移动床生物膜反应器脱氮除磷数学模拟实验方案Word文件下载.docx
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将原来好氧运行逐渐改为厌氧-好氧-缺氧运行来提高污泥的脱氮除磷能力，驯化过程如表1所示。
每个周期8h，为：
厌氧（包括进水）>
好氧>
缺氧>
沉淀>
排水>
闲置。
每天两个周期。
处理废水使用表2中合成废水F。
表2中每种合成废水组分均需添加20mg/LCaCl2·
2H2O、45mg/LMgSO4·
7H2O和1.5mL/L微量元素。
微量元素组成如表3所示。
驯化期间每天取样分析COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TP去除效果。
驯化完成后依旧维持进水，每天运行一个周期并在好氧末期排泥，使污泥龄在20天左右。
表1接种污泥驯化过程
Table1Acclimationprocessofactivatedsludge
Period
Anaerobic（h）
Aerobic（h）
Anoxic（h）
Dischargeandidle（h）
1）
6
2
2）
1
5
3）
4
表2实验过程中使用的不同模拟废水
Table2Differentsyntheticwastewatersusedintheexperiments
COD（mg/L）
NH4+-N（mg/L）
NO3--N（mg/L）
PO43--P（mg/L）
A
100
20
3
B
200
30
C
500
D
25
E
50
F
300
40
Additionof20mg/LCaCl2•2H2O,45mg/LMgSO4•7H2Oand1.5mL/LtracessolutionforsyntheticwasterwaterA,B,F.
表3微量元素组成
Table3Compositionsofthemicroelement
Composition
Concentration（g/L）
FeCl3·
6H2O
1.5
H3BO3
0.15
CuSO4·
5H2O
0.03
KI
0.18
MnCl2·
4H2O
0.12
Na2MoO4·
2H2O
0.06
ZnSO4·
7H2O
CoCl2·
EDTA
10
3）挂膜研究
a）反应器设置
启动2个MSBR反应器，基本运行工况为：
有效容积，4L；
填料类型，K2型；
填充率，35%；
周期，8h；
正常运行方式：
厌氧（2h，包括进水0.25h）>
好氧（4h）>
缺氧（1h）>
沉淀（0.5h）>
排水闲置（0.5h）；
曝气速率逐步升高（0.2、0.3、0.4、0.6L/min）；
转速，100r/min，厌氧和缺氧时搅拌；
碳源，蔗糖和乙酸钠提供1:
1的COD；
pH，使用HCl和NaHCO3控制在7.0~7.5；
温度，自然室温。
b）污泥接种与生物膜生长
向MSBR中接种驯化后的活性污泥，加入合成废水F至有效体积，使MLSS约为1g/L。
连续曝气24h，静置12h，排出所有泥水混合液，重新加入合成废水基质A，按正常运行方式连续运行，期间视污染物去除情况更换为合成废水B。
待生物膜表面形成明显的生物膜且具有一定脱氮除磷能力后，进入硝化细菌和反硝化聚磷菌富集阶段。
c）硝化菌和反硝化除磷菌富集
如图1所示方式分别运行MSBR1和MSBR2，运行周期为8h。
MSBR1仍按照不换水厌氧-好氧-缺氧方式运行，MSBR2更改为换水厌氧-缺氧-好氧方式运行。
MSBR2厌氧阶段处理只含有COD的废水（合成废水C），洗脱专性好氧异养菌，富集聚磷菌式的兼性异养菌；
随后换为只含有NO3--N和PO43--P的废水（合成废水D）进行缺氧反应，前面储存有PHA或糖原等能源物质的微生物此时可以进行反硝化，消除普通反硝化菌影响，且环境中没有氧气只有NO3-又降低了好氧聚磷菌与反硝化聚磷菌之间的竞争；
最后在好氧阶段处理只含NH4+-N的废水（合成废水E），此时胞内胞外均不存在碳源，消除异养菌对氧气的竞争，富集硝化细菌。
图1两种不同方式富集硝化菌及反硝化除磷菌
Fig.1.TwodifferentstrategiesforaccumulatingofnitrifiersandDPAOs.
d）同步硝化-反硝化除磷稳定运行
将合成废水F在厌氧开始时一次性加入MSBR1和MSBR2中，按照不换水厌氧-好氧-缺氧运行，强化同步硝化-反硝化除磷过程，运行至稳定。
整个实验过程期间每天监测反应器出水中COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N和PO43--P含量，对于富集硝化菌和反硝化聚磷菌期间，每个反应阶段取样分析。
每星期检测生物膜MLSS、MLVSS、生物膜厚度1次，采集生物膜光学照片1次；
取每个阶段生物膜样品保存（后期可能用于SEM照片和微生物多样性分析）；
每个阶段测定生物膜并选择一个典型周期间隔取样，对一个周期内的厌氧-缺氧-好氧段每0.5h取水样一次，测定COD、VFAs、PHAs、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、PO43--P、PolyP。
计算比硝化速率、比反硝化速率、比VFAs吸收速率、比PHA合成速率、比释磷速率、比摄磷速率及SNDPR率等。
（2）厌氧-好氧条件下生物膜EPS中磷的动态模拟
大量文献报道，在强化生物除磷系统中EPS是磷的一个动态储存库，对磷的去除起重要作用。
厌氧条件下，PAOs胞内聚磷水解成正磷和少量的焦磷，首先释放到EPS中，然后在进入水溶液中；
好氧条件下，PAOs吸收的大量正磷首先进入EPS，然后再进入胞内合成聚磷。
此外，整个EBPR过程中，胞内聚磷可以通过细胞自溶进入EPS，这些长链聚磷可在一些胞外酶作用下水解为短链聚磷或者再进一步水解为正磷。
各种形式的磷当穿过EPS基质时都可能被EPS吸附或截留。
再者，EPS中部分磷会在厌氧阶段释放到水溶液中，后续好氧进入胞内合成聚磷。
根据文献报道，EPS中正磷和焦磷含量较低，且在整个EBPR过程变化较小，而聚磷含量在厌氧时下降，在好氧是上升，且其变化趋势与EPS中TP变化趋势相似。
因此，可以假设：
EPS中P是聚磷，EPS对正磷和焦磷没有吸附和截留作用；
在胞外酶作用下，厌氧时EPS中聚磷降解，好氧时EPS中聚磷合成。
1）厌氧条件下EPS中磷的动态模拟
a）实验设计
实验采用悬浮填料生物膜取自上述MSBR反应器，厌氧时在4个不同初始条件下进行间歇试验。
厌氧间歇实验反应器体积1L，用橡皮塞密封，磁力搅拌器搅拌，取样口进样取样。
悬浮填料从MSBR好氧末段取出后，用蒸馏水清洗2次并曝气10h以上，使生物膜中外源底物完全去除。
4个反应器中加入不同数量生物膜填料和蒸馏水至1L，充入氮气10min后密封，维持反应器内厌氧环境。
一段时间后加入预先充氮厌氧的乙酸钠浓缩液，使其COD分别为100,200,400,600mg/L，实验持续2h以上，直至COD不在变化。
实验在pH7.0~8.0，环境温度20℃下进行，分别在0,10,30,60,90,120,…min时取样分析VFA，PO43-，PHA，PolyP，TPEPS，MLSS。
每个实验平行进行3次。
VFA，PHA采用气相色谱法测定；
EPS提取采用阳离子交换树脂法；
PolyP为生物膜中总磷与EPS中总磷差值；
PO43-、TP根据标准方法测定。
模型中聚磷菌定量范围改变，故其他动力学参数需依据呼吸计量法重新测定。
b）模型建立
厌氧条件下EPS中磷的模拟涉及8个组分、7个过程。
8个组分为发酵产物SA，溶解性磷酸盐SPO4，聚羟基丁酸酯XPHA，聚磷菌细胞内聚磷XPP，EPS内总磷XP,EPS，聚磷菌XPAO、颗粒惰性有机物XI，慢速降解有机物XS；
7个过程为PHA贮存、EPS聚磷厌氧释磷、溶菌EPS总磷增加、XPAO衰减、XPP衰减、XP,EPS衰减、XPHA衰减。
表3和表4分别列出了相应的化学计量学和动力学参数。
表3厌氧条件下EPS中磷的模拟化学计量学参数
序数
过程
SA
SPO4
XPHA
XPP
XP,EPS
XPAO
XI
XS
PHA贮存
-1
YPO4
-YPO4
EPS聚磷厌氧释磷
溶菌EPS总磷增加
XPAO衰减
v15，PO4
fXI
1-fXI
XPP衰减
XP,EPS衰减
7
XPHA衰减
厌氧且存在VFA时，以胞内聚磷为能源，聚磷菌吸收胞外VFA储存为胞内PHA，同时聚磷水解释放PO43-至溶液中，其动力学方程为式。
EPS中聚磷与聚磷菌中相似，在厌氧时释磷，同时其接受聚磷菌溶解产生的聚磷和自身聚磷的衰减。
厌氧时，不考虑其吸收VFA合成PHA，EPS中磷变化速率可表示为式。
聚磷菌胞内聚磷变化主要由3部分组成：
厌氧释磷，聚磷菌溶解，XPP衰减，其中XPP衰减并不包括聚磷菌溶解的部分。
其变化速率可表示为式。
表4厌氧条件下EPS中磷的模拟化学计量学参数
过程速率
在没有任何基质情况下，聚磷菌、XPP、XP,EPS同时发生衰减。
聚磷菌和EPS中磷变化可分别表示为式和式：
模型采用AQUASIM2.0软件自编程序来计算，利用其自带生物膜模型模拟生物膜过程。
模型采用上述实验中一组数据进行校准，其余3组用于模型验证。
2）好氧条件下EPS中磷的动态模拟
实验采用悬浮填料生物膜取自上述MSBR反应器，好氧时在4个不同初始条件下进行间歇试验。
好氧间歇实验反应器体积1L，用橡皮塞密封，磁力搅拌器搅拌，取样口进样取样，同时在橡皮塞上安装有溶氧仪电极，可监测反应器中溶解氧变化。
悬浮填料从MSBR厌氧末段取出后，用不含溶解氧的蒸馏水清洗2次并持续冲入氮气30min以上，维持生物膜中高浓度PHA。
4个反应器中加入不同浓度的磷酸盐溶液，曝气使溶液溶解氧在7.0mg/L以上。
将厌氧的生物膜填料以不同数量分别迅速加入4个反应器中，盖上带溶解氧电极的橡皮塞。
测定反应器内OUR，并在第0,10,30,60,90,120,150,…min取样测定PO43-，PHA，PolyP，TPEPS，MLSS。
实验持续4h以上直至再次进入内源呼吸阶段。
实验在pH7.0~8.0，环境温度20℃下进行，每个实验平行进行3次。
PHA采用气相色谱法测定；
好氧条件下EPS中磷的动态模型涉及8个组分、8个过程。
8个组分分别为：
溶解氧SO2，溶解性磷酸盐SPO4，聚羟基丁酸酯XPHA，聚磷菌细胞内聚磷XPP，EPS内总磷XP,EPS，聚磷菌XPAO、颗粒惰性有机物XI，慢速降解有机物XS；
8个过程分别为：
XPP好氧贮存，XP,EPS好氧贮存，PAO好氧生长，溶菌EPS总磷增加，XPAO衰减，XPP衰减，XP,EPS衰减，XPHA衰减。
表5和表6分别列出了相应的化学计量学和动力学参数。
表5好氧条件下EPS中磷动态模型的化学计量学参数
SO2
XPP好氧贮存
-YPHA
XE,EPS好氧贮存
PAO好氧生长
v13,O2
-iP,BM
-1/YH
v15,PO4
8
表6好氧条件下EPS中磷动态模型的动力学参数
好氧条件下，聚磷菌分解PHA超量吸磷，同时也利用PHA生长，均需消耗电子受体O2，故OUR可用式表示。
EPS中总磷在好氧时发生好氧贮存，因溶菌而增加和自身衰减三个过程，其变化速率可表示为式。
（3）MSBR中同步硝化-反硝化除磷同时去除碳、氮、磷过程的微生物变化及数学模拟
在两个MSBR反应器中，固定废水中NH4+-N和PO43--P浓度分别为50mg/L和8mg/L，改变COD值为200,400,600,800mg/L，即C/P分别为25:
1,50:
1,75:
1,100:
1，每个阶段生物膜稳定后（在7d内，NH4+-N和PO43--P去除率变化均小于5%），或生物膜脱氮除磷能力较差（去除率低于50%）时，进行下一个C/P试验。
试验过程中，每天监测反应器出水中COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N和PO43--P含量。
对于试验初始阶段和每个C/P稳定阶段，测定一次生物膜MLSS和MLVSS和生物膜厚度；
同时选择一个典型周期，每隔20min取样，检测COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、VFAs、PHAs，Gly，PO43--P、pH和DO的变化过程；
并采集生物膜光学照片，扫描电镜（SEM）图片。
在试验初始阶段采集1个、每个C/P稳定过程采集3~4个生物膜样品，预处理后保存，提取DNA，利用PCR-DGGE结合菌液测序技术分析生物膜中微生物多样性及主要种群；
利用荧光原位杂交技术（FISH）分析生物膜样品中各功能菌空间分布及含量情况。
选取一个C/P水平，考虑生物膜传质、两步硝化反硝化和上述EPS中磷动态模型，根据呼吸运动计量法和计算机模拟，获得相关动力学参数，模拟MSBR长期同步去除碳、氮、磷的过程。
利用不同C/P水平数据及微生物分析数据进行校准和验证。
4.进度安排
（1）不同方式下同步硝化-反硝化除磷挂膜启动研究（4.1-7.1）
污泥驯化（4.1-4.15）
反应器接种及生物膜生长（4.16-5.1）
换水富集硝化细菌和DPAOs（5.1-6.1）
SNDPR稳定（6.1-7.1）
（2）厌氧-好氧条件下生物膜EPS中磷的动态模拟（7.1-10.10）
厌氧条件下生物膜EPS中磷的动态模拟（7.1-8.1）
好氧条件下生物膜EPS中磷的动态模拟（8.10-9.20）
数据整理与写作（9.20-10.10）
（3）MSBR中同步硝化-反硝化除磷同时去除碳、氮、磷过程的微生物变化及数学模拟（10.10-2.1）
四个C/P水平运行至稳定及动力学参数测定（10.10-1.10）
分子生物学实验（11.1-2.1）
5.预期成果
（1）不同挂膜方式下同步硝化-反硝化除磷启动研究
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