（环境工程专业论文）聚磷菌和聚糖菌富集系统关键影响因素比较研究.pdf

摘要 在聚磷菌( p a 0 s ) 及聚糖菌( g a o s ) 富集的系统中，研究了不同丙酸乙酸 比例、p h 和温度对生物代谢的影响，从而确定有利于p a o s 生长和代谢的环境以 及不利于g a o s 生长和代谢的环境，以提高p a o s 在生物除磷系统中的竞争优势， 保持系统运行的稳定性和高效性。 在5 个s b r 反应器中，分别用丙酸乙酸( c 的m o l 比，下同) 比例为0 1 、 0 5 、1 、2 、1 0 的合成废水长期驯化p a 0 s 富集的污泥以及g a o s 富集的污泥，长 期驯化结果表明： 对于p a o s 富集的污泥，在不同丙酸乙酸比例废水长期驯化后，随着丙酸 乙酸比例增加，可溶性磷酸盐( s o p ) 去除率提高，在丙酸乙酸比例为2 ：1 时， s o p 去除率为8 5 。丙酸和乙酸的降解动力学研究表明，p a o s 利用丙酸的速率比 乙酸快。 对于g a o s 富集的污泥，在不同丙酸乙酸比例废水长期驯化后，g a 0 s 对乙 酸有较快的吸收速率。随着丙酸乙酸比例的降低，其厌氧p h a 的合成量以及好 氧p h a 分解量均随之升高，并且p h b 在p h a 中所占的成分随之增大。厌氧糖 原的分解量以及好氧糖原合成量也随着丙酸乙酸比例的降低而增加。 在5 个s b r 反应器中，厌氧起始p h 值分别控制为6 4 、6 8 、7 2 、7 6 、8 0 ， 由丙酸乙酸比例为1 0 的合成废水长期驯化p a 0 s 富集的污泥以及g a o s 富集的 污泥，长期驯化结果表明： 对于p a o s 富集的污泥，在不同p h 长期驯化后，随着p h 升高，s o p 去除率 提高，s o p 代谢增加，糖原和p h a 代谢减少，糖原p h a 降低，表明增加p h 有助 于抑制g a 0 s 在系统中的生长 对于g a o s 富集的污泥，在不同p h 长期驯化后，乙酸和丙酸的吸收速率均随 着p h 的升高而降低。随着p e 的升高，p h a 和糖原的代谢量均随之升高， ( p h v 印h 2 m v ) 占p h a 的含量随之增多。 以上研究表明，在不同丙酸乙酸比例和p h 长期驯化的p a o s 富集系统中， 丙酸乙酸比例为0 1 1 0 之间时，较合适的丙酸乙酸比例应控制在2 ：1 ，s o p 去除率达到8 5 ；p e 在6 4 8 0 之间时，最佳厌氧起始p h 应控制在8 0 ，s o p 去除率可达1 0 0 9 6 。在不同丙酸乙酸比例和p h 值长期驯化的g a o s 富集系统中， 摘要 高丙酸比例和高p h 对g a 0 s 的生长有抑制作用。 在1 个s b r 反应器中，选择进水丙酸，乙酸比例为1 0 f t ，厌氧起始p h 控制 为8 0 的条件下长期驯化p a o s 富集系统，利用批次实验考察温度突然变化( 分 别控制在l o 、2 0 和3 0 ) 对p a o s 富集系统的影响，结果表明：温度突然 改变条件下，p a o s 富集系统中s c f a 的代谢速率都随着温度升高增加；s o p 去 除率从1 0 的3 1 4 增加到3 0 的9 9 6 同样地，在1 个s b r 反应器中，选 择进水丙酸乙酸比例为1 ：1 0 ，厌氧起始p h 控制为6 4 的条件下长期驯化g a o s 富集系统，利用批次实验考察温度突然变化对g a o s 富集系统的影响，结果表 明：温度突然改变条件下，g a o s 富集系统中s c f a 的代谢速率都随着温度升高 增加。 2 个s b r 反应器，分别记作s b r l 和s b r 2 。在分别适合p a o s 和g a o s 生 长的条件下，即p a o s 厌氧起始p h 为8 0 ，进水丙酸乙酸比例为1 0 ：1 ，进水磷 浓度为2 0m g - l - 1 的条件下；以及g a o s 厌氧起始p h 为6 4 ，进水丙酸乙酸比例 为1 ：1 0 ，进水磷浓度为1 5m g l 1 的条件下，研究长期驯化s b r 中聚磷和聚糖 微生物混合系统的代谢特征，实验结果表明：s b r i 在2 0 天内已逐渐驯化成为 一个具有良好除磷效果的p a o s 富集系统，而s b r 2 已逐渐驯化成为几乎不具有 除磷效果的g a o s 富集系统。 关键词：聚磷菌，聚糖菌，丙酸，乙酸，p h ，温度 a b s t r a c t i nt h es y s t e m se n r i c h e dw i mp 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 ( p a o s ) a n dt h e s y s t e m se n r i c h e d 谢t hg i y c o g e na c c u m u l a t i n go r g a s m ( g a o s ) ，t h ee f f e c t so f d i f f e r e n tr a t i o so fp r o p i o n i ct oa c e t i ca c i d ，p ha n dt e m p e r a t u r eo np a o sa n dg a o s m e t a b o l i s mw e r ei n v e s t i g a t e d c o n t r o ls t r a t e g i e si nf a v o ro fp a o sg r o w t ha n d m e t a b o l i s mw e r ep r o p o s e d a tt h es a m et i m e ，c o n t r o ls t r a t e g i e st h a tw e r en o ti nf a v o r o fg a o sg r o w t ha n dm e t a b o l i s mw e r ea l s op m p o s e d i ta i m st op r o v i d er e g u l a t i n g p o s s i b i l i t yf o rp a o s c o m p e t i t i o no v e rg a o s ，a n dt oe r e n t eg r e a t e rs t a b i l i t yo f b i o l o g i c a lp h o s p h o m sr e m o v a l f i v el a b s c a l ea n a e r o b i c - a e r o b i cs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r s ( s b r s ) w e r eo p e r a t e d w i t ha c t i v a t e d s l u d g ee n r i c h e d w i mp a o s ( o ro a o s ) l o n g - t e r mc u l t i v a t e d r e s p e c t i v e l yw i t ha l la v e r a g ep r o p i o n i ct oa c e t i ca c i dc a l * b o nm o l a rr a t i o n so f 0 1 ，0 5 ， 1 ，2 ，1 0 t h er e s u l t sw i t hs l u d g ea c c l i m a t i o ns h o w e dt h a t ： i nt h es y s t e m se n r i c h e dw i t hp a o s ，b i o m a s sc u l t u r e dw i t hh i g h e rr a t i oo f p r o p i o n i c t oa c e t i ca c i dh a dh i g h e re f f i c i e n c yo f b 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 a nw i t hl o w e r o n ei nl o n g - t e r mc u l t u r ee x p e r i m e n t s s o l u b l eo r t h o - p h o s p h a t e ( s o p ) r e m o v a l e f f i c i e n c yp r o m o t e dw i t l li n c r e a s i n gr a t i oo f p r o p i o n i ct oa c e t i ca c i d c o n s i d e r i n gt h e p r o p i o n i ca c i dc o s t , t h eo p t i m a lr a t i oo f p r o p i o n i ct oa c e t i cs h o u l db ec o n t r o l l e da t2 ：1 ， a n dt h es o pr e m o v a lw a s8 5 t h eu p t a k er a t eo f p r o p i o n i ea c i dw a sf a s t e rt h a nt h a t o f a c e t i ca c i d i nt h es y s t e m se n r i c h e dw i t l lg a o s t h eu p t a k er a t eo fp r o p i o n i ea c i dw a sl o w e r t h a nt h a to fa c e t i ca c i d t h eq u a n t i t yo fp h as y n t h e s i z e di na n a e r o b i cp h a s ea n d m e t a b o l i z e di na e r o b i cp h a s ei n c r e a s e dw i t hd e c r e a s i n gr a t i oo fw o # o m ct oa c e t i c a c i d s od i dt h eq u a n t i t yo fg i y c o g e nm e t a b o l i z e di na n a e r o b i cp h a s ea n ds y n t h e s i z e d i na e r o b i cp h a s e a l s o f i v es b r sw e r eo p e r a t e dw i t ha c t i v a t e ds l u d g ee n r i c h e dw i t hp a o s ( o r g a o s ) l o n g - t e r mc u l t i v a t e du n d e rt h ec o n d i t i o no fa na v e r a g e 卿砌ct oa c e t i c a c i dc a l l o o nm o l a rr a t i o no f1 0a n da n a e r o b i ci n i t i a lp h6 4 ，6 8 ，7 27 68 0 t h e r e s u l t sw i t l ls l u d g ea c c l i m a t i o ns h o w e dt h a t ： i nt h es y s t e m se n r i c h e dw i t hp a o s s o pr e m o v a le f f i c i e n c yi n c r e a s e dw i t h h i i n c r e a s i n gp h f u r t h e ra n a l y s i so fm e t a b o l i s ms t o i c h i o m e t r yo fs l u d g es h o w e dt h a t t h e 仃a n s f o r m a t i o no fs o pi n c r e a s e da n dt h a tt h et r a n s f o r m a t i o n so fg l y c o g e n , p h a a n dg l y c o g e n p h ad e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gp hf r o m6 4 8 0 ，w h i c hs u g g e s t e dt h a t i n c r e a s i n gp h r e s u l t e di ns u p p r e s s i n gg a o si nt h es y s t e m i nt h es y s t e m se n r i c h e dw i l hg a o s t h eu p t a k er a t eo fp r o p i o n i ca n da g e t i c a c i dd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gp h f u r t h e ra n a l y s i so fm e t a b o l i s ms t o i c h i o m e t r yo f s l u d g es h o w e dt h a tt h et r a n s f o r m a t i o n so f g l y c o g e n , p h aa n d ( p h v + p h 2 m v ) p h a i n c r e a s e dw i mi n c r e a s i n gp hf r o m6 4 - 8 o t b er e s u l t si n d i c a t et h a tc o n t r o ls t r a t e g i e st op r o m o t ep h o s p h o r o u sr e m o v a l e f f i c i e n c ya n ds t a b i l i z et h ep r o c e s ss h o u l di n c r e a s et h et o o l - cr a t i oo fp r o p i o n i ct o a c e t i ca c i di nt h er a n g eo f 0 1 - 1 0a n di n c r e a s ep hb c t w c c n6 4a n d8 0 t h eo p t i m a l p r o p i o n i ct oa c e t i cr a t i ow a s2 ：1 ( m o l - c m o l c 1a n dt h eo p t i m a lp hs h o u l db e c o n t r o l l e da t8 0 u n d e rt h ec o n d i t i o n s , s o pe f f i c i e n t yr e a c h e d8 5 a n d1 0 0 r e s p c e f i v d y a n dt h er e s u l t sa l s om a k ed e a rt h a tt h eh i 曲m o l - cr a t i oo f p r o # o m c t o a c e t i ca c i da n d l l i g hp hc o u l ds u p p r e s sg a o s o n es b rw a so p e r a t e dw i t l la c t i v a t e ds l u d g ee n r i c h e dw i t hp a o sl o n g - t e r m c u l t i v a t e du n d e rt h ec o n d i t i o no fa na v e r a g ep r o p i o n i ct oa c e t i ca c i dc a r b o nm o l a r r a t i o no f1 0a n da n a e r o b i ci n i t i a lp h8 0 a n a e r o b i c a e r o b i cb a t c he x p e r i m e n t sw e r e c o n d u c t e dw i t hd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ( 1 0 2 0 a n d3 0 c ) rw a sf o u n dt h a tt h e u p t a k er a t eo fs c f ai n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e s o pr e m o v a le f f i c i e n c y p r o m o t e df r o m - 3 1 4 t 09 9 6 w i t ht h et e m p e r a t u r ei n c r e a s i n gf r o m1 0 ct 03 0 c a l s oo n es b rw a so p e r a t e dw i t ha c t i v a t e ds l u d g ee n r i c h e dw i t l lg a o sl o n g - t e r m c u l t i v a t e du n d e rt h ec o n d i t i o no fa na v e r a g ep r o p i o n i ct oa c e t i ca c i dc a r b o nm o l a r r a t i o no f 0 1a n da n a e r o b i ci n i t i a lp h6 4 a n a e r o b i c a e r o b i cb a t c he x p e r i m e n t sw e r e c o n d u c t e dw i t hd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ( 1 0 ，2 0 a n d3 0 ) i tw a sf o u n dt h a tt h e u p t a k er a t eo f s c f ai n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e t w os b r s ( t a g g e dw i t hs b r la n ds b r 2s e p a r a t e l y ) w e r eo p e r a t e dw i t ha c t i v a t e d s l u d g ee n r i c h e dw i t hb o t hp a o sa n dg a o s s b r lw a sl o n g - t e r mc u l t i v a t e du n d e rt h e c o n d i t i o no fa na v e r a g ep r o p i o n i et oa c e t i ca c i dc a l - b o l lm o l a rr a t i o no f1 0 , a n a e r o b i c i n i t i a lp h8 0a n di n f l u c n tp h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o no f2 0r a g - l 1 ；s b r 2w a s l o n g - t e r mc u l t i v a t e du n d e rt h ec o n d i t i o no fa na v e r a g ep r o p i o n i et oa c e t i ca c i dc a l b o n m o l a rr a t i o no f 0 1 a n a e r o b i ci n i t i a lp h6 4a n di n f l u e n tp h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o no f i v 1 5m g - l 1 t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts b r lb e c a m eas y s t e me n r i c h e dw i t hp a o so f 1 l i g hp h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c ya n dt h a ts b r 2b e c a m eo n ee n r i c h e d 谢l l lg a o s o f l o wp h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c ya f t e r2 0 d a y sc u l t i v a t e dp h a s e k e yw o r d s ：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 , g 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 , p r o p i o n i ca c i d , a c e t i ca c i d ，p h ，t e m p e r a t u r e v 审请同舞大学工学硕士学位论文 聚磷菌和聚糖菌富集系统关键影 响因素比较研究 ( 国家自然科举基盎项掰编号：5 0 4 0 8 0 3 9 ) ( 国家8 6 3 灏盒项目编母：2 0 0 4 a a 6 4 9 3 3 0 ) 培养单位：环蟪科学与工程学院 一级学科：环境工程 二级学科：环境工程 爵巍垒：帮弦 指导教师：杨殿海教授 裁措羚教舞：溱壤广教授 二o o 七年三月 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：嘶锄 川年；月即日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：厮勿 i 。 卅年弓月矽e l 第1 章引言 1 1 概述 第1 章引言 2 0 0 5 年中国环境状况公报报邋1 1 ，国家环境监测网重点监测的2 8 个湖( 库) 中，满足i i 类水质的湖( 库) 2 个，占7 ；类水质的湖( 库) 6 个，占2 1 ； 水质的湖( 库) 3 个，占1 1 ；v 类水质的湖( 库) 5 个，占1 8 ；劣v 类水 质湖( 库) 1 2 个，占4 3 其中，太湖、滇池和巢湖水质均为劣v 类，主要污 染指标为总氮和总磷。太湖的湖体营养状态指数为6 2 ，处于中度富营养状态； 滇池草海处于重度富营养状态，外海处于中度富营养状态；巢湖处于中度富营 养状态( 其中，西半湖处于中度富营养状态，东半湖处于轻度富营养状态) 。2 0 0 5 年，全海域共发现赤潮8 2 次，累计发生面积约2 7 0 7 0 平方公里，大面积赤潮集 中在浙江中部海域、长江口外海域、渤海湾和海州湾等。如何防治水体富营养 化和对富营养化的水体进行修复已经成为水环境保护研究的重点。 水体富营养化的危害表现在多方面【2 】：( 1 ) 使水体有机质增加，病原菌孽生， 并产生有害的藻毒素，危及饮用水的安全；( 2 ) 使水体生态平衡遭到破坏，使 水生生物的多样化趋于单一，生物链断裂，最终加速水体沼泽化、陆地化的进 程；( 3 ) 因为藻类释放的毒素和溶解氧的缺乏导致鱼类种类和数量的减少，导 致水体的经济价值大大下降；( 4 ) 水体中蓝藻、绿藻的大量繁殖，致使水体色 度增加，能见度降低，并散发出恶臭味，污染居住环境，丧失了美学价值。 氮和磷是引起水体富营养化的关键因子，但是藻类等水生生物对磷更敏感 【3 1 。根据对全美4 9 个湖泊富营养化限制因子进行调查的结果，磷为控制因子的 占了6 7 ，氮为控制因子的占了3 0 4 1 。o e c o 研究的结果也表明，8 0 0 , 6 的湖泊 富营养化是受磷元素的制约，大约1 0 的湖泊与氮元素有关，余下1 0 0 , 6 的湖泊 与其它因素有判习。 磷是生物圈内的重要元素之一，不仅是生物细胞的重要组成部分，而且在 遗传物质的组成和能量的储存中都需要它污水中磷的存在形态最常见的有聚 磷酸盐、正磷酸盐和有机磷，其中正磷酸盐和聚磷酸盐占了绝大多数。聚合磷 酸盐或有机磷在水溶液中经过水解或生物降解，最后都会转化为正磷酸盐正 第1 章引言 磷酸盐在污水中呈溶解状态，在接近中性的p h 值条件下，主要以用，暖一的形式 存在。磷可以在有机磷和无机磷、可溶性磷和不可溶性磷之间转换，但价态不 会发生变化。 水体的磷主要来源于生活污水、工业废水、地表径流以及人体的排泄物。 生活污水中的磷主要来源于大量合成洗涤剂的使用。家用洗涤剂起洗涤作用的 是聚磷酸盐成分，大多家用洗涤剂的含磷量在1 0 左右，有的甚至超过了5 0 。 农业上农药和化肥的不合理使用，使得地表残留大量含磷的农药以及化肥，在 降雨、降雪时通过地表径流流入水体。同样，人类的排泄物也是无机磷的一个 主要来源。因此，除了限制洗涤剂的使用以外，废水在排放前要经过处理，达 到国家规定的排放标准，是控制水体富营养化的一项基本策略。我国的城镇 污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 规定，磷酸盐( 以p 计) 的一级 排放标准a 标准为o 5n a g l _ 1 、b 标准为1 0m g - u 1 ，二级排放标准为3 0n a g l - 1 。 1 2 增强生物除磷的基本原理 废水除磷的方法有化学沉淀法、微生物法、水生物法、物理吸附法、膜处 理法和土壤处理法等。其中处理效果比较好的、应用比较广泛的有化学沉淀法 和微生物除磷法。 化学沉淀法是指通过向污水中投加铝盐、亚铁盐或生石灰等化学药剂，与 水中的含磷化合物反应，使污水中的磷最终以沉淀的形式除去。化学沉淀法的 处理效果比较高，可达7 5 - 8 5 t 6 1 ，出水的总磷一般可以满足1 0n a g l 1 的排放 要求，而且运行稳定可靠。但是在化学除磷法中，药剂的投加会引入新的化合 物，产生大量化学污泥，容易造成二次污染，而且药剂费用昂贵，运行费用高。 传统的生物处理工艺有生物膜法、生物稳定塘和土地处理。由于细菌细胞 内含有约2 的磷( 以质量计) ，所以生物膜法只能去除生活污水中的磷约 2 0 - 3 0 。生物稳定塘除了微生物外，还可利用藻类等水生植物去除磷，通常， 其去除率约为1 0 o 1 5 。虽然通过一定的方法可以提高除磷率，但是生物稳定 塘受光照和温度的影响较大，一般占地面积也大。土地处理主要通过土壤的物 化吸附、沉积作用和生物吸收作用来完成的。但是由于该方法占地面积大，许 多大城市没有条件采用。 活性污泥除磷系统自2 0 世纪8 0 年代以来被应用于世界各国的许多污水处 2 第1 章引言 理厂其原理是通过一类微生物在厌氧和好氧条件下的交替循环中形成“过量” 的释磷和吸磷。最终通过在好氧段形成“超量”的胞内聚合磷酸盐，以剩余污 泥的形式排出系统，相对于普通生物除磷工艺其除磷量可高达3 可倍 7 1 ，污泥含 磷率可达1 0 以上通常人们将此工艺称为增强型生物除磷( e b p r ) ，并将这 类能够超量吸磷的微生物通称为聚磷菌( p a o s ) e b p r 的关键技术是使活性污泥在厌氧好氧之间交替循环，其处理过程的 主要步骤见图1 1 厌氧反应器 好氧反应器 沉淀池 图1 1e b p r 过程的主要组成部分 ( 1 ) 进水与回流污泥混合后，首先进入厌氧反应器。在厌氧条件下( 无d ，、 ：簖等最终电子受体) ，对不具有以水解胞内聚磷作为能量来源的好氧菌和脱氮 菌，由于不能提供三磷酸腺苷( a t p ) 作为生命代谢的能量，故在此状态下无法 较好成活，而p a o s 因为能分解胞内贮成的聚合物( 主要是聚磷，还有部分糖原) 作为能量来源，摄取适宜的有机底物，并以聚口羟基烷酸酯( p h a ) 等有机颗 粒的形式储存于胞内，从而获得相对竞争优势由于胞内过多的磷酸盐不能全 部用于进行生物体合成，部分磷酸盐将被相应的载体蛋白通过主动运输的方式 排放到胞外，使主体混合液中的磷酸盐浓度升高，与此同时，金属阳离子也被 协同运输到胞外 ( 2 ) 随后混合液进入好氧反应器p a o s 以游离氧为电子受体，氧化胞内 贮存的p h a ，并利用该反应产生的能量，从污水中过量摄取磷酸盐，合成高能 物质a t p ，恢复胞内的糖原浓度和进行微生物的自身生长其中一部分磷酸盐 又转化为聚磷，作为能量贮于胞内。 ( 3 ) 在沉淀池，混合液进行泥水分离，部分沉淀污泥回流，与进入厌氧区 3 第1 章引言 的进水混合。此过程可保证所有的微生物都能交替经过好氧和厌氧条件。 ( 4 ) 剩余污泥排放。最终通过排放含有高浓度磷的污泥而获得较高的磷去 除率。 一些研究报道认为成功运行一套e b p r 工艺必须具备以下几个运行条件 s - l o ：( 1 ) 厌氧区需有易于降解的有机碳源；( 2 ) 必须限制进入厌氧区的硝酸盐 浓度；( 3 ) 厌氧区必须维持严格的厌氧环境；( 4 ) 活性污泥需在好氧厌氧状态 交替循环。 人们在深入研究e b p r 机理的同时，还设计了多种除磷工艺，比较成功的 除磷工艺有p h o s l r i p 、s b r 、u c t 、b a r d e n p h o 、u n i t a n k 等。对此国内也开展 了一些关于城市污水脱氮除磷方面的机理及工艺研究 1 1 , 1 2 1 。例如，针对上海城市 污水的特点，研究者比较了各种污水生物脱氮除磷工艺的效率和经济性能，并 先后提出；时间顺序a 2 0 脱氮除磷工艺、倒置a 2 0 脱氮除磷工艺、低回流低氧 a 2 0 脱氮除磷工艺等。由于脱氮一般通过生物处理的方法实现，因此目前大多 污水处理工艺都是优先考虑脱氮，在此基础上达到除磷的目的。 e b p r 可以避免化学污泥的产生，减少活性污泥的膨胀现象，并且运行费用 低，经济上可行。因此e b p r 已经成为国内外除磷的一个主要研究方向，但是 该方法运行不够稳定，受进水水质的影响较大。 1 3 增强生物除磷的研究进展 2 0 世纪8 0 年代以来，国外针对e b p r 机理的研究越来越深入。大多数以乙 酸为碳源对微生物的代谢途径，对代谢过程的动力学和计量学进行研究 1 3 - 1 7 也有学者探讨碳源、p h 等因素对生物除磷的影响 1 6 , 1 8 , 1 9 1 。生物除磷系统中的微 生物分类学也是近年来的研究热点之一郾】。 相比而言，国内在生物除磷机理方面的研究刚刚起步，多数相关报道集中 在除磷效果的影响因素，包括溶解氧、氧化还原电位、硝酸盐、泥龄、进水营 养比、温度、及酸碱度的影响与控制等方面。例如，张可方等人【2 l 】采用s b r 工 艺对广州的城市污水进行了生物脱氮除磷试验，结果表明，总停留时间控制在 4 5 5 5 h 、污泥负荷为o 1 4 加2 6 k g b o d s ( k g m l s s d ) - 1 时，出水总磷( t p ) 浓度 为o 1 , - - 0 4 5 m g l 1 ，去除率达8 5 * , , - , 9 9 。江田民等人阱l 研究了污水成分变化对 生物除磷效果的影响，得出较适宜的碳源为乙酸钠和蔗糖，并且有机基质在一 4 第1 章引言 定范围内对生物除磷有促进作用，适宜的c o d 负荷是5 0 0 r a g l 1 张学洪等人【2 3 】 根据桂林市排水公司第四污水净化厂的实际运行情况，分析了溶解氧、d ：和 污泥龄对a 2 o 工艺除磷效果的影响。另外，国内也有一些学者对生物除磷的机 理作了初步研究，如刘延华等人【2 4 】分别以葡萄糖和醋酸为主要进水有机物，探 讨了生物除磷工艺中活性污泥的糖类物质含量变化与摄磷能力的关系，发现将 活性污泥的糖类物质含量控制在较低水平是实现高效生物除磷的一个重要条 件。 综上可见，国内外对生物除磷的机理研究主要集中在代谢途径、动力学和 化学计量学、微生物分类、影响因素，如p h 、溶解氧、温度、有机酸类型和有 机酸浓度等 1 4 聚糖菌与聚磷菌的竞争 有关研究表明，在e b p r 系统中，即使在有机碳源充足以及其它外部条件 均满足生物除磷要求( 如厌氧区无溶解氧、硝态氮、搅拌不剧烈) 的条件下， 系统的除磷效率仍然不是很高【2 孓2 ”。c e c h 等人曾以葡萄糖和乙酸为基质，采用 s b r 处理工艺，观察到即使有机物被吸收也未发现磷的释放现象，同时对系统 中的微生物进行研究，发现存在着大量的革兰氏阳性和革兰氏阴性球状菌，并 通常成四分体排列，且该类微生物大量贮存糖原，但不过量贮存磷。c e e h 等人 有鉴于该类微生物在e b p r 系统的生长过程中聚集糖原的生长特性，而将之取 名为聚糖菌( g a o s ) 【2 5 , 2 6 1 。p a o s 与g a o s 对有机基质的吸收竞争结果，是e b p r 能否正常运行的关键之一 1 4 1p a o s 与g a o s 的胞内聚合物 p a o s 的厌氧释磷、好氧超量吸磷和g a o s 的聚集糖原等反应过程主要发生在 细胞内。因此在对p a o s 和g a o s 的代谢机理进行探讨之前，有必要了解它们的胞 内贮存物的性质和功能。 1 4 1 1p a o s 的胞内聚合物 ( 1 ) 聚磷 聚磷是由许多无机磷酸盐残基通过高能磷酐键联结的多阴离子聚合物，其 5 第l 章引言 。一莹_ 。 一莹_ 。l _ 莹_ 。 生物除磷系统中的聚磷通常是通过染色试验( 亚甲基蓝或甲苯胺蓝) 来检 测。聚磷在生物中的组成和胞内位置还没有定论，部分研究者3 2 1 认为聚磷位 于细胞质，也有研究者认为聚磷与细胞膜相连，或是由蛋白质、d n a 和m 蛆合 成f 2 射。 对于一般微生物而言，聚磷在细胞中的主要作用为：( 1 ) a t p 的来源。通过 聚磷酶：a m p 磷转移酶和腺苷酸激酶的作用，聚磷在磷酸化和无机磷的贮存过 程中作为磷酸盐供体提供a t p ；( 2 ) 贮存m g “。当m 9 2 + 成为限定条件时，聚磷 提供细胞m g “；( 3 ) 维持重金属( 如镉) 的容许量，通过金属磷酸盐转移系统 排泄重金属；( 4 ) 提供部分细菌合成细胞所需的营养和平衡渗透压 聚磷在p a o s 中是否也起上述作用还不清楚，但目前普遍认为，p a o s 中的聚 磷主要为磷贮存器和能量贮存器。有研究表明，p a o s 中存在低分子和高分子的 聚磷，低分子的聚磷在厌氧条件下起能量贮存器的作用，高分子的聚磷作为磷 贮存器用于细胞生长【3 3 】。聚磷作为磷贮存器时，通过结合胞外聚磷酸酶转化为 只，用于微生物新陈代谢。聚磷作为能量贮存器的作用表现为替代a t p 或产生 a t p ，即当细胞内聚磷水平远远高于a t p 水平时( 即a t p a d p 比值低) ，聚磷能 水解生成a t p 。目前认为该过程可能有三种机理【2 司： ( 1 ) 是聚磷激酶的直接催化； ( 2 ) 是通过舢v m 磷转移酶和腺苷酸激酶反应生成a d p ，从而生成a t p ： ( 只- a m 口一( 只h l + a d p ； ( 3 ) 是聚磷释放的磷与金属离子螯合，并与一个质子结合后被输出胞外， 产生质子推动力( p m f ) ，从而产生舢限。 ( 2 ) p h a 6 第1 章引言 p h a 存在于细胞质中，是被膜包围的o 2 o 5 t t m 的微粒。由于其低水溶性和 高分子质量，是理想的碳一能量贮存物质厌氧条件下，有机酸( 主要是短链 脂肪酸，s c f a ) 被p a o s 吸收贮存为p h a 。p a o s 中贮存的p h a 是典型的多聚物， 包含大多数p h b 和p h v 以及少量p h 2 m b 和p h 2 m v ( 见表1 1 ) ，其组成取决于碳 源的性质和浓度：碳源为乙酸时，主要生成p h b ；当碳源为丙酸时，主要生成 p h v 和p h 2 m v 在乙酰辅酶a 存在的条件下，p h a 合成不需要a t p 的直接参与，但是需要还 原态的氢载1 日k n a d h 。在厌氧条件下，由于不存在最终电子受体，n a d h 的氧化 受到抑制，p h a 的合成发生。当胞内n a d + 和辅酶高，同时乙酰辅酶a 低时，p h a 降解 表1 1p a o s 中p h a 组份形式 ( 3 ) 糖原 糖原( g l y c o g e n ，简称g l y ) 是由多个葡萄糖组成的带分枝的大分子多糖， 是胞内糖的贮存形式。分子中葡萄糖主要以p l ，4 _ 糖苷键相连形成直链，部分以 a - 1 ，“睹苷键相连构成支链【蚓。目前普遍认为p a o s 中糖原的主要作用是为p h a 的合成提供n a d h 。s a t o h 掣3 5 1 在研究中发现p h a 中p h v 组份的形成需要乙酰辅 酶和丙酰辅酶，即微生物胞内存在产生丙酰辅酶的代谢途径，并假定在糖原代 谢过程中产生的丙酮酸通过琥珀酸一丙酸途径生成了丙酰辅酶，如图1 3 所示： 7 第1 章引言 图1 3p a o s 胞内糖原代谢途径 s a t o h 等人【3 5 】的试验结果表明，当p a o s 厌氧吸收基质时，产生的p h a 含大 量p h v ，p h a 中的p h v 由一分子乙酰辅酶a 和一分子丙酰辅酶a 组成，因此， 除产生乙酰辅酶a 外，还应该有产生丙酰辅酶a 的机理。s a t o h 等人【耶】和l i u 等人【3 6 1 认为部分丙酮酸转化到丙酰辅酶a ，厌氧细菌有两种途径实现这种转化： 琥珀酸一丙酸途径和丙烯酸途径【3 7 1 。因为琥珀酸一丙酸途径中的化合物可能更容 易被p a o s 代谢，推测其为主要途径【弼捌，此过程消耗还原力。考虑通过糖降解 提供还原力并产生乙酰辅酶a 和通过琥珀酸一丙酸途径产生丙酰辅酶a 并消耗还 原力，可得出厌氧p a o s 吸收不同碳源的生化模型( 图1 3 ) 。根据模型，p a o s 细胞中的糖原将起到调节氧化还原平衡的作用，糖原转化为乙酰辅酶a 和c 0 2 生成n a d h ，而通过琥珀酸一丙酸途径转化为丙酰辅酶消耗n a d h 在实际生物 除磷过程中，p a o s 在厌氧段吸收各种不同氧化或还原态的有机基质，而不破坏 细胞内氧化还原平衡。因此，糖原维持微生物细胞氧化还原平衡对p a o s 的生长 起重要作用。 1 4 1 2g a o s 的胞内聚合物 ( 1 ) p h a 目前的研究表明，同p a o s 一样，在g a o s 中也含有p h b 、p h v 、p h 2 m v 以及p i - 1 2 m b 。早期，s a t o h 等人曾发现，在富集g a o s 的系统中，当以乙酸为 基质时，其p h a 的成分主要以p h b 和p h v 为主；而在以丙酸为碳源时，其p h a 8 第1 章引言 的成分主要以p h v 和p h 2 m v 为主【蜘随后l i u 等人更广泛地研究了在厌氧一 好氧活性污泥系统中，用乙酸为主要基质所驯化的g a o s 在短期内对不同基质 的生理代谢情况，从中发现了因不同基质而导致p h a 的成分结构有较大差异性 ( 见表1 2 ) ，并且厌氧p h a 的合成量随着有机酸碳链的增长而减少，在以乙酸、 丙酸以及戊酸等有机酸为基质时均能检测到四种单体结构成分【4 l l 。f i l i p e 等人曾 建立了在厌氧条件下g a o s 吸收乙酸的化学计量方程，按照该理论方程计算， 在p h 等于7 时，p h a 中各成分的比例分别为：p h b 为7 8 3 ，p h v 为2 0 4 ， p h 2 m v 为1 2 7 4 2 1 o e h m e n 等人所建立的g a o