（环境科学专业论文）sbr工艺中运行条件对生物除磷系统的影响研究.pdf

东北林q p 人学硕上学位论文 子( 过量) 分析了镁离子对生物除磷体系的影响。在生物除磷系统的启动阶段，适量的 镁离子的添加会使聚磷菌快速富集，而镁离子不充足的系统在长期的运行过程中磷酸 盐去除率逐渐呈恶化趋势。由数据分析我们还可以得出，在镁离子充足的系统，磷酸盐 的变化同镁离子的浓度变化呈现了一定的相关性，r 2 和r 3 的m g a 值在一个相似的范 围，其分别为0 2 9 0 5 9 和0 2 5 0 5 4 ，而r l 的m g p 值为0 0 6 0 1 o r p 值监测数据显 示，在厌氧阶段，镁离子浓度与o r p 值的绝对值以及相应的释磷量的变化成正相关 性。镁离子参与生物除磷中释磷吸磷过程，并随着磷酸盐的释放镁离子浓度也相应增 大，磷酸盐吸收镁离子浓度也跟着下降。可见，适量的镁离子的投加对生物除磷系统是 十分必要的。 关键词：生物除磷；闲置时间；金属离子；污泥形态；微生物群落 a b s t r a c t a b s t r a c t n i t r o g e n ( n )a n dp h o s p h o r o u s( p ) a r et h em a i n p o l l u t a n t s t h a tc a u s e e u t r o p h i c a t i o no fr e c e i v i n gw a t e r s h o w e v e r , c o m p a r e d 诵t l ln ，t h ef u n c t i o no fp h o s p h o r o u si s s t r o n g e r 1 1 圮l o wpc o n c e n t r a t i o n i n i n f l u e n tc o u l dr e s u l ti ne u t r o p h i c a t i o n t or e s t r i c t p h o s p h o r o u sc o n c e n t r a t i o ni sp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a tp r e s e n t ，t h ea i mo fi m p r o v i n g t h ee f f i c i e n c yo fpa n de n s u r i n gt h es t e a d yo p e r a t i o na 他m a i ng o a la l lt h et i m ei nb i o l o g i c a l p h o s p h o r u sr e m o v a l b a s e do ni t , t h ee f f e c to ft h es l u d g et y p e ，i d l et i m ea n dm e t a li o n so n b i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a li ns b r w e r es t u d i e di nt h i sp a p e r 1 1 摭c o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t w os b r sw e r ec o n c u r r e n t l yo p e r a t e dt oi n v e s t i g a t et h e d i f f e r e n tp h o s p h o r u s r e m o v a lc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e ng r a n u l e s ( r i ) a n df l o c c u l a t es l u d g e ( r 2 ) r e s u l t s i n d i c a t e dt h a tr 2h a daf a s t e rp r o g r e s sf o re n r i c h i n gp 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 c o m p a r e dw i t hr 1 a n dt h ep h o s p h o r u sr e m o v a lr e a c h e dt h es t e a d ys t a t ea f t e r4 0d a y si nr 1b u t o n l y3 0d a y si nr 2 f l o c c u l e n ts l u d g ec o u l dr e l e a s ea n dt a k eu pm o r ep h o s p h o r u s ms p e c i a l p h o s p h o r u sr e l e a s em t e ( s p r r ) a n ds p e c i a lp h o s p h o r u su p t a k er a t e ( s p u r ) w c l e 8 818 m g g v s s ha n d9 9 21m g g v s s hi nr 2w h i c hw e r ec o n s i s t e n t l yl a r g e rt h a nt h a t ( 0 9 9 9m g g v s s ha n d3 0 1 7 m g g v s s h ) i nr 1 m o r e o v e r ，t h ep h o s p h o r u sr e m o v a lr a t e w a sm o r et h a n9 0 i nr 2w h i c hw a sh i g h e rt h a nt h a t ( 81 7 2 ) h o w e v e r , t h eg r a n u l e sh a d ah i g h e rr e m o v a le f f i c i e n c yo fn h 4 十- n h o w e v e r , 们他m o i s t u r ec o n t e n to fg r a n u l e s ( 8 5 5 ) w a ss m a l l e rt h a n l a t ( 9 8 7 ) i nr 2 t h er e s u l t so fd o g eo fp c r - a m p l i f i e d 16 s r d n af r a g m e n t sr e v e a l e dt h a tt h ed i v e r s i t ya n dt h ea m o u n to fp h o s p h o r u sa c c u m u l a t i n g m i c r o b i a lo fb a c t e r i ai nf l o c c u l e n ts l u d g ew e r em u c hm o r et h a nt h a ti nt h eg r a n u l e s i tc a nb e c o n c l u d e dt h a tt h ef l o c c u l e n ts l u d g es h o w e dab e t t e rp h o s p h o r u sr e m o v a l ( 2 ) t os t u d yt h ei n f l u e n c eo fi d l ep e r i o di nb i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a lt h r o u g h s e t t i n gd i f f e r e n ti d i et i m eo f 0 5 h ( r 1 ) ，8 h ( r 2 ) a n d l 6 h ( r 3 ) w h e nt h ei n f l u e n tpw a s l o w ( 8 m g l ) ，t h epr e m o v a lr a t ei nr 2w a sh i g h e rt h a nt h a ti nr la n d1 1 3 m o r e o v e r , t h ep r e m o v a lr a t ei nr 3w a sn o ts t a b l e b u tr o s es t e a d i l yi nr la n dr 2 h o w e v e r , w h e nt h ei n f l u e n t pw a sh i g h e r ( 16 m g l ) ，t h epr e m o v a lr a t eb e g a nt od e c l i n ei nr 2a n dr 3 e s p e c i a l l y , i t w a ss u d d e n l yd e s c e n d i n go fs p u ra n ds p r ri i lr 2 i ns t e a d ys t a t e ，t h ec o n c e n t r a t i o no f p h o s p h o r o u sr e l e a s e di na n a e r o b i cs t a g e ，s p u ra n ds p r rw e r es i m i l a ri nr la n dr 2 ，w h e r e t h ec o r r e s p o n d i n gv a l u e sw e r el o w e ri nr 3 ，r e s p e c t i v e l y b u tt h eb e t t e rp h o s p h o r u sr e m o v a l c a p a c i t yt h ee v e r ys y s t e mp r e s e n t e d , t h ep r e m o v a lr a t er e a c h e d9 0 u p w a r d s d g g ep r o f i l e s o f16 s r d n a f r a g m e n t sf o rd i f f e r e n tm i c r o b i a lc o m m u n i t i e sw e r ea n a l y z e d t l 圮r e s u l t ss h o w e d t h a tp s e u d o m o n a ss p ( g q18 3 2 4 2 1 ) a n du n c u l t u r e d f l - p r o t e b a c t e r i a ( a y 8 2 3 9 71 ) w e r ed o m i n a n tm i c r o b i a l s p e c i e s i nr la n dr 2 u n c u l t u r e d 产p r o t e o b a c t e r i a i i ! 东北林业人学硕上学化论文 ( e u 4 3 4 9 0 3 1 ) w a st h ed o m i n a t i n go r g a n i s m s 肛p r o t e b a c t e r ma n dy - p r o t e b a c t e r i aw e r e r e p o r t e dt ob er e s p o n s i b l ef o re n h a n c e db i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l h o w e v e r ，u n c u l t u r e d s p h i n g o m o n a ss p ( a m 8 8 9 0 7 7 )b e l o n g e dt og l y c o g e na c c u m u l a t i n go r g a n i s m st h a t d e t e r i o r a t e st h ep h o s p h o r u sr e m o v a lw a sf o u n di nr 2a n dr 3c o n c u r r e n t l y t h e s er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tp h o s p h o r u sh a db e s tr e m o v a la n ds t a b i l i z a t i o ni nr 1 1 1 他i d l et i m ew a sl o n g e ri n r 2a n dr 3 ，w h i c hm a d ef o rf o r m i n gi n t r a c e l l u l a rp o l y h y d r o x y a l k a n o a t e s f u r t h e r m o r e ，t h e y d i dn o tg e ts t a b l ep h o s p h o r u sr e m o v a la n dw e r eh a r dt oa d a p tt ot h ec h a n g eo f t h ew a t e r ( 3 ) f i n a l l y , t h ei m p o r t a n c eo fm a g n e s i u mo ft h ei n f l u e n tw a s t e w a t e ro nt h ee n h a n c e d b i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a lw a si n v e s t i g a t e d t h ep 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 ) w a sc u l t u r e da n dt h es y s t e mw a ss t a r t u ps u c c e s s f u l l yi nas h o r tt e r m 谢也 a p p r o p r i a t ea n de x c e s s i v em a g n e s i u m b yc o n t r a s t , t h es y s t e mt e n d e dt od e t e r i o r a t ew i t ht h e s h o r t a g eo fm a g n e s i u m ，a n dt h ep h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c yd r o p p e db e l o w5 0 s t a t i s t i c a l a n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a ld a t aa l s os h o w e d a s t r o n gc o r r e l a t i o nb e t w e e nm ga n dp h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n s m e n w 锻b e t w e e n0 2 9a n d0 5 9i nr 2h o w e v e rt h er a t i oo f w a sf r o m0 2 5t o 0 5 4i nr 3 i ts e e m st h a tt h e yw e r ei nap a r a l l e lr a n g e a tt h es a m et i m e ，m g pw a sb e t w e e n 0 0 6a n d0 1i nr 1 t h eo x i d a t i o n r e d u c t i o np o t e n t i a l ( o i 心) w a sm o n i t o r e do n l i n e w h e n o r pd e c r e a s e dt on e g a t i v ev a l u e s ，al a r g e rd e c r e a s er a t eo fo r pc o r r e s p o n d e dt om o r e p h o s p h a t er e l e a s e i na n a e r o b i cc o n d i t i o nm a g n e s i u m w e r er e l e a s e dt o g e t h e rw i t hp h o s p h a t e s o nc o n t r a r i e s ，m a g n e s i u mw o u l du p t a k eu n d e ra e r o b i cc o n d i t i o n s t h ea p p r o p r i a t em gw a s i m p o r t a n tf a c t o rf o re b p r k e y w o r d s ：b i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l ；s l u d g et y p e ；i d l ep e r i o d ；m a g n e s i u m ；m i c r o b i a l c o m m u n i t i e s i v l 绪论 1 绪论 1 1 课题来源 全国优秀博士学位论文作者专项研究基金项目( 2 0 0 5 0 4 4 ) ；教育部新世纪优秀人才 计划项目( n c e t 0 5 0 3 3 0 ) i 国家自然科学基金资助项目( 2 0 8 4 7 0 0 1 ) 。 1 2 论文研究的目的和意义 近年来，随着经济的发展和人们生活水平的不断提高，资源浪费、环境污染等一系 列问题日趋严重。工业化和城市化的不断推进导致了用水量的迅猛增长，也相应地引起 工业废水和生活污水的大量排放。其中，工业废水、生活污水、农业污染源以及二级污 水处理厂所产生的大量氮、磷的过量排放所引起得水体富营养化现象，是当今世界所面 临的重要环境问题。 所谓水体富营养化，是指水体受到氮、磷污染，营养物质进入水体并造成藻类和其 他水生植物大量繁殖，从而造成水质恶化，加速水体衰老，使水生生态系统和水功能受 到影响和破坏，影响水资源的利用，其主要表现为“水华”、“赤潮”等现象。一般来说， 总磷和无机氮分别为2 0 毫克立方米和3 0 0 毫克立方米，就可以认为水体已处于富营养 化的状态。富营养化问题的关键，不是水中营养物的浓度，而是连续不断地流入水体中 的营养盐的负荷量，因此不能完全根据水中营养盐浓度来判定水体富营养化程度。据研 究，如进入水体中的磷大部分以生物代谢的方式流入时，则贫营养湖与富营养湖之间的 临界负荷量是：总磷为o 2 0 5 克( 平方米年) ，总氮为5 - - - 1 0 克( 平方米年) 。总 之，对发生富营养化作用来说，磷的作用远远大于氮的作用，磷的含量不很高时就可以 引起富营养化。可见，磷是限制藻类繁殖最关键的因素。因此，为控制水体富营养化， 限制磷的排放以及对磷的去除显得尤为重要。 与化学除磷相比，生物除磷工艺具有节省化学药剂的投加、降低污泥产量以及提高 污泥的脱水性等优点，因此，生物除磷工艺得到了广泛应用。生物除磷是利用活性污泥 中一系列聚磷微生物在厌氧释磷以及好氧缺氧段超量吸磷的特性，将磷以聚合的形态储 存在菌体内，最终通过排出高磷污泥，达到从污水中除磷的效果。生物除磷工艺的基本 特点都包括前置厌氧区和后置好氧区，如a , o 工艺、p h o s t r i p 工艺、v i p 工艺、a 2 o 工艺、s b r 工艺等等。但无论是何种形式的处理工艺，根据聚磷微生物的除磷机理，稳 定的除磷效果必然受到诸多因素的影响，因此除磷工艺的长期的稳定运行是人们一度困 扰的主要问题【1 翻目前，研究较多的是d o 、厌氧段的n 0 3 - n 浓度、厌氧段p h 、水 温、污泥龄( s r t ) 、进水中挥发性脂肪酸( v f a ) 的种类及比例、进水营养比和二次释 磷等影响因素f 3 5 1 但由于人们对好氧颗粒污泥的研究以及对生物除磷生化性质的深入 研究，污泥种类、闲置时间以及金属离子对稳定的除磷体系的影响更不容忽视。 东北林业人学硕士学位论文 因此，本课题采用s b r 工艺反应器，研究了不同污泥形态( 颗粒污泥与絮状污 泥) ，不同的闲置时间以及不同的镁离子的投加对生物除磷过程的影响，并结合p c r - d g g e 技术对不同体系的微生物群落进行分析，从而以期为生物除磷工艺的启动和长期 的稳定运行提供理论依据。 1 3 生物除磷原理 生物除磷指的是利用微生物将废水中的磷去除的工艺。这些微生物主要是聚磷菌 ( p a o s ) ，属于不动杆菌、气单胞菌和假单胞菌等。所谓生物除磷，就是利用聚磷菌微 生物，能够过量地、在数量上超过其生理需要，从外部环境摄取磷，并将磷以聚合的形 态储藏在菌体内，形成高磷污泥排除系统外，从而达到从污水中去除磷的效果【6 】生物 除磷的原理可简述为： ( 1 ) 聚磷菌释放磷 在厌氧条件下，聚磷菌可将储存在菌体内的聚磷分解，磷酸盐释放到溶液中。在此 过程中释放的能量可供聚磷菌在厌氧压抑环境下存活之用；另一部分能量可供聚磷菌主 动吸收有机物以p h b 形式贮存在菌体内，并使产酸过程得以继续进行。 ( 2 ) 聚磷菌对磷的过量吸收 在厌氧条件下经过有效释放磷酸盐、累积了大量p h b 的聚磷菌，进入缺氧或好氧 状态后，聚磷菌消耗内部贮存的p h b 和外源基质释放出大量能量，一部分能量用于聚 磷菌增殖，一部分用来合成聚磷酸盐积聚于体内，形成富磷污泥。 1 4 生物除磷的影响因素 基于聚磷菌微生物的除磷原理，为实现稳定有效的除磷效果，人们主要从以下影响 因素进行研究： i 4 1 溶解氧的影响 在厌氧条件下，d o 必须严格控制在0 2 m g l 以下，这是因为d o 的存在直接影响 聚磷菌的释磷能力和利用有机物合成p h b 的能力，一方面d o 将作为最终电子受体而 抑制厌氧菌发酵产酸过程，从而妨碍磷的释放1 7 1 ：另一方面d o 会耗尽能快速降解的有 机基质，从而减少了聚磷菌所需挥发性脂肪酸( v f a s ，如乙酸、甲酸、丙酸等) 的产 生，造成p a o s 的生长受到抑制，导致生物除磷效果变差。然而在好氧条件下却要供给 足够的溶解氧，以满足聚磷菌对其储存的p h b 的降解，释放足够的能量供其过量摄取 磷，最终有效地吸收废水中的磷。所以，好氧区的d o 一般控制在2 0m g l 以上【引。 1 4 2 碳源的影响 根据生物除磷原理，生物除磷需要足够的碳源以满足聚磷菌厌氧释磷的需要，当废 水中聚磷菌用来降解的有机物不足时，就会产生无效释磷，不合成胞内聚合物，而无效 释磷中的磷是无法去除的。因此只有厌氧段有效释磷越多，好氧段摄磷量越大。除此之 外，聚磷菌在厌氧段释磷所产生的能量，主要用于合成其体内的p h b 以备，以作为其 l 绪论 在厌氧压抑环境下生存的基础。因此，厌氧段碳源的种类、含量以及与总磷的比值是影 响除磷效果的重要因素。 分子量较小的易降解有机物如低级脂肪酸类物质易于被聚磷菌利用，其诱导磷释放 的能力较强，而高分子难降解的有机物诱导释磷的能力较弱。e v a n s ( 1 9 8 3 年) 等学者 的试验结果表明，在厌氧段投加丙酸、乙酸、葡萄糖等简单有机物能诱发磷的释放，但 以乙酸的效果最佳。 有研究表明，除磷污泥中聚磷菌与聚糖菌对不同碳源的竞争不同是造成不同碳源释 磷程度不同的原因。聚糖菌在厌氧条件下可吸收水中的碳源合成p h a s 但不释放磷，因 此如果聚糖菌在竞争中占优势将导致污泥释磷能力的下降。有研究指出，除磷系统进水 的b o d s t p 至少在1 5 以上，一般应在2 0 3 0 ，才能保证聚磷菌有足够的基质需求而获 得良好的除磷效果1 9 ，- 0 1 当c p 比高于5 0m g c o d m g p 时将导致除磷效率的降低，主要 原因是此时为聚糖菌的生长提供了充足的碳源，使其取得竞争优势而p a o s 被淘汰【1 1 1 。 1 4 3 二次释磷的影响 二次释磷是指在厌氧条件下，有机物缺乏时磷的释放【1 2 l 。厌氧段h r t 过长、污水 中有机基质不够充足、发酵产酸菌的不足都会导致磷的二次释放，导致系统运行效果恶 化1 1 3 】。目前认为，引起二次释磷的原因有：一是在厌氧段人为加入使质子推动力 ( p m f ) 降低的物质，如加碱调节p h 值至碱性，加入缓释剂2 ，4 二硝基苯酚( d n p ) ，通入 c 0 2 和h 2 s 等：二是细菌内源呼吸引起细胞内的多聚磷酸盐水解【i 引 对于s b r 除磷工艺而言，s b r 工艺采用间歇运行方式，其典型的运行周期包括进 水、反应、沉淀、排水和闲置五个阶段，这五个阶段均在同一池中完成所以二次释磷 对生物除磷系统的影响应包括两个方面：一是二次释磷后上清液中含有高浓度的磷，这 会增大反应器中的进水磷浓度；二是会使二次释磷中的无效释磷状况影响活性污泥聚磷 菌的代谢途径，使聚磷菌在厌氧释磷中的无效释放增多，从而造成出水水质恶化【1 4 1 1 4 4 金属阳离子的影响 废水中金属阳离子的成分和浓度在生物除磷系统中不容忽视【i 卯，如镁、钾以及钙 等，不仅是微生物合成所不可或缺的，同时这些离子还参与除磷过程中的生化反应。在 微生物细胞中，镁和钾作为聚磷酸盐的反价离子，是细胞内能量产生的关键因素1 1 5 1 6 1 钾离子有助于磷酸盐在细胞和周围环境间的传输，而镁离子作为酶促剂伴随着释磷和吸 磷反应增大和减少 1 7 a s 。 有研究发现，在厌氧阶段，每释放l m o l 的p ，同时释放0 2 7 0 3 6 m o l 的k 以及 0 2 9 0 3 2 m o l 的m g ”】。然而，c a 离子在生物除磷中并未表现出特殊的作用，而是更多 地参与化学除磷而生成多聚磷酸盐沉淀1 2 0 1 。随着入水镁离子浓度的提高，磷酸盐的去除 率也随之上升【1 5 】；当入水钾离子长期缺乏时，就会导致除磷系统的崩溃，相反，当钾离 子充足时，系统就会得到良好的除磷效剁2 1 】。 东北林业大学硕士学位论文 1 4 5p h 值 试验证明，p h 值在6 5 - 8 的范围内时，磷的厌氧释放比较稳定；p h 值低于6 5 时， 生物除磷的效果会大大下降，当p h 值低于6 时微生物将不再生长【2 2 1 。 1 4 6s r t 的影响 生物除磷系统主要是通过排除剩余污泥去除磷，因此剩余污泥量的多少将决定系统 的脱磷效果。泥龄越短，单位重量的污泥含磷量越高，排放剩余污泥量也越多，因而除 磷效率高。短的泥龄还有利于好氧段控制硝化作用的发生而利于厌氧段的充分释磷，因 此，仅以除磷为目的的污水处理系统中，一般宜采用较短的泥龄。若泥龄过短可能会使 出水中b o d 5 和c o d 的达不到要求。资料表明，以除磷为目的的生物处理工艺污泥龄 一般控制在3 5 7 d 2 引。 1 5 生物除磷工艺 c n e e b u r y 在1 9 5 5 年首次发表了关于一些活性污泥法污水处理厂去除的磷超过一般 生物代谢需求量的报道后，人们发现某些在厌氧条件下释放磷的微生物能够进一步在好 氧条件下过量吸收废水中的磷，自此之后过量除磷现象开始引起人们的关注。随之，生 物除磷工艺层出不穷，但大都采用活性污泥法，且分为连续式和间歇式两种生物处理形 式。其衍生工艺大都是将厌氧好氧组合顺序与其他脱氮设计相结合：不仅仅是二沉池 的底部回流，而是将混合液从后续的缺氧区回流到厌氧区；或者采用多段厌氧和好氧反 应器【2 4 1 。 1 5 1p h o s t r i p 工艺 l e v i s 和s h a p i r o 于1 9 6 5 年发表了关于活性污泥排放和过量摄取磷的调研报告，并 与1 9 7 2 年开发了p h o s t r i p 工艺。该工艺是一种生物作用与化学沉淀相结合的除磷工 艺，活性污泥中的微生物在曝气池中摄取磷后，在二沉池中沉淀分离，一部分沉淀污泥 直接回流到曝气池继续吸磷，另一部分则进入再厌氧池使聚磷菌进行磷的释放，多余的 污泥作为剩余污泥排走。含磷上清液进入化学沉淀池，然后用石灰沉淀法进行去除 1 5 2 刖。工艺 a o 工艺是a n a e r o b i c o x i c 的简称。a o 工艺是使微生物顺次厌氧和好氧交替循环 流动的方法，先使含有某些微生物种群的污水进入a o 法的a 段，使其处于厌氧或兼 氧环境中，这类微生物便吸收污水中易生物降解的有机物质，贮存在体内作为营养源， 同时积存于体内的多聚磷酸盐就会释放磷酸盐到水体中去，从而达到将体内磷充分排出 的目的。污水接着进入a o 法的o 段，即微生物处于好氧环境，此时微生物将体内贮 存的有机物氧化分解，同时吸收污水中大量可溶性磷酸盐，并在体内合成多聚磷酸盐而 积累起来。随后，富含磷的活性污泥的污水进入二沉池沉降下来，一部分就以剩余污泥 的形式排出作为肥料，另一部分则回流至a 段处于厌氧或兼氧环境中，重新进入新一轮 的放磷与聚磷的生理循环过程。上清液即可获得良好的脱磷效果。 1 绪论 1 5 3s b r 工艺 s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ，序批式活性污泥法)由美国i r v i n e 在2 0 世纪7 0 年代开发的一个间歇式的活性污泥系统，其生物处理工艺包括5 个阶段，即进水、反 应、沉淀、排水和闲置阶段，且所有的过程均在一个反应器内完成。 s b r 是近年来在国内外被引起广泛重视和研究日趋增多的一种污水生物处理技术， 该工艺对自动化要求很高。随着工业和自动化控制技术的飞速发展，特别是监控技术的 自动化程度以及污水处理厂自动化管理要求的日益提高，出现了电动阀、气动阀、定时 器及微处理机等先进的监控技术产品，可以根据不同的水质条件、使用场合和出水要求 调整各段时间，从而为s b r 法再度得到深入的研究和应用提供了极为有利的条件团】。 s b r 工艺之所以能够日益受到重视，并得以广泛应用，是由于其运行方式的特殊 性，使其具有一系列传统连续流活性污泥法无法比拟的优点：工艺流程简单，运行管理 方便；降低造价，减少占地：耐冲击负荷：操作灵活多样；可抑制丝状菌的膨胀：耐冲 击负荷强；沉淀效果好【2 6 1 。因而，s b r 法是一种很有前途的生物脱氮除磷工艺。 1 5 4 好氧颗粒污泥工艺 19 8 0 年l e t t i n g a 等【2 7 】首次在升流式厌氧污泥床( u a s b ) 中发现了厌氧颗粒污泥。 近几年来，许多文献报道了不同条件下( 厌氧、好氧以及厌氧好氧交替条件) 颗粒污 泥的形成【2 1 1 。好氧颗粒污泥的形成受到多方面因素的影响，如进水方式、水力剪切 力、沉淀时间和水力停留时间等。 ” 与普通絮体活性污泥相比，颗粒污泥具有众多优势，例如它可以提高污泥的沉降性 能、减少剩余污泥量、耐容积负荷和冲击负荷能力较强、s v i 值低、生物量高等，这些 优势使生物反应器可以在非常高的生物量的同时具有非常好的沉降性能 3 2 , 3 3 】并且与生 物膜工艺相比，颗粒污泥的形成无需填加载体，而具有较高的抗冲击负荷能力因此， 颗粒污泥的出现将极大地改变传统的工艺模式，推动活性污泥技术的发展 好氧颗粒污泥在去除有机废水、降解有毒污染物和重金属等方面已经被广泛研究【弭 3 扪。近年来，随着研究的不断深入，将好氧颗粒污泥工艺应用到生物除磷中也成为人们 研究的热点 j 7 , 3 1 1 。 1 6 生物除磷系统的微生物群落分析 近年来，分子生物学技术的快速发展为活性污泥微生物群落的研究提供了新的分析 技术与方法，从而实现了不依赖于传统的纯种分离方法就能实现对复杂的微生物群落进 行菌群结构的分析和定量评估。应用p c r - d g g e 技术对环境微生物进行研究，通过直 接从样品中提取细菌的d n a ，再将编码有1 6 s r d n a 的基因进行扩增，就能够直接了解 样品中微生物分布结构，并能大致比较相同条件下单一菌群的生物量。2 0 世纪9 0 年 代，分子生物学被应用到废水的生物处理过程中，以确定废水中的菌群组成、动态变化 以及主要的功能菌群，对生物除磷领域的微生物群落的研究也开始日趋重视。 j o h w a na h n 等人【4 2 】采用p c r - d g g e 技术研究了强化生物除磷工艺中采用不同电子 东北林业大学硕士学位论文 受体对微生物种群的影响，分析了对生物除磷起主要作用的优势菌种，以及不同电子受 体条件对除磷菌的种类( 如反硝化除磷菌) 变化的影响。刘亚男等1 4 副通过对不同碳源强 化生物除磷系统的p c r d g g e 分析，以生活污水为碳源的反应器具有数量最多的优势 种群，而以葡萄糖和乙酸钠为碳源的反应器的生物多样性较少。3 个反应系统的微生物 种群各有异同，且其在以生活污水为碳源反应系统中相对生物量最多。戴睿 4 4 1 等研究了 s b r 反应器中不同电子受体和不同p h 值条件下除磷菌种群结构的变化。通过对0 2 和 n 0 3 等不同电子受体条件下培养驯化的活性污泥中除磷菌的群落结构进行对比分析，讨 论了代谢链的差异性所造成的微生物群落结构较为明显的规律性交化，验证了培养驯化 方法用于除磷菌分类筛选与富集的可行性。驯化过程在6 5 8 5 的p h 值范围内，除磷菌 的种群结构均较为相近，仅有少数菌种的细菌数量表现出较为简单的规律性。 1 7 论文主要研究内容 本论文在系统分析调研生物除磷工艺启动、性质、及稳定性的研究基础上，确定了 课题主要内容为s b r 工艺生物除磷系统的影响因素。主要研究内容包括以下三个方 面： ( 1 ) 随着对好氧污泥颗粒化技术研究的不断深入，好氧颗粒污泥已经逐渐被用于脱氮 除磷工艺中。好氧颗粒污泥具有沉降性能好、耐负荷能力较强以及生物量高等优 势，但在生物除磷系统中，好氧颗粒污泥是否也和絮状污泥一样具有良好的除磷 性能，以及絮状污泥和颗粒污泥在生物在物理特性方面的差异如何还不明确。本 研究正是基于此原因，采用两个相同的s b r 反应器，研究了污泥类型对s b r 生 物除磷系统的影响。 ( 2 ) 将营养物质以多聚物的形式储存在细胞内是微生物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胞内多聚物的形成，只有当稳态被破坏时才有利于胞 内多聚物的形成。同时s b r 工艺又是集进水、反应、沉淀、排水和闲置五个阶段 在一个系统完成的。本研究充分利用了微生物的特点，以及s b r 特有的闲置时间 的优势，采用三个相同的s b r 反应器，通过设定不同的闲置时间( 0 5 h ，8 h ， 1 6 h ) ，研究了闲置时间对s b r 生物除磷系统的影响。 ( 3 ) 镁离子是一种酶促剂，它能够与一系列细胞内的物质一起激发酶的活性，从而激 发微生物的活性。尤其是在生物除磷系统中，镁不仅参与微生物体内蛋白质和核 酸的合成，还作为磷酸盐的反价离子参与吸磷过程。但镁离子浓度的大小对除磷 体系产生何种影响还尚待研究本研究通过投加不同浓度的镁离子( 0 、8 、 2 4 r a g l ) ，研究了镁离子对s b r 生物除磷系统的影响。 2 试验材料与分析方法 2 试验材料与分析方法 2 1 试验材料与设备 本试验采用序批式反应器( s b r ) 。s b r 反应器为有机玻璃制成的圆柱形反应器， 内径2 5 厘米，高6 0 厘米，有效容积1 5 升。项部开放，初始阶段废水由进水泵提升至 s b r 反应器，出水由出水泵抽至出水箱。厌氧阶段通过搅拌器的搅拌使反应器处于完全 混合状态，转速为好氧阶段的空气由空气泵提供，曝气量由气体流量计控制反应器在 一侧设有不同高度的排水口，底部为漏斗状方便存贮污泥并设有排泥口整个反应过程 的进水、反应、沉淀、出水均由时间控制器自动控制。试验装置见图2 1 。 1 进水糟2 进水泵3 捧水口4 搅拌曩5 气体流量计6 空气累7 出水泵 8 出水籍9 教孔气头lo | 捧泥口1 1 时问控制量 图2 1s b r 反应装置图 2 2 试验用水以及种泥来源 试验所用污水为人工合成模拟废水。基本水质见表2 1 。试验阶段水质会有所变 化，文中将另行说明。 表2 1 试验模拟废水组分 模拟废水成份 微最元素组成 基质种类 浓度( m g n , ) 微跫元素 浓度( g ，l ) c o d ( c 6 h 1 2 0 6 ) 2 0 m 一3 0 0f e c l 3 1 5 n ( n i - h c i ) 1 5 c u s 0 4 0 0 3 p ( k 2 h p o ) 卜1 6k l0 1 8 m g s 0 4 7 h 2 0 5 0 m n s 0 1 0 1 6 k c i1 8 znso012 碱度( c a c 0 3 ) 6 0 coso,032 微量元素 i m l le d t a1 0 7 东北林业大学硕士学位论文 本试验所用污泥均取自哈尔滨文昌污水处理厂二沉池，经过短期活性恢复之后投入 s b r 反应器。采用厌氧好氧交替工艺培养聚磷菌污泥。 2 3 主要仪器设备 本试验主要仪器设备见表2 2 。 表2 - 2 主要设备和型号 主要设备名称型号 拌 时间控制器 电动搅拌器 恒温干燥箱 精密天平 p h 计 紫外可见分光光度计 氧化还原电位仪 溶解氧仪 c o d 消解仪 空气泵 z y t l 6 g 微电脑时控开关 j j 1 精密增力电动搅拌器 2 0 2 o a b 型恒温干燥箱 f a1 1 4 台式电子天平 p h s 2 5 j h 7 5 2 h 1 2 l l h 1 9 8 1 6 8 w m x 微波密封消解c o d 速测仪 a c o - 0 0 3 型电磁式空气泵 2 4 常规分析项目与分析方法 试验期间对各项水质指标和污泥指标进行了定时定量的分析测定，具体分析项目和 分析方法见表2 3 。 表2 - 3 分析项目与分析方法 分析项目分析方法 n h 4 + n 纳氏试剂比色法 p 0 4 扣 钼酸盐比色法 c o d 重铬酸钾法 s s 重量法 v s s 重量法 含水率重量法 污泥沉降比( s v )体积法 污泥体积指数( s v i ) s v m 2 5 胞外聚合物的测定 污泥中胞外聚合物的提取采用加热法m j 。具体操作为：取5 m l 污泥样品以蒸馏水 分三次清洗，然后于3 0 0 0 r m i n 条件下离心1 0 m i n ，弃去上清液。将离心分离的污泥样 品匀浆分散，并加入蒸馏水1 0 m l ，在8 0 1 2 下热处理lh 以提取e p s 。萃取后的泥水混 合溶液于1 0 0 0 0 r m i n 下离心5 m i n ，取上清液进行e p s 测定，而离心得到的污泥固体经 干燥后称重，作为提取e p s 的微生物量本试验以污泥中多糖和蛋白质含量之和视为污 泥e p s 的含量。 胞外聚合物中多糖和蛋白质的测定方法分别采用苯酚硫酸法 4 6 1 和l o w r y 法 4 7 1 。首 先进行试剂甲的配置：( a ) 1 0 9 碳酸钠( n a 2 c 0 3 ) 、2 9 氢氧化钠( n a o h ) 和0 2 5 9 酒 2 试验材料与分析方法 石酸钾钠( k n a c 4 i h 0 6 4 h 2 0 ) 溶解于 ( c u s 0 4 5 h 2 0 ) 溶解于1 0 0 m l 蒸馏水中。 ( b ) 试剂混合，即为试剂甲。 5 0 0 m l 蒸馏水中。( b ) o 5 9 硫酸铜 每次使用前，将5 0 份( a ) 试剂与l 份 测定具体操作为：( 1 ) 多糖：取上述上清液2 m l ，加入i m l 的5 苯酚溶液，再 加入5 m l 的浓硫酸( 快速加入) ，静止1 0 m i n 后振荡l o m i n 。同时取蒸馏水为空白对照 4 9 0 m 下测定吸光值。以葡萄糖为基准物质作多糖的标准曲线。( 2 ) 蛋白质：取上述上 清液l m l ，加入5 m l 的试剂甲( 迅速混合) ，于室温放置1 0 分钟后，加入0 5 毫升 f o l i n 酚试剂，振荡l o 分钟，然后在室温下放置3 0 分钟同时取l m l 蒸馏水以相同方 法显色，并以其作为空白对照，于7 0 0 n m 处测定吸光度值。采用牛血清蛋白作为基准 物做蛋白质的标准曲线。 2 6 物理性质测定 ( 1 ) 湿密度的测定 污泥的湿密度测定采用重量法。在反应器采样口取一定体积的泥水混合物( v 1 ) ， 将其放入烘至恒重的离心管中，测定两者的总质量( w 1 ) 然后于1 0 0 0 0 r m i n 条件下离 心l o 分钟，将上清液倒入烘干的量筒中，测定上清液的体积( v 2 ) ，并将弃去上清液的 离心管称重( w j ) 最后将数值代入公式( 2 1 ) ，即可得出污泥湿密度。 湿密度 g l ) = ( w j w 1 ) ( v l v 2 ) ( 2 1 ) ( 2 ) 沉降速度的测定 好氧颗粒沉降速率的测定采用重力沉降法1 4 引从反应器中随机选取5 0 个好氧颗粒 污泥，将其逐个放置于液柱高为3 5 c m 的l l 量筒中，测定颗粒沉降的时间，并计算出 系统中好氧颗粒污泥的沉降速度。污泥样品放入量简时要尽量降低污泥的初速度，并将 量