（环境工程专业论文）脱氮除磷菌的驯化分离及其性能优化研究.pdf

东华大学学位论文原创性声明 燃剃 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈 交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成 果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：窃移傻膨 日期：妒f1 年月砷日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学 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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 ， 不保密瓯 学位论文储虢勃7 纠指剥币虢测译 日期：沙1 ) 年月q - 日日期：加f 年多月f 日 摘要 脱氮除磷菌的驯化分离及其性能优化研究 摘要 随着科学技术水平的发展和人民生活水平的提高，环境污染也在 日益加重。近年来，氮、磷化合物导致水体污染的现象屡见不鲜，世 界各地的湖泊、水库和江河富营养化的发展趋势非常迅速。 因此，在近半个世纪内，很多国家都陆续开展对环境的保护工作， 利用微生物处理工农业污水也已经成为主要的方法和途径。现如今， 对污水的处理过程中，在去除有机物污染( c o d ) 的同时，对高浓度 氮磷的去除也提出了更高的要求。所以，在完善水处理系统的同时， 建立完整的微生物驯化筛选和优化的方法，也同样势在必行。 本研究以普通絮状污泥为种泥，通过人工配置污水，采用序批式 反应器( s b r ) ，在温度为2 5 ，p h 为7 8 ，经过1 0 0 天的驯化，其 中前4 0 天为培养阶段，后6 0 天为调整阶段，c o d 、氨氮和磷酸盐在 后6 0 天的进水浓度分别为：2 5 0 m g l 、5 0m g l 、1 4m g l ，均为前 4 0 天浓度的两倍。在1 0 0 后驯化完毕后，污泥体积指数( s v i ) 稳定 在2 0 m g l 左右，混合液挥发性悬浮固体( m l v s s ) 为2 5 0 0 m g l 左 右，c o d 、氨氮、磷酸盐的平均去除率分别达到：9 2 4 、8 8 1 、 9 5 9 ，出水浓度分别稳定在：1 9 0 m g l 、5 9 5 m g l 、o 5 7 m g l 左右， c o d 和氨氮浓度均达到我国污染物排放一级标准，磷酸盐达到污染 物排放二级标准。 从驯化后的污泥中，经脱氮和除磷专性分离培养基成功分离出6 摘要 株长势良好的细菌，其中三株为脱氮性能较好菌株：n 一1 、n 一2 、n 一3 ， 另外三株为除磷性能较好菌株：p 1 、p 一2 、p 3 。然后对前3 株分离出 的脱氮性能细菌进行性能测试，筛选得出氨氮去除性能最好的一株细 菌：n 一2 。然后对其进行优化后，得出其最佳温度为3 0 。c 、最佳p h 为7 ，同时2 4 小时内氨氮去除率达到9 4 9 。从3 株除磷效率较好的 细菌中，通过性能测试，筛选出最好的一株细菌：p 3 ，经过优化后， 得出其最佳碳源为葡萄糖、最佳温度为3 0 。c 、最佳p h 为7 ，并且最 终在1 2 天内，磷酸盐去除率达到9 5 9 。对n 2 和p 一3 采用革兰氏 染色法和16 sr d n a 全序列分析鉴定其菌种的类型，结果显示：n 。2 为鸟氨酸拉乌尔菌( r a o u l t e l l ao r n i t h i n o l y t i c a ) ，p 一3 为解鸟氨酸克雷伯 菌( k l e b s i e l l ao r n i t h i n o l y t i c a ) ，两株细菌革兰氏染色均为阴性。此外， 对这两株细菌的降解产物进行分析后，可初步确定n 2 为亚硝化细 菌，而p 。3 为反硝化除磷茵，具有反硝化和除磷的双重作用。 关键词：脱氮除磷，驯化，性能优化 i i a b s t r a c t d o m e s t i c a t i o n ，s e p a r a t i o na n do p t i m i z a t i o n o fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a l b a c t e r i a a b s t r a c t a ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n dt h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d s ， e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni sa l s oi n c r e a s i n g i nr e c e n ty e a r s ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc o m p o u n d s c o n t r i b u t et ow a t e rp o l l u t i o na r ec o m m o no c c u r r e n c e si nl a k e s ，r e s e r v o i r sa n dr i v e r sa r o u n dt h e w o r l d ；t h ed e v e l o p m e n t t r e n do fe u t r o p h i c a t i o ni sa l s ov e r yf a s t t h e r e f o r e ，i nt h el a s th a l fc e n t u r y , m o r ea n dm o r ec o u n t r i e sh a v ec a r r i e do u te n v i r o n m e n t p r o t e c t i o nw o r k i th a sb e c o m eam a j o ri n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lw a y si nt h eu s eo fm i c r o b i a l t r e a t m e n to fs e w a g e n o w a d a y s ，i ti sn o to n l yt or e m o v et h eo r g a n i cp o l l u t i o n ( c o d ) ，h i g h c o n c e n t r a t i o n so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a la l s op u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t si nt h e s e w a g et r e a t m e n tp r o c e s s t h e r e f o r e ，i ti si m p e r a t i v et oi m p r o v e t h ew a t e rt r e a t m e n ts y s t e ma n dt o e s t a b l i s hac o m p l e t es e l e c t i o na n do p t i m i z a t i o no fm i c r o b i a la c c l i m a t i o nm e t h o d i nt h i ss t u d y , u s i n gg e n e r a lg r a n u l a rs l u d g ea n dt h es e w a g et h r o u g ht h em a n u a lc o n f i g u r a t i o n i nas e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( s b r ) ，a tat e m p e r a t u r eo f2 5 ，p h7t o8 ，a f t e r10 0d a y so f a c c l i m a t i o n , i nw h i c ht h ef i r s t4 0d a y st r a i n i n gp h a s e ，6 0d a y sa f t e rt h ea 由u s t m e n tp e r i o d i nt h e a d j u s t m e n tp e r i o d , c o d ，a m m o n i an i t r o g e na n dp h o s p h a t ei nt h ew a t e rw e r e ：2 5 0 m g l ，5 0m g l ， 14m g l ，i ti st w i c et h et r a i n i n gp h a s e a f t e ra c c l i m a t i o no fo n eh u n d r e dd a y s ，t h es l u d g ev o l u m e i n d e x ( s v i ) s t a b i l i z e da ta b o u t2 0 m g l ，t h em i x t u r eo fv o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d s ( m l v s s ) i s a b o u t2 5 0 0 m g l ，c o d ，a m m o n i an i t r o g e n , p h o s p h a t e ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e sr e a c h e d ：9 2 4 ， 8 8 1 ，9 5 9 ，t h ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o n ss t a b i l i z e da ta b o u t ：1 9 o m e c l ，5 9 5 m g l ，o 5 7 m g l ， c o da n da m m o n i an i t r o g e nc o n c e n t r a t i o nr e a c h e dt h ef i r s tl e v e le m i s s i o ns t a n d a r d s ，w h i l e p h o s p h a t er e a c h e dt h es e c o n dl e v e le m i s s i o ns t a n d a r d s s l u d g ef r o mt h ed o m e s t i c a t i o ns u c c e s s f u l l y i s o l a t e ds i xg r o w i n gw e l l b a c t e r i ab yt h e s e p a r a t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u ss p e c i f i cm e d i u m ，i nw h i c ht h r e e s t r a i n so fg o o d p e r f o r m a n c ef o rt h er e m o v a l ：n 一1 ，n 一2 ，n - 3 ，t h eo t h e rt h r e es t r a i n sf o rt h eb e t t e rp h o s p h o r u s r e m o v a lp e r f o r m a n c e ：p - 1 ，p 一2 ，p - 3 t h e n ，w es c r e e n i n go b t a i n e dt h eb e s tp e r f o r m a n c eo fa n a b s t r a c t a m m o n i ar e m o v a lb a c t e r i an 一2 ，w h i c hb yt e s t i n gf i r s tt h r e eb a c t e r i a lr e m o v a lp e r f o r m a n c e s a n d t h r o u g ho p t i m i z a t i o n , c o m et ot h eb e s tt e m p e r a t u r ei s3 0 ，p h7 ，a n da m m o n i an i t r o g e nr e m o v a l e f f i c i e n c yr e a c h9 4 9 w i t h i n2 4h o u r s t h es a m ew a y , w ea l s os c r e e n i n go b t a i n e dt h eb e s t p e r f o r m a n c eo fp h o s p h o r u sr e m o v a lb a c t e r i ap 一3 ，w h i c hi so p t i m i z e df o rt h eb e s tc a r b o ns o u r c ei s g l u c o s eo b t a i n e d , t h eb e s tt e m p e r a t u r ei s3 0 ，p h7 ，a n dt h ef i n a li n12d a y s ，t h ep h o s p h a t e r e m o v a lr a t er e a c h e d9 5 9 a n dn 一2a n dp - 3b yg r a m s t a i n i n ga n d16 sr d n as e q u e n c ea n a l y s i s i d e n t i f i e dt h et y p eo fb a c t e r i a , t h er e s u l t ss h o w ：n 一2i sr a o u l t e l l a o r n i t h i n o l y t i c a ，p - 3i s k l e b s i e l l ao r n i t h i n o l y t i c a , t w os t r a i n so fb a c t e r i ai ng r a ms t a i nw e r en e g a t i v e i na d d i t i o n , a f t e r a n a l y s i st h ed e g r a d a t i o np r o d u c t so ft h e s et w ob a c t e r i a l ，w ec a nd e t e r m i n et h a tn 一2i san i t r o s a t i o n b a c t e r i a , a n dp 一3i sad 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 ，i th a st h er o l eo fd e n i t r i f i c a t i o n a n dp h o s p h o r u sr e m o v a l w e ij u n - h u ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rz h a ox i a o - x i a n g k e yw 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 l ，d o m e s t i c a t i o n , p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n i i 目录 目录 1 绪论1 1 1 污水中氮、磷的来源及危害1 1 2 生物脱氮除磷机理2 1 2 1 生物脱氮机理2 1 2 2 生物除磷机理4 1 3 生物脱氮除磷影响因素5 1 3 1 脱氮影响因素5 1 3 2 除磷影响因素7 1 4 传统生物法脱氮除磷工艺9 1 4 1 b a r d e n p h o 工艺一9 1 4 2 a 2 o 工艺9 1 4 3 s b r 工艺一10 1 5 生物脱氮除磷新工艺。12 1 5 1 同时硝化反硝化技术1 2 1 5 2 短程硝化反硝化技术1 3 1 5 3 半硝化厌氧氨氧化脱氮技术1 3 1 5 4 反硝化除磷技术13 1 6 生物脱氮除磷微生物多样性研究进展。1 4 1 6 1 脱氮微生物多样性研究进展1 4 1 6 2 除磷系统微生物多样性研究进展15 2 序批式反应器( s b r ) 对污泥的驯化1 9 2 1 实验材料和方法。1 9 2 1 1 试剂19 2 1 2 实验装置2 0 2 1 3 运行方式2 0 2 1 4 污水水质2 0 2 1 5 分析方法2 1 目录 2 2 试验结果与讨论2 1 2 2 1 长期运行中c o d 的变化2 1 2 2 2 长期运行中氨氮的变化2 2 2 2 3 长期运行中磷酸盐的变化2 2 2 2 4 反应器典型单周期各参数的变化2 3 2 3 小结2 4 3 菌种的富集与纯化分离2 5 3 1 实验仪器和试剂2 5 3 1 1 试剂2 5 3 1 2 实验仪器2 5 3 1 3 培养基的配置2 6 3 2 菌种的富集一2 7 3 3 菌种的纯化分离2 7 3 3 1 稀释平板法2 8 3 3 2 涂布分离法2 8 3 3 3 平板划线分离法2 8 3 3 。4 纯化分离结果2 9 3 4 菌种的保存一2 9 3 4 1 保存培养基2 9 3 4 2 保存方法3 0 4 菌株的性能测定与条件优化31 4 1 实验仪器和试剂31 4 1 1 试剂3 1 4 1 。2 实验仪器3 2 4 1 3 实验菌种3 2 4 1 4 降解试验培养基3 2 4 1 5 分析方法3 3 4 2 脱氮菌株的性能测定和条件优化一3 3 4 2 1 菌株的性能测定一3 3 4 2 2 菌株的性能优化3 4 i i 目录 4 3 除磷菌株的性能测定和条件优化一3 6 4 3 1 菌株的性能测定3 6 4 3 2 菌株的性能优化3 7 4 4 小结一3 9 5 菌株的产物分析及菌种鉴定4 0 5 1 实验仪器和试剂一4 0 5 1 1 试剂4 0 5 1 2 实验仪器4 1 5 1 3 分析方法4 1 5 2 菌株的产物分析。4 2 5 2 1 菌株n 一2 降解氨氮的产物分析4 2 5 2 1 菌株p 一3 降解磷酸盐的产物分析4 2 5 1 3 菌株的鉴定4 3 5 3 1 革兰氏染色4 3 5 3 2 扫描电子电镜4 5 5 3 3 菌种的基因鉴定4 6 6 结论与展望5 0 6 1 结论5 0 6 2 展望5 l 参考文献5 2 附录i 符号缩写6 0 附录i ic o d 微波消解滴定法。6 1 攻读硕士学位期间发表的论文及专利6 4 致谢6 5 1 绪论 1 绪论 随着工业废水和生活污水的大量排放，水体富营养化日益严重，根据对我国 1 3 0 余个湖泊的调查资料显示，高营养化湖泊占调查总数的4 3 1 ，中营养化湖 泊占调查总数的4 5 6 【l 】，对我国1 1 8 个大中城市的地下水调查显示，有1 1 5 个 城市地下水受到污染，其中重度污染约占4 0 水污染降低了水体的使用功能，加 剧了水资源短缺，对我国可持续发展战略的实施带来了负面影响【2 | 。 我国自8 0 年代以来，开始了污水脱氮除磷的工作，并取得了一定的进展。 但近年来，我国污水处理厂工艺技术改进的速度滞后，加之乡镇企业的迅速发展， 实际上水体的富营养化问题还在不断加重，严重阻碍了我国国民经济的发展。因 此，控制水体的富营养化问题，己经提到我国水污染控制的议事日程上来，研究 高效、经济的污水除磷脱氮工艺和方法已成为亟待开展的课题。因此开发与使用 具有脱氮、除磷功能的污水处理技术，减少排入受纳天然水系中氮、磷等元素， 对水体保护具有重要意义。 1 1 污水中氮、磷的来源及危害 氮、磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象称为富营养化。在自 然条件下，随着河流夹带冲击物和水生生物残骸在湖底的不断沉降淤积，湖泊会 从平营养湖过渡为富营养湖，进而演变为沼泽和陆地，这是一种极为缓慢的过程。 但由于人类的活动，将大量工业废水和生活污水以及农田径流中的植物营养物质 排入湖泊、水库、河口、海湾等缓流水体后，水生生物特别是藻类将大量繁殖， 使生物量的种群种类数量发生改变，破坏了水体的生态平衡。湖泊学家认为天然 富营养化是水体衰老的一种表现。过量的植物性营养元素氮、磷排入水体会加速 水体的富营养化过程。水中所富含的磷酸盐和某些形式的氮素足以使水体中的藻 类过量生长，在随后的藻类死亡和随之而来的异养微生物代谢活动中，水体中的 溶解氧很可能被耗尽，造成水体质量恶化和水生态环境结构破坏。事实上，现在 氮磷污染所造成的水体富营养化问题已经越来越严重。新颁布实施的污水综合 排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 中对所有排放污水中的氮磷含量都作出了明确的规定， 尤其是把磷酸盐量的排放严格控制在0 5 m g l ( 一级标准) 和1 0 m g l ( z 级标准) 。 1 绪论 进入水体的氮、磷来源主要有以下几个方面【3 】：工业和生活污水未经处理直接进 入水体；污水厂出水；面源性的农业污染物( 农药等) ；城市来源( 含磷洗涤剂等) t 4 , 5 】。 氮和磷是造成水体富营养化的主要元素。氮、磷能促进藻类等浮游生物大量 繁殖，往往使水体呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等，这种现象在江河湖泊中叫 水华( 水花) ，在海中叫赤潮。在发生赤潮的水域里，一些浮游生物暴发性繁殖， 使水变成红色，因此叫“赤潮”。这些藻类有恶臭、有毒，鱼不能食用。藻类遮蔽 阳光，使水底生植物因光合作用受到阻碍而死去，腐败后放出氮、磷等植物的营 养物质，再供藻类利用，造成恶性循环。例如太湖、巢湖、西湖和滇池等，都出 现了富营养化的现象，有些还比较严重。 就水体的富营养化而言，当水体中磷的含量高于o 5 m g l 时，会加速水体的 富营养化；当水体中磷的含量低于0 5 m g l 时，则能控制藻类的生长。当总磷浓 度超过0 1 m g 1 ( 如果磷是限制因素) 或总氮浓度超过0 3 m g 1 ( 如果氮是限制因 素) 时，藻类会过量繁殖。经济合作与发展组织( o e c d ) 提出富营养湖的几项 指标量为：平均总磷浓度大于0 0 3 5 m g 1 ；平均叶绿素浓度大于0 0 0 8 m g 1 ；平均 透明度小于3 m 。过量的氮不仅使得水环境质量恶化，而且还对人体健康以及动、 植物的生存产生严重的危害：供饮用的地面水源和地下水中n 0 3 和n 0 2 的含量 过高，能引起变性血色素症，变性血色素会破坏红血球的载氧能力，引起人体严 重缺氧而导致死亡；饮用水中含量过高，可使得肝癌、食管癌、胃癌的发病率增 高，主要是因为n 0 3 和n 0 2 在自然条件下会转化为亚硝胺，这是一种强致癌、 致变和致畸物质；饮用水中n 0 3 和n 0 2 的含量高对人体心血管系统有害，还会 干扰机体对维生素a 的利用，导致维生素a 缺乏症【6 】。另外，过量的藻类会给 净水厂的过滤带来障碍，由于滤池被堵塞，缩短了冲洗周期，增加水处理费用。 1 2 生物脱氮除磷机理 1 2 1 生物脱氮机理 传统的生物脱氮理论认为，生物脱氮是由氨化、同化、硝化、反硝化作用来 完成3 1 。在污水处理过程中，污水中的一部分氮被同化为微生物细胞的组成部分， 微生物得到增殖 4 1 。有机氮化合物，在氨化菌作用下，分解、转化为氨态氮。在 硝化菌的作用下，氨态氮进一步分解氧化分2 个阶段进行：先在亚硝化菌的作用 2 1 绪论 下，使氨转化为亚硝酸氮，然后亚硝酸氮在硝酸菌的作用下，进一步转化为硝酸 氮。而反硝化反应是硝酸氮和亚硝酸氮在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮的 过程【5 1 。 氨化作用：污水中的有机氮主要以蛋白质和氨基酸的形式存在。其中蛋白质 会被分解为氨基酸，而氨基酸又通过脱氨基作用进入三羧酸循环，代谢后形成氨 氮。脱氨基的方式主要有氧化脱氮、还原脱氨和减饱和脱氨等【1 1 】。在氨化菌的作 用下，有机氮化合物分解、转化为氨态氮，氨化反应速度很快，在一般的生物处 理设备中均能完成。 同化作用：同化作用是n 0 2 - - n 和n 0 3 - n 被还原转化为n n 4 + - n ，用以微生 物细胞的合成。按细胞干重计算，微生物细胞中约含氮1 2 5 【7 j 。 硝化作用：污水中的氨氮会被亚硝酸菌氧化为亚硝酸盐，硝酸菌将亚硝酸盐 进一步氧化成硝酸盐。氨氮氧化成硝酸盐的硝化反应由两组自养型好氧微生物通 过两个过程来完成。第一步由亚硝酸菌( n i t r o s o m o n a s 、n i r t r o s o c c u s 、n i t r o s o s p i r a 等) 将氨氮转化为亚硝酸盐；第二步再由硝酸菌( n i t r o b a c t e r 、n i t r o c o c c u s 等) 将亚硝酸盐氧化成硝酸盐( n 0 3 - ) 。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌。硝化菌属 于专性好氧菌，它们利用无机化合物如c 0 3 二、h c 0 3 、c 0 2 作碳源，从n h 4 + 和 n 0 2 - 的氧化过程中获得能量。硝化作用是一个多酶参与的代谢途径【sj ( 图1 1 ) 。 a m oh a oh a o n o r n i - 1 3 ln h i o h _ 匕= = = ： n o 匕= = 令n 0 f 匕= = = n 0 3 - 图1 1 硝化作用代谢途径 f i g 1 - lm e t a b o l i cp a t h w a yo fn i t r i f i c a t i o n 随着对硝化细菌分子生物学方面的研究的深入【9 10 1 ，代谢过程中一些关键酶 的提取，测序以及表达都取得了突破性的进展 1 1 , 1 2 , 1 3 】。代谢途径的发现和关键酶 基因的克隆都将为硝化细菌提供更多改造手段和措施。对硝化细菌的改造和代谢 途径的调控将为其工业应用提供方便。 反硝化作用：硝酸盐的一部分会被反硝化菌的同化作用( 合成代谢) 还原成 n h 3 - n ，用以新微生物细胞的合成；另一部分会被反硝化菌的异化作用( 分解代 谢) 还原称氨气。反应过程中反硝化细菌在无分子氧的条件下，利用各种有机基 质作为电子供体，以硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体进行缺氧呼吸。 1 绪论 1 2 2 生物除磷机理 废水中磷的存在形态取决于废水的类型，最常见的是磷酸( h e p 0 4 、h p 0 4 3 。 和p 0 4 3 - ) 、聚磷酸盐和有机磷。污水处理过程中利用聚磷菌一类的微生物，能够 过量地从外部环境摄取磷，并将磷以聚合的形态贮藏在菌体内，形成高磷污泥， 排出系统外达到从污水中除磷的效果。有关生物除磷的机理，目前比较一致的看 法是p a o s 独特的代谢活动完成了磷从液态( 污水) 到固态( 污泥) 的转化。现有的细 菌分类系统中没有聚磷菌这类细菌的名称，也没有这类细菌的鉴别方法。所谓的 聚磷菌只是从工程的角度在污水生物除磷研究中对微生物的一种界定，将厌氧 好氧交替运行导致厌氧释磷、好氧超量吸磷的一类异养性细菌称为聚磷菌【l4 1 。 p a o s 在厌氧状态下释放磷，在好氧状态下具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。具体过程为：厌氧段，细菌快速地 同化由化能有机营养的发酵细菌代谢活动生成的短链挥发性脂肪酸( v f a ) ，以主 动运输方式吸收脂肪酸并合成多p 羟基烷酸盐( p o l y p h y d r o x y a l k a n o a t e s ，简称 p h a ) 储存起来，其所需要的三磷酸腺苷( a t p ) 及还原能则通过p a o 细胞内贮存 的聚磷和糖原的降解来提供，与此同时释放出p 0 4 孓，这个过程会导致反应器中 磷酸盐含量增加，这就是p a o s 厌氧放磷现象。p h a 的化学组成取决于碳源，若 以乙酸盐为碳源，则生成多p 羟丁酸盐( p o l y - p h y d r o x y b u t y r a t e ，简称p h b ) ，若 以丙酸盐为碳源，则生成多p 羟戊酸盐。好氧段，积累了大量p h a 的p a o s 进入好氧状态后，以氧气作为氧化p h b 的电子受体，利用降解p h b 来产生能量 并提供还原力尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸( n a d h ) ，并以n a d h + h + 作为电子载 体来排除质子，从而形成质子推动力，质子推动力将体外p 0 4 3 。输送到体内，在 a t p 酶的作用下合成a t p ，将过剩的p 0 4 孓聚合成多聚磷酸盐( p o l y p ) 。p a o s 在 好氧条件下通过电子传递链产生的a t p 超过在厌氧条件下通过分解体内聚磷酸 盐产生的a t p ，所以好氧摄取的磷多于厌氧释放的磷。因此p a o s 具有过量摄取 废水中磷的作用d 5 d 7 】。缺氧吸磷机理与好氧吸磷机理很相似，不同之处在于，缺 氧吸磷是在缺氧状态下，以硝酸根为电子受体。生物除磷技术就是利用聚磷菌这 一功能而开创的【l 引。 4 1 绪论 1 3 生物脱氮除磷影响因素 1 3 1 脱氮影响因素 1 3 1 1 硝化反应的影响因素 ( 1 ) 有机碳源 硝化细菌是自养型细菌，有机物浓度不是它的生长限制因素，但是培养基中 有机物含量不应过高，b o d 5 值应在1 5 2 0 m g l 以下，若b o d 值过高，会使增 殖速度较高的异养型细菌迅速增殖，从而使硝化菌不能成为优势种属。 ( 2 ) 溶解氧浓度 氧是硝化反应的电子受体，因此反应器内溶解氧含量的高低，必将影响硝化 反应的进程，由于活性污泥系统中存在着不可避免的溶解氧扩散限制，因此供氧 状况取决于絮体的大小、基质负荷和温度等因素。试验结果证明，在硝化反应的 曝气池内，溶解氧的含量不得低于1 m g l 。 ( 3 ) 温度和p h 值 硝化反应的适宜温度是2 0 3 0 。c ，1 5 c 以下时，硝化反应速度下降，5 。c 时 完全停止。温度对亚硝化菌和硝化菌反应速率( r n ) 的影响可用式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 表 示。 亚硝化菌 r n y ( t ) = r n y 05 ) a ( - 1 5 ( 1 1 ) 硝化菌 r r , - x ( t ) - 0 7 9 1 a o 0 8 8 f r - 1 5 ( 1 2 ) 式中：r n y ( t ) 、i 淅( 1 5 广分别为温度为t 和1 5 。c 时的亚硝化菌最大比增长速 率；r n x c t 广温度t 时的硝化菌的最大比增长速率；a 一常数；t _ 一温度。 硝化菌对p h 值的变化十分敏感，在硝化反应过程中，由于释放h + 离子，使 p h 值下降，因此为了保持适宜p h 值，应当在废水中保持足够的碱度，以调节 p h 值的变化。 ( 4 ) 污泥龄 硝化菌在反应器内的停留时间，即生物固体平均停留时间或污泥龄( 0 。) n ，必 须大于其最小的世代时间( 0 。) n ，m i n ，否则将使硝化菌从系统中流失殆尽。一般对 ( 0 。) n 的取值应为硝化菌最小世代时间的2 倍以上，即安全系数大于2 。硝化菌的 最小世代时间在适宜温度条件下一般为3 天，因此( 0 。) n 值为6 天。( o 。) n 值与温 1 绪论 度密切相关，温度低时( 0 c ) n 取值应相应提高。 ( 5 ) 有害物质 对硝化反应产生抑制作用的有害物质有重金属，高浓度n 1 4 + 一n 、n o x 一- n 络合阳离子和某些有机物。有害物质对硝化反应的抑制作用主要有两个方面：一 是干扰细胞的新陈代谢，二是破坏细菌最初的氧化能力。 1 3 1 2 反硝化反应的影响因素 ( 1 ) 碳氮比 在b a r d e n p h o 工艺中，充分脱氮的c o d t k n 比值应大于1 0 0 1 1 1 。丹麦的 一些研究显示，b o d 5 t k n 应大于4 - 6 2 5 或c o d t k n 应大于8 3 1 2 5 。德国的 脱氮研究所确定的b o d 5 t k n 的比值应大于2 5 4 。我国的一些研究报道，生活 小区污水夏季脱氮的c o d t k n 应大于6 6 1 1 9 - 2 0 1 。 由于t k n 中有一部分用于细胞合成，且有一部分n 0 3 。n 随出水排出，大 多数研究者认为废水中b o d t n ( 3 5 ) ：1 时，就可以不投加外碳源而达到同时 脱氮的目的。 ( 2 ) 温度 反硝化最适宜的温度在2 0 3 5 之间，低于1 5 反硝化速率会明显下降，温 度对反硝化反应速率常数k 的影响见式( 1 3 ) - k r = k 2 0 0 n o ( 1 3 ) 其中0 为温度系数，其数值在1 0 6 1 1 5 之间。 温度对反硝化速率的影响是因为低温使反硝化细菌的繁殖速度和代谢速度 降低的缘故。有研究表明，温度对反硝化反应速率的影响与反硝化设备的类型( 微 生物悬浮生长型或固着生长型) 、硝酸盐负荷率等因素有关：流化床反硝化对温 度的敏感性明显比生物转盘反硝化和悬浮污泥反硝化小得多；填料床反硝化的反 应速率受温度的影响比悬浮污泥法小。硝酸盐负荷率低时温度对反硝化反应速率 的影响较小，当负荷率提高时，温度的影响就较大。 ( 3 ) 溶解氧浓度 溶解氧的存在阻碍了末端电子传输给硝酸盐所需酶的形成，当溶解氧浓度过 高时，反硝化菌将首先利用溶解氧作为电子受体，从而竞争性地阻碍硝酸盐氮的 还原，影响了硝态氮的去除。虽然氧对反硝化脱氮过程有抑制作用，但氧的存在 6 1 绪论 对能进行反硝化作用的反硝化菌却是有利的，这是因为这类菌是兼性厌氧菌，菌 体内的某些酶系统组分只有在有氧时才能合成。因此需要在工艺上使其在好氧、 缺氧交替的环境进行。在生物膜法反硝化系统中，菌体周围的微环境的氧分压与 大环境的氧分压是不同的，好氧生物膜内层仍处于缺氧状态而进行反硝化。 ( 4 ) p h 值 p h 值是反硝化重要影响因素，反硝化过程最适的p h 值范围为6 5 7 5 ，不 适宜的p h 值会影响反硝化菌的生长速率和反硝化酶的活性。当p h 值低于6 0 或高于8 0 时，反硝化反应都将受到强烈抑制。 1 3 2 除磷影响因素 1 3 2 1 溶解氧浓度的影响 在厌氧条件下，溶解氧直接影响聚磷菌的生长、释磷能力和利用有机基质合 成p h b 的能力。由于d o 的存在，一方面d o 将作为最终电子受体而抑制厌氧 菌的发酵产酸作用，妨碍磷的释放；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的脂肪酸的产生量，造成生物除磷效果变差，所以厌氧区 的d o 必须严格控制在0 2 m g l 以下。而在好氧条件下要供给足够的溶解氧，以 满足聚磷菌对其储存的p h b 进行降解，释放足够的能量供其过量摄取磷，从而 有效地吸收废水中的磷。所以，好氧区的d o 一般控制在2 0 m g l 左右。 1 3 2 2 厌氧区硝态氮的影响 硝态氮包括硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，厌氧区中存在的硝态氮以两种方式影响 生物除磷作用：其一是产酸菌因利用硝酸根或亚硝酸根作为最终电子受体氧化有 机基质，从而抑制产酸菌的厌氧发酵以及产生挥发性脂肪酸的作用；其二是反应 器中的反硝化菌会利用硝态氮进行反硝化作用，消耗掉易生物降解的有机基质， 从而影响其以发酵中间产物作为电子受体进行发酵产酸，进而抑制了聚磷菌的释 磷和放磷能力以及p h b 的合成能力 2 1 - 2 4 】。 1 3 2 3 污泥i 岭( s r t ) 的影响 由于生物除磷系统主要是通过排除剩余污泥去除磷的，所以污泥龄的长短对 污泥的摄磷作用及剩余污泥的排放量有着直接的影响。好氧中泥龄过长，会因有 机质的不足使污泥发生“自溶”现象，一方面因磷的溶解，另