体内的原生质物质( 称为内源呼吸碳源， 简称内碳源；e n d o g e n o u sc a r b o ns o u r c e s ) 进行内源反硝化。为解答这个问题，王亚 宜等【3 8 】开展了贫营养条件汐f 、部环境中无可利用碳源，细胞内也无可利用的p i - t b 颗 粒) 下的缺氧吸磷试验研究。实验结果表明：反硝化聚磷微生物在贫营养内源呼吸 状况下，硝态氮浓度略有轻微下降，而磷的曲线基本无变化，这一现象暗示着反 硝化聚磷菌在体内缺乏p i - i b 的情况下，无法进行正常的反硝化和吸磷反应。 7 1 6 研究设想与展望 1 6 1研究设想 综合上述研究成果，本研究计划从以下三方面进行试验： 首先，由于外界碳源的差异会导致活性污泥合成储能物质种类和数量的差别， 所以本文着重考察碳源种类对活性污泥合成储能物质和脱氮除磷能力的影响，采 用最具代表性的两种碳源最易被活性污泥利用的小分子碳源乙酸盐和相对廉 价易得的复杂碳源污水。此外，本节试验还考察缺氧段情况下，聚磷菌除磷功能 是否会因为碳源的加入而发生改变。 其次，考虑到好氧阶段的曝气时间长短，曝气量大小都会对储能物质的合成 产生影响，本文就在实验室条件下，通过调整曝气时间( 分子氧提供量) 进行对 比试验。除了常规的曝气时长，本节试验还设置了最短和最长曝气时间。比较不 同有氧环境对活性污泥合成储能物质和去除营养物的能力会有何种影响。 最后，结合生产实际，从稳定运行的a 2 o ( a o ) 工艺污水厂进行沿程采样， 考察污泥储能物质含量在各段的变化情况，其与营养物质的去除是否存在相关性， 由此判断不同进水条件下培养的活性污泥，其脱氮除磷能力和储存能量的特性是 否存在差异。 1 6 2意义 本文主要研究活性污泥脱氮除磷过程，对此过程中最关键的两方面碳源 和电子供体进行控制，以检测出活性污泥细胞内储能物质对不同碳源和分子氧含 量差异的敏感程度，最终在实际生产过程中能够有针对性的加以控制和协调。 当今社会，政府大力提倡节能减排，公民拥有低碳环保意识，在这样的环境 中，污水处理行业的地位迅速提升，并拥有巨大发展前景。要最有效的实现节能 减排，就应从自身技术创新开始，将低碳环保的概念在整个污水处理领域推广， 这也是本文研究目的所在：在整个污水处理过程添加的物质和能量最少，同时保 证出水水质达标，真正的实现节能减排。 8 2 试验材料与方法 2 1研究方法 2 1 1 聚夕羟基丁酸( p h b ) 的检测方法 聚1 3 羟基丁酸的检测方法主要有染色法、气相色谱检测法、分光光度法、重 量测定法和1 h n m r 检测法，其中最常用的是染色法( 定性检测) 、分光光度检测 法( 定量) 和气相色谱检测法( 定量) 。 染色法分为苏丹黑染色法和尼罗红染色法两种，其中苏丹黑染色法使用较多。 苏丹黑染色是使用脂溶性染料对微生物细胞进行染色，染色后用显微镜检测【3 9 1 。尼 罗红染色是将玻片上固定的细胞滴加尼罗红水溶液后在火焰上微加热，冷却后加 盖玻片，置于荧光显微镜下观察。尼罗红染色对p h b 专一性较强，可使p h b 与其 他非p h b 脂类化合物区分开删。 重量分析法最早是由m 1 e m o i g n e ( 19 2 6 ) 创立，他将细胞干燥后，用氯仿抽提， 通过重量改变来测定p h b ，此法误差较大后来又将此法加以改进，先将细胞冷 冻真空干燥或用丙酮充分洗涤，再用氯仿或二氯甲烷抽提p h b ，再加入已烷或乙 醚使聚合物沉淀，分离后干燥称重测定p h b 含量【4 l , 4 2 1 。 气相色谱法是一种较新、较准确的p h b 测定方法，该法的最大优点在于不需 将细胞内p h b 高度纯化即可检测其p h b 含量，这对于研究及生产都十分重要， 但气相色谱法需要高纯度的p h b 标准样品，还需要有价格昂贵的气相色谱仪【3 6 1 。 分光光度法是利用次氯酸盐将细胞消化后，通过分光光度法测定p h b 所造成 的浊度来测定p h b 含量也可以利用热浓硫酸将细胞中p h b 转化为丁烯酸，通 过波长2 3 5 n m 处的光吸收来检测p h b 的含量【4 3 j 。 本试验采用气相色谱法，具体方法如下 4 4 1 ：离心5 0m l 待测活性污泥样品并 冷冻干燥；称取约1 0 0m g 干燥污泥粉末，加入硫酸、甲醇、苯甲酸和氯仿于1 0 0 下裂解5 h ；提取有机相进行气相分析。 色谱条件为：进样器和检测器温度分别为2 3 0 和2 5 0 ；炉温8 0 并停留 2m i n ，然后以8 m i n 升温至1 2 0 并停留2 m i n ，最后以3 0 m i n 升温至 2 2 0 并停留2r a i n ；进样量为2 此。 9 2 1 2常规检测项目检测方法 常规项目具体检测方法1 如表2 1 表2 - 1 试验用主要检测方法 t a b 2 1m a i nt e s t i n gm e t h o d si ne x p e r i m e n t 检测内容检测方法 硝酸盐氮n 0 3 _ _ n 亚硝酸盐氮n 0 2 一- n 氨态氮n 】一+ - _ n 磷酸盐p 0 4 3 乙- p p h b s c o d 儿s s d o 紫外分光光度法 n - 0 一萘基) 乙二胺分光光度法 纳氏试剂分光光度法 钼酸铵分光光度法 气相色谱法 重铬酸钾氧化法 细胞干重法 溶解氧仪法 2 2试验设计 前两部分的试验采用运行状况稳定、良好的中试污泥和取自北京某污水厂的 生活污水为外加碳源，按照上述思路进行实验室小试试验，第三部分采集两个a 2 o 工艺污水厂和一个a o 工艺污水厂沿程水样和污泥样，进行实验室分析。 分析项目包括表征硝化反硝化程度的氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮，表征除 磷程度的磷酸盐，以及储能物质p h b 等重点监测项目；还包括d o ，s c o d ，m l s s 等常规监测项目。 具体试验步骤详见后续章节。 1 0 3 碳源种类对活性污泥脱氮除磷和储存p h b 功能的影响 3 1 概述 目前，国内外研究大多数采用乙酸、丙酸或葡萄糖作为合成p h a s 的碳源来 驯化污泥，并进行机理研究。而实际污水成分相当复杂，含有多种有机物质，因 而上述试验结果并不能完全反映实际情况；且文献关于对生物同步脱氮除磷工艺 中碳、氮和磷的转化机理研究很少。基于上述原因，本研究以取自稳定运行系统 的两种活性污泥为研究对象，分别以实际污水和人工合成污水为进水碳源，对系 统中基质的转化机理及硝态氮对基质转化的影响进行了研究。 3 2试验步骤 试验工艺及流程如图3 1 所示。 前处理：静沉2 啦3 0 m i n ，d o p 气晕觚群 8 j f 专：活摊污泥：两甯 l 1 r 投细迸水 瓴疑磷巍瓶辅鲺， t n s i ，s c o o p h b 图3 - 1 试验流程 f i 9 3 - 1f l o wc h a r to f t h ee x p e r i m e n t 投加外源污水的l 群，3 撑反应器试验步骤： 1 ) 取过度曝气运行系统i 和未过度曝气运行系统i i 的活性污泥和相应的外 源污水。 2 ) 两种水样静沉3 0 分钟后，取上清液备用。 3 ) 两种活性污泥曝气3 0 m i n ( d o = 3 - 5 m g l ，若大于5 m g l 时，可以提前停 止曝气，但至少曝气1 5 m i n ) 。 4 ) 在开始试验前测两种活性污泥的s