（环境科学与工程专业论文）甲醇和乙醇在sbr单级好氧生物除磷中的试验研究.pdf

硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s s i n g l e s t a g eo x i cs b rp h o s p h o r u s r e m o v a lp r o c e s sg o t g r e a td e v e l o p m e n tb e c a u s eo f i t ss i m p l e p r o c e s s s t a b l ew a t e ro u t a n dl o w c o s t c a r b o ns o u r c ei so n eo ft h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c t e dt h eb i o l o g i c a l p h o s p h o r u s r e m o v a ls y s t e m s oi t i sa ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i ct ol o o kf o r l o wc o s ta n dg o o dp h o s p h o r u sr e m o v a le x t e r n a lc a r b o ns o u r c e w es t u d i e dt h ee f f e c t o fp h o s p h o r u sr e m o v a li n s i n g l e s t a g e o x i cs b r s y s t e mu s i n gm e t h a n o la n de t h a n o la sc a r b o ns o u r c er e s p e c t i v e l yb e c a u s eb o t h t w oc a r b o ns o u r c ea r ec h e a pa n dc o m m o ni ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n f i r s t w e c a r r i e do u tm e t h a n o l f o rs b r l 舟 a n de t h a n o l f o rs b r 2 撑 a st h es o l ec a r b o n s o u r c e a n di n v e s t i g a t e dt h ee f f e c t so ft h e mo nt h ee f f i c i e n c i e so fb i o l o g i c a l p h o s p h o r u sr e m o v a li nt h es i n g l e s t a g eo x i cp r o c e s s r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ea v e r a g ep h o s p h o r u sr e m o v a lc o n t e n t sa n di t se f f i c i e n c i e s r e s p e c t i v e l yr e a c h e da t6 5 6m g l 5 2 6 3 i ns b r l 撑a n d11 2 2m g l 9 0 3 4 i n s b r 2 挣d u r i n gt h es t e a d y s t a t eo p e r a t i o n w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f p h o s p h o r u si n t h ew a t e rw a sa b o u t13 m g l f o rat y p i c a ls b rc y c l e w i t h i n a e r o b i c p e r i o d t h ep h o s p h a t eu p t a k e r a t e sc o u l dr e a c h1 6 2a n d5 3 1 m g p 0 4 3 p g v s s h i ns b r l 群a n ds b r 2 舞 r e s p e c t i v e l y i na d d i t i o n t h e e f f l u e n tp h o s p h a t ec o n c e n t r a t i o ni ns b r 2 撑w a sb e l o wt h ed e t e c t i o nl i m i t a n d t h ei n t e r n a ls t o r a g ec o m p o u n d sw e r eh i g h e ri ns b r 2 群t h a nt h a ti ns b r i d u r i n gac y c l e t h er e s u l t ss u g g e s t e de t h a n o la sac a r b o ns o u r c es e e m e dt ob e b e t t e rf o rb i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a li 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 l s y s t e m d u r i n gt h ei d l ep e r i o d m o r ep h o s p h o r u sw a sf o u n dt ob er e l e a s e di n s b r 2 t h a nt h a ti ns b r i a sm o r ep o l y pw a sd e g r a d e d d u et ot h eh i g h e r a c t i v i t yo fp a o si ns b r 2 i nc o n s i d e r a t i o no ft h e g o o dp e r f o r m a n c e o fe t h a n o l s p h o s p h o r u s r e m o v a le f f e c ti ns i n g l e s t a g eo x i cs b r t h u sf u r t h e r w ei n v e s t i g a t e dt h e p h o s p h o r u sr e m o v a le f f e c tb o t hi na op r o c e s s f o rs b r 3 a n ds i n g l e s t a g e o x i cs b r f o rs b r 4 静 a tt h es a m et i m e w eo p e r a t e db o t hs b r 3 舞 a o p r o c e s s a n ds b r 4 舟 s i n g l e s t a g eo x i cs b r u s i n ge t h a n o la sc a r b o ns o u r c e d u r i n gt h e5 0 d ss t e a d y s t a t eo p e r a t i o n e t h a n o la sc a r b o ns o u r c e t h ea v e r a g e p h o s p h o r u s r e m o v a lc o n t e n t sa n di t se f f i c i e n c i e s r e s p e c t i v e l yr e a c h e da t 1 0 4 7 m g l 8 0 3 6 i ns b r 3 撑a n d1 1 2 1m g l 8 9 4 1 i ns b r 4 眷 f o ra t y p i c a lc y c l e t h ep h o s p h a t eu p t a k ec o n t e n tr e a c h e d1 5 6 2m g ga n d1 6 9 3m g g m r e s p e c t i v e l yi ns b r 3 a n ds b r 4 a n dt h ec o n t e n to fp h o s p h o r u sr e l e a s ew e r e r e s p e c t i v e l y9 6 3 m g g a n d 7 6 6 m g g a n dt h e p h o s p h a t eu p t a k e c o n t e n t r e s p e c t i v e l yr e a c h e d1 5 6 2 m g ga n d1 6 9 3 m g gi ns b r 3 静 f o ra op r o c e s s a n ds b r 4 f o rs i n g l e s t a g eo x i cs b r a l s ot h ei n t e r n a lm a t e r i a l s t o r a g e p h aa n dg l y c o g e n c a p a c i t yw e r er e s p e c t i v e l y3 2 9 m m o l g 和5 2 9 m m o l gi n s b r 3 舞 f o ra op r o c e s s a n ds b r 4 f o rs i n g l e s t a g eo x i cs b r t h er e a s o n w h yt h ei n t e r n a lm a t e r i a ls t o r a g ei sm o r ei na op r o c e s sa n di t sp h o s p h o r u s r e m o v a le f f e c ti sab i tp o o ri st h a tt h ee n e r g yo fi t si n t e r n a lm a t e r i a ls t o r a g e n o to n l yf o rpu p t a k eb u ta l s of o rg l y c o g e ns y n t h e s i sa n dl a r g ep h o s p h o r u s r e l e a s e i nc o m p a r i s o n t h ei n t e r n a lm a t e r i a ls t o r a g ei sm a i n l yu s e di npu p t a k e i ns i n g l e s t a g eo x i cs b r p r o c e s s w ec o n c l u d e dt h a tt h ep h o s p h o r u sr e m o v a le f f e c to fe t h a n o li sb e t t e rt h a n m e t h a n o li n s i n g l e s t a g eo x i cs b rp r o c e s s a c c o r d i n gt o t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s f u r t h e r s t u d ys h o w st h a tb o t hs i n g l e s t a g e o x i cs b rp r o c e s su s i n g e t h a n o la sc a r b o ns o u r c ea n da op r o c e s sh a dg o o dp h o s p h o r u sr e m o v a le f f e c t b u tt h ep h o s p h o r u sr e m o v a le f f e c tw a sb e t t e ri ns i n g l e s t a g eo x i cs b rp r o c e s s i nc o m p a r i s o n w h i c hs h o w st h a tt h i sk i n do fp r o c e s sh a sg r e a tf e a s i b i l i t yu s i n g e t h a n o a sc a r b o ns o u r o e k e yw o r d s s b r s i n g l e s t a g eo x i cp r o c e s 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 c a r b o ns o u r c e a op r o c e s s i v 硕士学位论文 插图索引 1 1 生物除磷机理 7 1 2a o 工艺图 1 1 1 3a 2 o 工艺图 1 1 1 4p h o r e d o x 工艺图 1 1 1 5u c t 工艺图 1 2 1 6 氧化沟工艺图 1 2 1 7s b r 工艺图 1 3 1 8s b r 单级好氧工艺图 1 6 2 1s b r i 稳定运行中t p 去除情况 2 0 2 2s b r 2 稳定运行中t p 去除情况 2 0 2 3s b r i 典型周期内p 0 4 3 p v s s c o d 糖原质与p h a 的变化 2 3 2 4s b r 2 典型周期内p 0 4 3 p v s s c o d 糖原质与p h a 的变化 2 3 2 5s b r i 和s b r 2 典型周期内d o 值的变化 2 4 2 6s b r i 和s b r 2 典型周期内p h 值的变化 2 5 2 7 甲醇 乙醇代谢简图 2 6 2 8 三羧酸循环和乙醛酸循环 2 7 3 1s b r 3 典型周期内p 0 4 3 p v s s c o d 糖原质与p h a 的变化 3 5 3 2s b r 4 典型周期内p 0 43 p v s s c o d 糖原质与p h a 的变化 3 5 3 3 s b r 3 和s b r 4 释磷量和吸磷量图 3 6 3 4 s b r 3 和s b r 4 内源物质总累积量图 3 6 3 5s b r 单级好氧除磷工艺和a o 工艺除磷机理图 3 9 v 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 甲醇和乙醇在s b r 单级好氧生物除磷中的试验研究 列表索引 表1 1 化学法除磷过程中发生的化学反应 2 表2 1 合成废水水质 1 8 表2 2 微量元素 1 8 表2 3 测试项目及分析方法表 1 9 表2 42 个反应器稳定运行中各参数的比较 2 1 表3 1 实验主要设备及仪器 3 1 表3 2s b r 3 和s b r 4 稳定运行中各参数的比较 3 2 表3 34 5 d 运行后s b r 3 和s b r 4 运行效果的比较 3 3 硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 哪里有水 哪里就有生命 水是生物结构组成及生命活动的物质基础 是人类不可或缺的自然资源之一 我国的淡水资源总量占全球水资源的6 仅次于巴西 俄罗斯和加拿 大 名列世界第四位 但是 我国的人均水资源量仅为世界平均水平的1 4 是全球人均水资源最贫乏的国家之一 据环境部门对全国湖泊 河流 水库的水质调查 近年来 由于工业废 水和城镇生活污水的排放等缘故 全国主要水系的水体都受到了程度不同 的污染 水污染物有多种来源 主要分为自然产生的和人为产生的两种 自然 产生的污染 生态系统会变化而适应这种状态 人为产生的污染要复杂的 多 其中工业由于采矿和生产制造 排出含有毒的重金属或难分解的化学 物质 除了工农业污染物外 随着人口增加 人类生活用水也增加了排放 量 这类水虽然不含有毒物质 但会导致水体富营养化 从而造成 赤潮 和 水华 1 1 水体出现赤潮和水华是水体富营养化引起的 是水体污染中比较严重 的一种 水体富营养化污染仍是当今环境污染的一个重要主题 湖泊的富 营养化在我国问题尤其突出 蓝藻水华等的发生 严重威胁着水环境质量 和生态安全甚至影响了经济发展和社会稳定 最具代表的案例是2 0 0 7 年太 湖蓝藻水华事件 导致无锡市5 0 0 万人的用水受到极大的影响 严重影响 了人们的生活 因此 治理水体富营养化是我国和世界的重大问题之一1 2 氮 n 和磷 p 是生物的结构物质 是生物赖以生存的重要营养物 但如 果大量的氮和磷进入水体 超出了水体的自净能力 那多余的氮磷将变成 了受纳水体中的污染物 导致水体富营养化 即蓝藻 绿藻等藻类大量繁 殖形成绿色浮渣 造成赤潮 水华等 水体溶解氧急剧下降 继而使水体 水质恶化i 引 富营养化的危害主要有 阳光难以穿透水层 会造成水的 透明度降低 从而影响水中植物的光合作用 水中溶解氧 d o 变少 有害水生动物 致使鱼类大量死亡 同时 底层有机物在厌氧条件分解产 生的有害气体和一部分浮游生物产生的生物毒素也会伤害水生动物 硝 酸盐和亚硝酸盐存在于富营养化的水中 这些物质含量超过一定阈值 会 引起人畜饮用该水而导致中毒致病 我国 污水综合排放标准 甲醇和乙醇在s b r 单级好氧生物除磷中的试验研究 g b 8 9 7 8 1 9 9 6 规定 磷酸盐 以p 计 的一级排放标准为0 5 m g l 二级排 放标准为1 0 m g l 尽管氮和磷都是造成富营养化的重要因素 但磷对富营养化的影响更 为显著 据研究 磷浓度小于0 0 1 0 0 1 5 m g l 时 可以控制藻类的过量繁 殖1 4 通常富营养化发生后 往往以磷的不断降低而告终f5 1 因此要有效的 防止水体富营养化 必须降低污水中的磷浓度 但由于受许多因素影响 在实际的污水处理操作中 污水中的磷并未得到很好去除 以至于为此 探寻一种可靠而又实用的除磷方法与工艺对处理现今日趋严重的水体富营 养化问题显得十分重要 1 2 除磷方法 污水中的磷以正磷酸盐 聚磷酸盐和有机磷等形式溶解于水中 现今 污水中的磷通常通过物理 化学或使溶解态的含磷化合物转化为固态后的 生物方法等予以去除 除磷的方法主要分为物理法 化学法 生物法以及 生态法除磷几大类 物理法因其技术较复杂 成本过高 应用很少 生态 法也受环境和气候等的影响应用不多 当今应用比较广泛的是化学法和生 物法 1 2 1 化学法除磷 化学法是最早使用的一种除磷方法 6 它是在磷酸盐和一些化学物质如 石灰 铁盐 铝盐 镁盐等反应生成络合物或不溶沉淀物的基础进行的 化学法的特点是磷的去除率较高 处理结果稳定 污泥在处理和处置过程 中不会重新释放磷而造成二次污染 但污泥的产量比较大 通常的化学反应如表1 1 所示 表1 1 及其他的一些化学除磷反应常有伴生反应 伴生反应的产物常具 絮凝作用 有助于分离磷酸盐 7 1 以投加石灰为例 石灰在水体中除与磷酸 盐生成沉淀的反应外 还会发生碳酸氢根和氢氧根与钙离子结合形成碳酸 钙的沉淀反应 反应生成的碳酸钙沉淀可作为沉淀过程中的增重剂 加速 沉淀 有利于除磷过程的更快更好进行 而在投加f c c l 3 a 1 2 s 0 4 3 的 过程中 金属离子除了与磷酸盐离子的发生沉淀反应外 还伴有其水解产 物的络合反应 引 投加f c c l 3 a 1 2 s 0 4 3 时反应生成具有较高正电荷的络 合物 能将水体中带负电荷的杂质迅速吸附 从而促进悬浮物和胶体的快 速沉淀和凝聚 采用化学法虽然工艺简单 但是沉淀剂的加药量很大 运行成本相对 较高 因此这种除磷方法在实际的生产运用中有限 2 表1 1 化学法除磷过程中发生的化学反应 化学反应 化学污泥的组分 石灰 1 5 c a 2 3 p 0 4 3 o h c a p 0 4 3 o h c a 5 p 0 4 3 o h 2 c a c 0 3 2 c a c 0 3 c a c 0 3 铝盐 1 a 1 3 p 0 4 3 a i p 0 4 2 a 1 3 3 0 h a i o h 3 铁盐 1 f e p 0 4 a f e p o d 2 f e 3 3 0 h f e o h 3 a l p 0 4 a i o h 3 f e p 0 4 f e o h 3 1 2 2 生物法除磷 生物法除磷是新工艺 近二十年来受到了广泛的重视和研究 并且在 研究上取得了很多进展 它是利用微生物在好氧条件下对污水中溶解性磷 酸盐的过量吸收作用 然后沉淀分离而除磷 在活性污泥工艺中生物除磷 工艺是最复杂的工艺之一 微生物及生化反应的复杂性 以及活性污泥工 艺的不同运行方式 厌氧 缺氧和好氧方式 使人们对生物除磷工艺很难 完全理解 相比于化学除磷 生物法除磷最大的优点就是很少采用化学药 剂或完全不采用化学药剂 从而节约大量资金 而且还会产生一些相关益 处 例如不产生化学污泥 不会破坏剩余污泥的脱水性 降低出水中的盐 度 对总氮的去除影响很小等 9 因此 生物除磷越来越受环境工程师重视 并应用于许多新的处理工艺 其中 对生物除磷工艺的发展起了重要的推 动作用主要是实验室中小式 中式和生产性试验所取得的一些新发现 其 中 新工作取得进展的基础是m i c h o l l s 和b a r n a r d 所取得的研究成果 例如 他们发现对于回流污泥和污水的混合液 实现没有硝酸盐的存在 既真正 意义上的厌氧环境 是一个重要的生物除磷条件 在这些研究发现的基础 上 南非开发了很多不同工艺 如b a r d e n p h o p h o r e d x u c t j h b 等工艺 并付诸应用 1 0 j 甲醇和乙醇在s b r 单级好氧生物除磷中的试验研究 在十九世纪六十年代末到七十年代初的几年中 虽然没有足够的生化 和微生物方面的基础知识 很多研究者们都尝试着去解释生物除磷的不同 现象 实践证明 以推流方式运行 并且在活性污泥工艺的首端维持非曝 气状态是实现生物除磷非常重要的条件 同时 实验并未能证实得通过化 学沉淀可以使磷过量吸收的种种化学假设 因此该说法不攻自破 二十世纪七十年代末 生物除磷技术的微生物学研究得到了加强 发 现在生物除磷中不动杆菌起主要作用 并从除磷的活性污泥中第一次分离 出了纯微生物的除磷细菌 这些微生物可以储存胞内内源物质 然后在好 氧条件下分解内源物质 产生能量储存聚磷 1 1j 但后续的研究发现 聚磷 菌 p a o s 是一类在特殊环境条件下具有过量吸磷能力的微生物菌群的总 称 并不单指某一具体种群微生物 能实现生物除磷的聚磷菌不仅有不动 杆菌属 b r o d i s c h 和j o y n e r 1 2 1 研究了三种处理效果较好的生物除磷系统中 活性污泥微生物的组成发现 不动细菌的数量少于细菌总量的1 0 而假 单胞杆菌和气单胞菌可占1 5 2 0 此外 他们还发现诺卡氏菌体内含聚 磷颗粒 周岳溪 朱怀兰等 1 3 1 4 等研究结果却表明 除磷菌有假单胞菌属 气单胞菌属 棒状菌群和肠杆菌科等 有关聚磷菌中哪种或哪几种菌群占 优势地位的问题 尚无定论 仍有待进一步研究 研究表明 生物除磷过程中 活性污泥在好氧 厌氧交替进行的条件下 可产生p a o s 在好氧条件下 p a o s 可从废水中超出其生理需要地过量摄 取磷 并将磷转化形成多聚磷酸盐 p o l y p 作为细胞内贮藏物质 通常普 通的活性污泥处理过程中 磷约占污泥干重的1 5 2 0 但是 在强化生 物除磷系统中 聚磷微生物可以以超普通活性污泥2 6 倍的水平积累或释 放磷 l 聚磷微生物的这种过量吸收磷的能力除了与其在厌氧条件下释放 磷的量的大小有关之外 还与所处理废水中的碳源的类型有关 强化生物 除磷系统排放的剩余污泥的含磷量可达6 左右 污泥干重 有的甚至更高 厌氧过程中 聚磷分解成磷酸盐将被排到胞外 从而液相中的磷的浓度将 升高 1 6 1 在厌氧状态下 聚磷微生物储存的多聚磷酸盐水解 提供能量以 促成高能物质a t p 的合成 并将细胞内的乙酸活化生成乙酰辅酶a a c e t y l c o a 同时部分乙酰辅酶a 能够转化为聚 b 羟基丁酸 p h b 在 好氧条件下 聚磷微生物体内储存的p h b 降解 并通过三羧酸循环 t c a 循环 产生a t p 为细胞中的p o l y p 的大量合成和细胞生长繁殖提供能量 1 7 1 8 由于好氧阶段 磷酸盐被过量吸收合成了聚磷储存在聚磷微生物体 内 因此在好氧条件下 可通过排出剩余泥使废水中的磷得到有效去除 4 硕士学位论文 1 2 3 生态法除磷 除了生物除磷 还有生态的方法除磷 生态法除磷主要指利用人工湿 地进行除磷 人工湿地除磷的机理是 先选择一个合适的环境建立人工湿 地 而后在湿地上种植吸磷植物 经过过湿地植物 湿地基质及微生物间 相互作用 通过一系列化学 物理及生物作用 去除污水中的磷 通常 湿地除磷对磷去除的主要途径是通过湿地基质去除 其除磷量较多 传统 人工湿地的基质主要由土壤 砾石 沙等组成 为了强化除磷效果在基质 中添加含金属盐物质 如 高炉废渣 石灰石 页岩等 湿地植物对磷 的去除较湿地基质少 而微生物对磷的去除量最少 但也有一些研究表 明 2 0 1 有些植物具有较强的除磷能力 从而会使植物在湿地除磷中占据主 导地位 如浮萍可去除废水中约7 5 的磷 又如宽叶香蒲对磷的去除率可 达到9 5 而湿地中的微生物则能去除废水中剩余部分的磷 人工湿地使用前期一般会有较好的除磷效果 如人工湿地初期 深圳 石岩河人工湿地的除磷效率为9 1 4 t 2 1 1 但基质对磷的吸附只是改变磷在 湿地中的存在形式 由游离态到固定态 并没有从真正意义上将磷去除 磷会在湿地系统内慢慢积累至饱和状态 因此当污水中磷的浓度较低时 可引发磷的释放 出水中磷的浓度不但未降低反而升高 研究表明 22 1 美 国的很多运行初期除磷率在9 0 以上的除磷填料湿地在运行了4 5 年以后 随着系统内磷的积累 磷去除率下降加剧 可见研究人工湿地 不能局限 在吸附基质的研究上 人工湿地具有技术含量低 投入成本低 维护管理较方便等优点 同 时还能利用地形 能实现污水资源化 将污水的处理与利用相结合的等优 点 但湿地除磷的效果受地形 气温 光照等自然因素的影响较大 占地 面积较大 且运行的年限有限 因此在实际应用中有一定局限性 当地形 不适宜或没有足够的土地建立人工湿地时 均不能采用生态湿地法进行除 磷 1 3 生物除磷的相关理论和发展动态 生物除磷现象最初是在污水处理厂的生产性运行中发现 1 9 5 5 年 g r e e n b u r g 等人报道了活性污泥 超量摄磷 理论 1 9 6 5 年s h a p i r o 和他的学 生l e v i n 对磷的吸收和释放现象作了广泛的调查研究1 2 3 1 首先提出了超量除 磷作用并非沉淀所致而是生物学过程 之后研究表明磷的好氧吸收和 缺 氧 厌氧 释放是可逆的 在非曝气条件下 磷释放 在曝气条件下 磷过 量吸收 并提出氧的缺乏或氧化还原电位低明显地激发磷的释放 此外 5 甲醇和乙醇在s b r 单级好氧生物除磷中的试验研究 他们还通过显微镜观察发现 磷酸盐以 黑色 颗粒状的形式储存在细菌 体内 生物除磷技术于2 0 世纪8 0 年代在欧洲得到广泛的应用 传统的生物除 磷原理是活性污泥中的聚磷菌在厌氧阶段吸磷 好氧阶段过量释放磷 从 而达到生物除磷的目的 2 4 1 厌氧阶段 聚磷微生物体内的储能分子聚磷水 解释放出大量的溶解性磷和能量 同时糖原分解 产生还原当量和能量 这些都为聚磷微生物吸收有机基质以及生物生长和体内氧化还原平衡的维 持提供了能量 此时 聚磷微生物还利用聚磷水解和糖原分解提供的能量 和还原当量吸收污水中的有机质并合成聚羟基烷酸 p h a 作为能源物质储 存在体内 好氧条件下 聚磷微生物体内储存的p h a 和糖原降解产生大量能 量用于细胞的生长和磷的过量吸收 并在体内合成聚磷 由于其吸收的磷 远远超过其厌氧阶段释放的磷 从而实现了生物除磷的目的 工艺运行中 通常最后通过排放富集聚磷的剩余污泥达到除磷的目的 同时糖原合成 聚磷和糖原就又储存在聚磷微生物体内 为下周期厌氧吸收有机质的吸收 准备能量 2 引 现阶段 含磷废水的主要处理途径是通过厌氧好氧生物除磷技术进行 处理 该除磷技术一直是废水处理研究的一个热点 针对此种生物除磷技 术的研究较多 下面主要介绍生物除磷机理 影响因素 生物除磷的工艺 以及碳源在生物除磷技术中的研究和发展等方面 1 3 1 生物除磷的机理 1 传统的生物除磷机理 传统的生物除磷机理认为生物除磷在于p a 0 s 超量吸磷 厌氧条件下 无 分子氧和硝态氮1 p a o s 体内的聚磷水解 糖原降解 产生能量用于溶解性 有机质的吸收和p h a 的合成 好氧条件下 p h a 降解产生能量用于糖原和聚 磷的合成以及微生物的生长 p a o s 利用这些能量超量捕积超过其生理生长 需要的磷 并将磷以高能键的形式存储体内 从而液相中的磷得到了去除 最后通过排放富磷的剩余污泥将磷从生物除磷系统中去除 2 引 其具体途径 可见图1 1 2 反硝化生物除磷机理 反硝化除磷是交替厌氧 缺氧环境 培养驯化出以氧气 亚硝酸盐和硝 酸盐为电子受体的反硝化除磷菌 d 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 g b a c t c r i a d p b 为优势菌种 通过它们的代谢来完成过量吸磷和反硝化过 程从达到脱氮除磷的双重目的 6 近年来 反硝化除磷的理论并不多 目前为止 国内外大部分生物除 磷研究仍以基于传统的生物除磷机理为主 反硝化除磷机理为在无0 2 但存 在n 0 3 的缺氧环境下 d p b 摄磷 在厌氧条件下 大分子有机物分解为低分 厌氧区掘 l 咖l 逍斗 为了追踪周期内d o 和p h 的变化 以其更好的研究单级好氧生物除磷系统 的生物除磷机理 本实验还紧密的追踪了反应器典型周期内d o 和p h 值的 变化 结果见图2 5 和图2 6 了 高 e o o 时间 r a i n 图2 5s b r i 和s b r 2 典型周期内d o 值的变化 由图2 5 曝气初期2 m i n 的时间内d o 值迅速下降 这也与图2 3 和图 2 4 中c o d 的变化基本相符 在曝气开始后的半小左右 由于之前设置的较 长的静置期的影响 微生物较为活跃 这期间2 反应器中的微生物正在迅 速吸收废水中的有机物质 进行生长繁殖和合成胞内内源物质 而由于废 水中有机质浓度在曝气前3 0 r a i n 被迅速消耗 几乎就在前3 0 r a i n 一6 0 m i n d o 达到最小值 而后d o 又上升 这有可能是由于外碳源已被消耗完 从而曝 气产生的氧又使液相中d o 升高 而后此d o 值维持了一段时间 笔者推测 可能是正在进行底物水平磷酸化等系列反应形成丙酮酸 此反应不需要消耗 大量氧 直到2 4 0 m i n 左右 d o 才升高 这个时间也与图2 3 和图2 4 的磷 酸盐降低的时间相合 最后d o 下降 这时是利用内源物质进行内源呼吸的 时期 吸收氧气 放出c 0 2 从而导致液相中d o 降低 这也与周期变化中 此静置时段的糖原和p h a 等内源物质消耗以及聚磷分解释放磷酸盐导致液 相中磷酸盐浓度升高等相吻合 可看出整个周期2 反应器的d o 变化趋势大 致相同 但乙醇的d o 起伏比甲醇大 周期中 甲醇d o 的最小值为1 4 m g l 而乙醇d o 的最小值为0 4 m g l 甲醇d o 的最大值和最小值相差为6 9 m g l 乙醇的最大值个最小值相差为7 7 m g l 这也说明了乙醇驯化的活性污泥中 的微生物比较活跃 对溶解氧的利用和呼吸作用放出的氧气量均较甲醇大 o 5 o 5 o 5 0 5 0 5 0 5 o 5 o 5 d 5 d 9 8 8 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 o 硕士学位论文 而p h 值2 反应器的变化基本一致 反应的起始p h 值均为7 2 左右 而后 有所升高 s b r 2 升高的更快更多 而后续阶段 s b r 2 也降得更多些 推 测是s b r 2 中的微生物在好氧阶段和后续内源呼吸期更多 更活跃 好氧 期吸收掉液相中存在的挥发性脂肪酸等有机物质较s b r i 更快 使得p h 值 有所升高且升高值大于s b r i 而后面的内源呼吸期又产生二氧化碳较 s b r i 多致使p h 值降低更多 时间 r a i n 图2 6s b r i 和s b r 2 典型周期内p h 值的变化 2 2 5 讨论 磷在活性污泥中以3 种形式存在 生物磷 物理化学沉淀的磷和聚磷 1 0 由于2 个反应器的p h 控制在7 0 8 2 之间 因此不存在化学沉淀除去 磷的情况 根据生化原理 假设全部进入生化降解过程 以c o d 与微生物摄 磷量比为2 0 0 1 计 仅需消耗磷1 5 m g l 左右 本研究中磷的进水浓度约为 1 3 m g l 根据物料平衡原理 剩下的约11 5m g l 的磷以聚磷的形式存在 所以表明磷是以聚磷的形式在聚磷菌体内贮存 本实验中 运行条件相同 甲醇和乙醇进水碳元素的量也相等 约为 1 5 m m o l l 但2 反应器c o d 的降解和除磷效果差别却很大 推测可能是 除磷系统内的微生物对甲醇这一碳源并不适应 生物降解碳源的速率及多 小无疑取决于微生物存在的数量及活性 在实际污水处理中 污水的成分 变化 其所含碳有机物也各异的 不同的碳源所需的降解微生物并不完全 相同 以醇类作为碳源 从生化研究1 8 l l 在好氧条件下 两者分别是在醇脱 氢酶 m d h a d h 的作氢酶的作用下 m l d h a l d h 转化为甲酸和乙用 下脱去两个氢原子甲醇转化为甲醛 乙醇转化为乙醛 随后在下一级的氧 化反应 即分别在醛脱酸 之后两者乙酰化转化成乙酰辅酶a 其具体的代 谢转化途径可见图2 7 微生物除了可以利用乙酰辅酶a 进行三羧酸循环 t c a 循环 外 还 可进行乙醛酸循环 8 1 图2 8 显示了t c a 循环和乙醛酸循环 三羧酸循环 和乙醛酸循环产生大量a t p 1 轮t c a 循环产生1 2 个a t p 1 轮乙醛酸循 环产生3 个a t p 除供给微生物正常生长外 聚磷菌利用剩余的a t p 可 合成聚磷和p h a 同时在乙酰酸循环中异柠檬酸不是如t c a 循环转化为草 酰琥珀酸 而是分解成为琥珀酸和乙醛酸 乙醛酸乙酰化后 转化为苹果 甲醇 上甲醇脱氢酶 甲醛 l 甲醛脱氢酶 甲基 乙醇 j 乙醛脱氢酶 乙醛 j 乙醇脱氢酶 乙酸 乙酰辅酶 糖原 p h a 维持 微生物生命 图2 7 甲醇 乙醇代谢简图 酸 可进入t c a 循环 而琥珀酸大部分进入t c a 循环外 图2 8 还有 一部分可被运送到线粒体 转换形成成草酰乙酸 2 分子乙酰c o a 转变成1 硕士学位论文 分子草酰乙酸 并通过糖异生途径合成糖原 这也解释了2 反应器外源 呼吸期均有积累糖原的现象 a b u g h a r a r a h 等 8 2 研究表明 不同碳原子数的v f a 加入有着不同的除 磷效果 其效果取决于碳原子数量以及支链有机酸的结构 甲酸作为一碳化 合物 碳源加入到除磷系统引起了厌氧释磷和好氧吸磷的减少 除磷效果 不理想 而乙酸一直以来都被认为是比较理想的除磷碳源 6 4 7 5 8 2 1 而甲醇 会转化为甲酸 乙醇转化为乙酸 这可以从一方面解释甲醇除磷效果不如乙 醇的原因 而至于为何甲酸会引起释磷和吸磷的减少还有待进一步的研究 c h2 c 0 0 h c h c o o h 琥珀酸 图2 8 三羧酸循环和乙醛酸循环 s l i 另一方面由2 2 所述可知 s b r 2 中磷的高吸收和释放量均反映s b r 2 中p a o 的含量较高 代谢旺盛 对磷的吸收较多 而静止期 需要更多的聚 磷分解来满足p a o 生长的需要 相比之下s b r i 的吸收和释放量都较小 c o d 吸收率较低 p a o 对甲醇的吸收不理想 而其d o 的变化的差值也说 明了这一点 从而p a o 代谢缓慢净增长少 不能通过剩余污泥的排除达到 好的除磷效果 同时本研究中外源呼吸期磷的下降并不明显 而p h a 和糖 原含量明显上升 说明外源呼吸期产生的能量主要用于内源物质的贮存 而内源呼吸期磷的去除较快 说明聚磷合成所需的能量主要由p h a 和糖原 甲醇和乙醇在s b r 单级好氧生物除磷中的试验研究 等内源物质提供 这也与文献 7 2 研究一致 s b r i 没有较多的外源物质转 化为内源物质 从而s b r i 的糖原和p h a 贮存量均小于s b r 2 到内源呼 吸期 s b r i 聚磷合成所需的能量也不如s b r 2 多 而m a u r e r 等 8 3 研究表 明 聚磷的合成受到可利用的a t p 的限制 每合成l m o l 聚磷需要1 2 m o l a t p 而s b r 2 可供降解产生a t p 的贮能物质的量远大于s b r i 从而使得其有 在内源呼吸期有更多的能量用于合成聚磷 而实现了磷的高去除率 本研究 小组目前正在致力于甲醇和乙醇驯化出的p a o 的鉴定 以其更完善单级好 氧生物除磷工艺 国家 污水综合排放标准 的一级标准规定磷的浓度不能超过0 5 m g l 对磷的要求相当严格 而本实验中磷的进水浓度 约1 2 8 m g l 比一般城 市污水中磷的浓度还大1 7 8 5 7 5 m g l 以乙醇为碳源的反应器磷的出 水浓度基本低于检出限 而在过去的生物除磷研究中 1 7 3 2 3 4 以乙酸 丙酸等v f a s 类作为碳源 的较多 而以醇类作为研究对象的很少 本研究中以甲醇 乙醇作为碳源 旨在扩展s b r 单级好氧生物除磷系统中碳源的种类 如前3 2 所述其去除 效果与v f a s 相当 同时在考虑作外加碳源时 醇类比v f a s 价廉且易获得 在需要投加外加碳源或是处理乙醇含量高的废水时 可以考虑乙醇作为生 物除磷的一种廉价易得补充碳源 也可以为含乙醇较多的废水提供合适的 处理途径 2 4 小结 本章以甲醇和乙醇作为外加碳源研究了其在s b r 单级好氧生物除磷系 统中的除磷效果 主要结论如下 1 s b r 单级好氧工艺在以甲醇和乙醇为碳源时对磷均有一定去除 在6 9 d 的运行中 s b r i 磷的平均去除量为6 5 6 m g l 平均去除率为5 2 6 3 s b r 2 磷的平均去除量1 1 2 2 m g l 去除率为9 0 3 4 2 s b r i 中m l v s s m l s s 从驯化前的0 8 7 变到驯化后的0 8 4 s b r 2 撑m l v s s m l s s 驯化前为0 8 6 驯化后为0 7 5 原始污泥中磷的质量 分数为1 1 2 经过驯化后s b r i 甲醇 和s b r 2 乙醇 中污泥含磷的 质量分数分别为为2 1 3 和5 6 3 可见驯化后 磷都有一定富集 而驯化 后s b r 2 中磷的蓄积量较大 3 周期内s b r i 进水c o d 约为3 5 0 m g l 出水约为7 9 m g l 而s b r 2 进水c o d 约为3 5 0 m g l 出水约为4 9 m g l s b r i 和s b r 2 p 平均去除速 率分别为1 6 2m g g h 和5 3 1m g g h 以p 0 4 孓一p 计 静置期释磷量分别为 1 1 8 m g g h 以p 0 4 3 p 计 和2 0 4m g g h 以p 0 4 3 p 计 同时 周期中2 反 硕士学位论文 应器d o 和p h 的变化也是s b r 2 较大 实验结果表明 s b r 单级好氧生物 除磷系统中以乙醇作为碳源 聚磷菌生长和代谢更活跃 对磷的吸收利用 较好 其可作为s b r 单级好氧除磷工艺中合适的碳源 甲醇和乙醇在s b r 单级好氧生物除磷中的试验研究 第3 章乙醇作为碳源对a o 和单级好氧生物除磷系 3 1 研究背景 统的影响研究 一直以来 除磷方面有关碳源的研究颇多 对于降低能耗 改进工艺 以及提高去除率甚至数学模型等都有不少的研究进展 这些理论都是传统 的生物除磷工艺发展衍生的基础 5 4 6 5 7 2 8 4 1 由第2 章我们了解到在s b r 单级 好氧生物除磷系统中乙醇的除磷效果很好 而作为常用的反硝化碳源 8 5 1 甲醇在s b r 单级好氧生物除磷系统中的除磷效果相对较差 可见在s b r 单级 好氧生物除磷系统中甲醇并不是较好的碳源 故本章不再赘述甲醇作为碳 源的除磷效果 本研究上一章发现乙醇在单级好氧工艺中有很好的除磷效 果 而s p u i g 6 1 等人在2 0 0 8 年也报道在a o 工艺中 乙醇作为碳源 p 有相 当高的去除率 基于s b r 单级好氧生物除磷工艺是新型的e b p r f 艺 发现 到发展的时间较短 约为6 7 年 同时乙醇作为碳源的报道也不多且效果 有所不一 为了更好的了解乙醇作为碳源在除磷系统的运行的一些机理特 点以及研究s b r 单级好氧生物除磷工艺的优劣 对此 我们进一步将该工艺 中除磷效果好的乙醇作为碳源在a o 工艺和s b r 单级好氧生物除磷工艺中 同时运行并进行了研究 并进一步研究乙醇作为碳源时在单级中的效果与 传统的a o 工艺的效果的异同 以更好的为乙醇作为碳源和s b r 单级好氧生 物除磷工艺的碳源研究提供理论依据 3 2 实验材料与方法 3 2 1 实验装置及运行 实验在2 个与第二章相同的s b r 反应器中进行 分别命名为s b r 3 a o 和s b r 4 单级 直径为1 2 c m 高约2 5 c m 总体积2 l 有效体积约 为1 8 l 沉淀结束时 两反应器均排水约1 l 2 个反应器的周期运行方式 分别如下 s b r 3 瞬间进水曝气 2 4 0 m i n 沉淀出水 1 5 m i n 一闲置 2 2 5 m i n h s b r 4 瞬时进水一厌氧 1 2 0 m i n 一曝气 2 4 0 r a i n 一沉淀出水 1 5 m i n 一静置 1 0 5 r a i n 硕士学位论文 实验运行 与第