兩級AO工藝連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物對城市污水脫氮的強化效能與機制研究一、引言1.1研究背景與意義隨著城市化進程的加速和工業(yè)的快速發(fā)展，城市污水的排放量日益增加，污水中的氮污染物成為了水體污染的重要來源之一。氮元素在污水中主要以氨氮、硝態(tài)氮和有機氮等形式存在，當這些含氮污水未經有效處理直接排入水體時，會導致水體富營養(yǎng)化，引發(fā)藻類過度繁殖、水體缺氧、水質惡化等一系列環(huán)境問題，嚴重威脅到生態(tài)系統(tǒng)的平衡和人類的健康。例如，在一些湖泊和河流中，由于氮污染導致的水華現(xiàn)象頻繁發(fā)生，不僅破壞了水體的景觀，還使得水中的溶解氧含量急劇下降，造成大量魚類等水生生物死亡，生態(tài)系統(tǒng)遭受嚴重破壞。同時，水中過量的硝酸鹽還可能轉化為亞硝酸鹽，對人體健康產生潛在危害，如導致高鐵血紅蛋白癥等疾病。因此，高效去除城市污水中的氮污染物，實現(xiàn)污水的達標排放，對于保護水環(huán)境、維護生態(tài)平衡具有至關重要的意義。在眾多污水處理工藝中，兩級AO工藝由于其獨特的優(yōu)勢而被廣泛應用。該工藝通過將缺氧段和好氧段串聯(lián)，實現(xiàn)了有機物的去除和氮的硝化反硝化過程。在缺氧段，反硝化菌利用污水中的有機物作為碳源，將硝態(tài)氮還原為氮氣，從而實現(xiàn)脫氮；在好氧段，硝化菌將氨氮氧化為硝態(tài)氮，為后續(xù)的反硝化提供底物。兩級AO工藝具有流程簡單、運行成本低、處理效率較高等優(yōu)點，能夠有效地去除污水中的有機物和氨氮，在城市污水處理領域發(fā)揮著重要作用。然而，傳統(tǒng)的兩級AO工藝在處理一些碳氮比（C/N）較低的城市污水時，脫氮效果往往受到限制。這是因為反硝化過程需要充足的碳源來提供電子供體，而低C/N污水中有機物含量不足，導致反硝化菌無法獲得足夠的能量進行硝態(tài)氮的還原，從而使得脫氮效率難以進一步提高，出水總氮濃度難以滿足日益嚴格的排放標準。為了解決兩級AO工藝在處理低C/N城市污水時面臨的碳源不足問題，研究人員嘗試了多種方法，其中投加混合污泥發(fā)酵物作為補充碳源成為了一個研究熱點?；旌衔勰喟l(fā)酵物是通過對污水處理廠的初沉污泥和剩余污泥進行厭氧發(fā)酵而得到的產物，其中富含揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）等易生物降解的有機物，這些有機物可以為反硝化菌提供優(yōu)質的碳源，從而增強反硝化作用，提高脫氮效率。同時，混合污泥發(fā)酵物的投加還可以避免使用傳統(tǒng)的外加碳源（如甲醇、乙酸鈉等）所帶來的成本高、操作復雜以及可能對環(huán)境造成二次污染等問題。此外，污泥發(fā)酵過程本身也是一種污泥減量化和資源化的有效途徑，能夠實現(xiàn)污水處理過程中廢棄物的再利用，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。本研究聚焦于兩級AO工藝連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物強化城市污水脫氮，具有重要的理論意義和實際應用價值。從理論層面來看，深入探究混合污泥發(fā)酵物在兩級AO工藝中的作用機制，包括其對微生物群落結構、代謝途徑以及脫氮相關酶活性的影響等，有助于進一步完善生物脫氮理論，豐富污水處理的科學知識體系。通過研究不同發(fā)酵條件下混合污泥發(fā)酵物的成分變化及其對脫氮效果的影響，還可以為優(yōu)化污泥發(fā)酵工藝提供理論依據(jù)。在實際應用方面，本研究成果有望為城市污水處理廠的升級改造和高效運行提供切實可行的技術方案。通過采用連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物的方式強化兩級AO工藝的脫氮性能，可以有效提高污水處理廠對低C/N城市污水的處理能力，降低出水總氮濃度，使其滿足更加嚴格的排放標準，從而減少氮污染物對水體環(huán)境的污染。這種基于污泥資源化利用的方法還能夠降低污水處理成本，提高資源利用效率，實現(xiàn)污水處理過程的經濟效益和環(huán)境效益的雙贏，對于推動城市污水處理行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。1.2研究目的與內容本研究旨在深入探究兩級AO工藝連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物強化城市污水脫氮的效果及作用機制，為城市污水處理廠的高效運行和升級改造提供理論支持和技術參考。具體研究內容如下：兩級AO工藝連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物的運行效果研究：搭建兩級AO工藝實驗裝置，連續(xù)投加不同比例的混合污泥發(fā)酵物，考察系統(tǒng)對城市污水中化學需氧量（COD）、氨氮（NH_4^+-N）、總氮（TN）等污染物的去除效果。分析不同運行條件（如水力停留時間、污泥回流比、硝化液回流比等）對脫氮效果的影響，確定最佳的工藝運行參數(shù)，以實現(xiàn)污水中氮污染物的高效去除?；旌衔勰喟l(fā)酵物對兩級AO工藝微生物群落的影響研究：采用高通量測序等分子生物學技術，分析在連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物前后，兩級AO工藝中不同功能區(qū)（缺氧區(qū)和好氧區(qū)）微生物群落的結構和組成變化。探究混合污泥發(fā)酵物對硝化菌、反硝化菌等脫氮功能微生物的豐度、多樣性和分布的影響，揭示微生物群落與脫氮效果之間的內在聯(lián)系。通過研究微生物群落的變化，進一步理解混合污泥發(fā)酵物強化脫氮的作用機制，為優(yōu)化工藝運行提供微生物學依據(jù)。兩級AO工藝連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物的技術經濟分析：對連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物的兩級AO工藝進行技術經濟評估，包括投資成本、運行成本（如能耗、藥劑費等）以及環(huán)境效益（如減少氮排放對水體環(huán)境的改善）等方面的分析。與傳統(tǒng)的外加碳源強化脫氮工藝進行對比，評估本工藝在經濟和環(huán)境方面的可行性和優(yōu)勢。通過技術經濟分析，為污水處理廠在選擇強化脫氮工藝時提供決策依據(jù)，推動該技術在實際工程中的應用和推廣。1.3研究方法與創(chuàng)新點本研究綜合運用多種研究方法，深入探究兩級AO工藝連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物強化城市污水脫氮的效果及機制。在實驗研究方面，搭建兩級AO工藝實驗裝置，模擬城市污水處理實際工況。通過連續(xù)投加不同比例的混合污泥發(fā)酵物，系統(tǒng)地考察工藝對污水中化學需氧量（COD）、氨氮（NH_4^+-N）、總氮（TN）等污染物的去除效果。在實驗過程中，精確控制水力停留時間、污泥回流比、硝化液回流比等運行參數(shù)，研究其對脫氮效果的影響。利用水質分析儀器，如分光光度計、離子色譜儀等，對進出水水質進行定期檢測，獲取準確的數(shù)據(jù)，為后續(xù)分析提供依據(jù)。對比分析方法也貫穿于本研究的始終。將連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物的兩級AO工藝與傳統(tǒng)兩級AO工藝進行對比，評估混合污泥發(fā)酵物投加前后工藝在脫氮效率、有機物去除能力等方面的差異。同時，與其他外加碳源強化脫氮工藝（如投加甲醇、乙酸鈉等）進行比較，從處理效果、運行成本、環(huán)境影響等多個角度分析本工藝的優(yōu)勢與不足。在微生物群落研究中，采用高通量測序技術，對連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物前后兩級AO工藝中不同功能區(qū)（缺氧區(qū)和好氧區(qū)）的微生物群落結構和組成進行分析。通過生物信息學分析方法，探究混合污泥發(fā)酵物對硝化菌、反硝化菌等脫氮功能微生物的豐度、多樣性和分布的影響，揭示微生物群落與脫氮效果之間的內在聯(lián)系。利用熒光原位雜交（FISH）技術，直觀地觀察特定微生物在反應器中的分布情況，進一步驗證高通量測序結果。本研究的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下兩個方面。一方面，深入剖析混合污泥發(fā)酵物強化兩級AO工藝脫氮的微生物層面機制。以往研究大多關注工藝運行參數(shù)和污染物去除效果，對微生物群落的變化及其在強化脫氮過程中的作用機制研究相對較少。本研究通過高通量測序等先進技術，全面揭示混合污泥發(fā)酵物對微生物群落結構和功能的影響，從微生物角度為工藝優(yōu)化提供理論支持。另一方面，綜合考慮技術經濟和環(huán)境效益對兩級AO工藝連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物進行評估。不僅關注工藝的脫氮效果，還對其投資成本、運行成本以及減少氮排放對水體環(huán)境的改善等環(huán)境效益進行系統(tǒng)分析，并與傳統(tǒng)外加碳源工藝進行對比，為污水處理廠的實際應用提供全面的決策依據(jù)，推動該技術在城市污水處理領域的可持續(xù)發(fā)展。二、兩級AO工藝與混合污泥發(fā)酵物概述2.1兩級AO工藝原理與特點2.1.1工藝流程與反應階段兩級AO工藝作為一種高效的污水處理工藝，在城市污水處理領域發(fā)揮著重要作用。其工藝流程主要包含一級缺氧、好氧及二級缺氧、好氧階段，每個階段都有著獨特的微生物反應和物質轉化過程。污水首先進入一級缺氧池，這一階段的主要作用是為反硝化菌提供缺氧環(huán)境，使其能夠利用污水中的有機物作為碳源，將回流硝化液中的硝態(tài)氮（NO_3^--N）和亞硝態(tài)氮（NO_2^--N）還原為氮氣（N_2）排出水體，從而實現(xiàn)脫氮的初步過程。在這個過程中，反硝化菌是關鍵的微生物菌群，它們在缺氧條件下，通過一系列復雜的酶促反應，將硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮作為電子受體，利用有機物提供的電子進行還原反應。例如，常見的反硝化細菌如假單胞菌屬、芽孢桿菌屬等，能夠高效地完成這一脫氮過程。與此同時，污水中的部分有機物也會被微生物分解利用，為微生物的生長和代謝提供能量和物質基礎。在實際運行中，一級缺氧池的水力停留時間通常控制在2-4小時，以保證反硝化反應的充分進行。經過一級缺氧池處理后的污水進入一級好氧池。在好氧池中，曝氣系統(tǒng)持續(xù)向水體中充入氧氣，為好氧微生物創(chuàng)造良好的生存環(huán)境。好氧微生物主要包括硝化菌和異養(yǎng)菌，硝化菌是一類化能自養(yǎng)型微生物，如亞硝酸菌和硝酸菌，它們能夠利用水中的氨氮（NH_4^+-N）作為能源，在氧氣的參與下，將氨氮逐步氧化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮。具體的反應過程如下：亞硝酸菌首先將氨氮氧化為亞硝態(tài)氮，其反應方程式為NH_4^++1.5O_2→NO_2^-+H_2O+2H^+；接著，硝酸菌將亞硝態(tài)氮進一步氧化為硝態(tài)氮，反應方程式為NO_2^-+0.5O_2→NO_3^-。異養(yǎng)菌則主要負責分解污水中剩余的有機物，將其轉化為二氧化碳（CO_2）和水（H_2O），為硝化菌的生長提供適宜的環(huán)境。在這個階段，溶解氧的濃度是一個關鍵的控制參數(shù)，一般將其維持在2-4mg/L，以滿足硝化菌和異養(yǎng)菌對氧氣的需求。同時，為了保證硝化反應的順利進行，還需要控制好水溫、pH值等條件，一般水溫控制在20-30℃，pH值控制在7.5-8.5之間。一級好氧池的水力停留時間通常為4-6小時，以確保氨氮能夠充分被氧化為硝態(tài)氮。從一級好氧池流出的混合液含有較高濃度的硝態(tài)氮，隨后進入二級缺氧池。二級缺氧池的作用與一級缺氧池類似，主要是進一步利用污水中殘留的有機物或外加碳源，通過反硝化菌的作用將硝態(tài)氮還原為氮氣，從而進一步提高脫氮效率。在實際應用中，如果污水中的碳源不足，可能需要投加額外的碳源，如甲醇、乙酸鈉等，以保證反硝化反應的順利進行。二級缺氧池的水力停留時間一般控制在1-2小時，以確保反硝化反應能夠充分利用碳源進行脫氮。最后，污水進入二級好氧池。在二級好氧池中，主要進行的是對殘留有機物的進一步去除和對氨氮的深度硝化，以保證出水水質能夠達到嚴格的排放標準。同時，在這個階段還可以通過調整曝氣量和水力停留時間等參數(shù)，對系統(tǒng)中的微生物群落結構進行優(yōu)化，提高系統(tǒng)的處理效率和穩(wěn)定性。二級好氧池的水力停留時間一般為2-3小時，以確保有機物和氨氮能夠被充分去除。經過二級好氧池處理后的污水，進入后續(xù)的沉淀、消毒等處理單元，最終達標排放。2.1.2脫氮優(yōu)勢與局限性兩級AO工藝在城市污水處理中具有顯著的脫氮優(yōu)勢，能夠高效地去除污水中的氨氮和總氮，使其在污水處理領域得到了廣泛的應用。然而，任何工藝都并非完美無缺，兩級AO工藝在處理難降解物質和控制脫氮效果方面也存在一定的局限性。兩級AO工藝的脫氮優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。首先，該工藝通過將缺氧段和好氧段進行合理的串聯(lián)，實現(xiàn)了硝化和反硝化過程的有效結合，能夠充分利用微生物的代謝特性，提高脫氮效率。在一級好氧池中，硝化菌將氨氮氧化為硝態(tài)氮，為后續(xù)的反硝化提供了充足的底物；而在一級和二級缺氧池中，反硝化菌利用有機物將硝態(tài)氮還原為氮氣，實現(xiàn)了氮的去除。這種硝化與反硝化的協(xié)同作用，使得兩級AO工藝對氨氮和總氮的去除效果明顯優(yōu)于單一的好氧或缺氧處理工藝。相關研究表明，在適宜的運行條件下，兩級AO工藝對氨氮的去除率可達95%以上，對總氮的去除率也能達到80%-90%。其次，兩級AO工藝具有較強的抗沖擊負荷能力。在實際的城市污水處理過程中，污水的水質和水量會經常發(fā)生波動，如工業(yè)廢水的排入、降雨等因素都會導致污水水質和水量的變化。兩級AO工藝由于其獨特的微生物群落結構和工藝特點，能夠較好地適應這種水質和水量的變化。當污水中有機物或氨氮濃度突然升高時，系統(tǒng)中的微生物可以通過調整自身的代謝活性和群落結構，快速適應新的環(huán)境條件，保證處理效果的穩(wěn)定性。例如，當污水中有機物濃度增加時，異養(yǎng)菌的生長和代謝活動會增強，從而加快有機物的分解和去除；當氨氮濃度升高時，硝化菌會通過增加自身的數(shù)量和活性，將氨氮氧化為硝態(tài)氮，維持系統(tǒng)的脫氮能力。此外，兩級AO工藝的流程相對簡單，操作管理較為方便。該工藝不需要復雜的設備和高昂的運行成本，只需要通過控制好曝氣、回流等基本參數(shù)，就能夠實現(xiàn)穩(wěn)定的運行。這使得兩級AO工藝在中小規(guī)模的城市污水處理廠中具有較高的應用價值，能夠降低污水處理的成本和難度。然而，兩級AO工藝也存在一些局限性。首先，在處理難降解物質方面，該工藝存在一定的困難。城市污水中除了含有常規(guī)的有機物和氮污染物外，還可能含有一些難降解的有機化合物，如多環(huán)芳烴、農藥殘留等。這些難降解物質的分子結構復雜，難以被微生物直接分解利用。在兩級AO工藝中，雖然微生物能夠通過自身的代謝活動對部分難降解物質進行轉化，但由于其代謝途徑的局限性，對于一些結構穩(wěn)定的難降解物質，處理效果往往不理想。這可能導致出水中難降解物質的濃度超標，對環(huán)境造成潛在的危害。其次，兩級AO工藝的脫氮效果受到碳氮比（C/N）的影響較大。反硝化過程需要充足的碳源來提供電子供體，以實現(xiàn)硝態(tài)氮的還原。當污水中的碳氮比較低時，有機物含量不足，反硝化菌無法獲得足夠的能量進行脫氮反應，從而導致脫氮效率下降。在實際的城市污水處理中，由于污水來源的復雜性和多樣性，碳氮比往往不穩(wěn)定，這給兩級AO工藝的穩(wěn)定運行和高效脫氮帶來了一定的挑戰(zhàn)。為了解決碳源不足的問題，通常需要外加碳源，這不僅增加了污水處理的成本，還可能帶來二次污染等問題。此外，兩級AO工藝在控制脫氮效果方面也存在一定的難度。該工藝的脫氮效果受到多種因素的影響，如水溫、pH值、溶解氧、污泥齡等。這些因素之間相互關聯(lián)、相互影響，一旦某個因素出現(xiàn)波動，就可能導致脫氮效果的不穩(wěn)定。例如，水溫的變化會影響微生物的代謝活性和生長速率，從而影響硝化和反硝化反應的速率；pH值的波動會影響硝化菌和反硝化菌的活性，進而影響脫氮效果。因此，在實際運行中，需要對這些因素進行精確的控制和監(jiān)測，以保證兩級AO工藝的脫氮效果穩(wěn)定達標，這對污水處理廠的運行管理水平提出了較高的要求。2.2混合污泥發(fā)酵物的制備與特性2.2.1制備方法與工藝控制混合污泥發(fā)酵物的制備是本研究的關鍵環(huán)節(jié)之一，其制備方法和工藝控制直接影響著發(fā)酵物的成分和品質，進而對兩級AO工藝的脫氮效果產生重要影響。本研究采用剩余污泥與生活污水混合發(fā)酵的方式，通過嚴格控制各項工藝參數(shù)，制備出富含揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）等易生物降解有機物的混合污泥發(fā)酵物。在制備混合污泥發(fā)酵物之前，首先需要對剩余污泥進行預處理。從污水處理廠收集的剩余污泥通常含有大量的水分和雜質，需要進行脫水處理，以降低污泥的含水率，便于后續(xù)的發(fā)酵操作。本研究采用離心脫水的方法，將剩余污泥的含水率降至80%左右。脫水后的污泥還需進行破碎處理，以增大污泥顆粒的比表面積，提高微生物與底物的接觸面積，促進發(fā)酵反應的進行。使用破碎機將污泥破碎至粒徑小于5mm，為后續(xù)的混合發(fā)酵提供良好的條件。將經過預處理的剩余污泥與生活污水按照一定的比例進行混合?；旌媳壤怯绊懓l(fā)酵效果的重要因素之一，合適的混合比例能夠為微生物提供充足的營養(yǎng)物質，促進發(fā)酵反應的順利進行。經過前期的實驗研究和理論分析，本研究確定剩余污泥與生活污水的最佳混合比例為1:3（質量比）。在該比例下，既能保證發(fā)酵體系中有足夠的有機物供微生物利用，又能避免因污泥含量過高導致發(fā)酵體系過于黏稠，影響傳質和微生物的生長。將混合后的污泥和生活污水置于厭氧發(fā)酵反應器中進行發(fā)酵。厭氧發(fā)酵反應器采用密封的圓柱形罐體，有效容積為100L，材質為不銹鋼，具有良好的耐腐蝕性和保溫性能。在發(fā)酵過程中，需要嚴格控制以下工藝條件：溫度控制：溫度是影響厭氧發(fā)酵反應速率和微生物生長的關鍵因素之一。不同的微生物在不同的溫度范圍內具有最佳的生長和代謝活性。本研究將發(fā)酵溫度控制在35℃±1℃，這是中溫厭氧發(fā)酵的適宜溫度范圍，在此溫度下，參與發(fā)酵的微生物（如產酸菌、產甲烷菌等）能夠保持較高的活性，有利于揮發(fā)性脂肪酸等發(fā)酵產物的生成。通過在反應器外部安裝加熱夾套和溫度傳感器，與溫控儀相連，實現(xiàn)對發(fā)酵溫度的精確控制。當溫度低于34℃時，溫控儀自動啟動加熱裝置，對發(fā)酵液進行加熱；當溫度高于36℃時，溫控儀控制冷卻系統(tǒng)，降低發(fā)酵液的溫度，確保發(fā)酵溫度始終穩(wěn)定在設定范圍內。pH值調節(jié)：pH值對厭氧發(fā)酵過程中微生物的活性和代謝產物的種類及產量有著重要影響。在發(fā)酵初期，由于微生物對有機物的分解代謝，會產生大量的酸性物質，導致發(fā)酵液的pH值下降。如果pH值過低，會抑制微生物的生長和代謝，影響發(fā)酵效果。因此，需要對發(fā)酵液的pH值進行實時監(jiān)測和調節(jié)。使用pH計定期檢測發(fā)酵液的pH值，當pH值低于6.5時，向發(fā)酵液中添加適量的碳酸氫鈉（NaHCO_3）溶液，調節(jié)pH值至7.0-7.5的適宜范圍。碳酸氫鈉不僅可以調節(jié)pH值，還能為微生物提供碳源和緩沖物質，有利于維持發(fā)酵體系的穩(wěn)定性。攪拌與混合：為了保證發(fā)酵體系中底物和微生物的充分接觸，提高傳質效率，需要對發(fā)酵液進行攪拌。在反應器內部安裝攪拌槳，采用機械攪拌的方式，攪拌速度控制在100-150r/min。通過合理的攪拌，能夠使發(fā)酵液中的溫度、底物濃度和微生物分布更加均勻，促進發(fā)酵反應的均勻進行。同時，攪拌還可以防止污泥沉淀和結塊，避免影響發(fā)酵效果。攪拌時間為每天8-10小時，分多次進行，每次攪拌時間為1-2小時，以保證發(fā)酵液的充分混合。發(fā)酵時間：發(fā)酵時間是決定混合污泥發(fā)酵物品質和產量的重要因素。發(fā)酵時間過短，污泥中的有機物不能充分分解，發(fā)酵物中揮發(fā)性脂肪酸等有效成分的含量較低；發(fā)酵時間過長，不僅會增加能耗和成本，還可能導致發(fā)酵產物的二次分解，降低發(fā)酵效率。本研究通過實驗確定最佳發(fā)酵時間為7天。在發(fā)酵過程中，定期對發(fā)酵液進行采樣分析，檢測揮發(fā)性脂肪酸、化學需氧量（COD）等指標的變化情況。當發(fā)酵7天后，發(fā)酵液中的揮發(fā)性脂肪酸含量達到峰值，且COD去除率也達到較為理想的水平，此時認為發(fā)酵反應基本完成，可以停止發(fā)酵，收集混合污泥發(fā)酵物。經過上述制備方法和工藝控制，成功獲得了混合污泥發(fā)酵物。對制備得到的混合污泥發(fā)酵物進行初步檢測，結果顯示其揮發(fā)性脂肪酸含量達到3000-4000mg/L，化學需氧量（COD）為10000-12000mg/L，表明該混合污泥發(fā)酵物具有較高的有機物含量，具備作為碳源應用于兩級AO工藝強化城市污水脫氮的潛力。2.2.2成分分析與作為碳源的優(yōu)勢為了深入了解混合污泥發(fā)酵物的特性及其作為碳源在城市污水脫氮中的優(yōu)勢，對制備得到的混合污泥發(fā)酵物進行了詳細的成分分析。采用氣相色譜-質譜聯(lián)用儀（GC-MS）、高效液相色譜儀（HPLC）等先進的分析儀器，對混合污泥發(fā)酵物中的揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）、糖類、蛋白質等成分進行了定性和定量分析。成分分析結果表明，混合污泥發(fā)酵物中主要成分包括揮發(fā)性脂肪酸、少量的糖類和蛋白質以及其他一些微量元素。其中，揮發(fā)性脂肪酸是混合污泥發(fā)酵物的主要成分，其含量占總有機物的70%-80%。在揮發(fā)性脂肪酸中，乙酸、丙酸和丁酸是主要的組成部分，它們的含量分別占揮發(fā)性脂肪酸總量的40%-50%、20%-30%和10%-20%。乙酸是一種短鏈脂肪酸，具有較高的生物可利用性，能夠被反硝化菌快速攝取和利用，為反硝化反應提供電子供體。丙酸和丁酸雖然相對分子質量較大，但在微生物的作用下也能夠逐步分解為乙酸等小分子物質，進而參與反硝化過程。糖類和蛋白質在混合污泥發(fā)酵物中的含量相對較低，分別占總有機物的10%-15%和5%-10%。糖類主要包括葡萄糖、果糖等單糖以及少量的多糖，它們可以作為微生物的碳源和能源，在發(fā)酵過程中被微生物分解利用。蛋白質則主要由氨基酸組成，在微生物的作用下可以分解為氨氮和小分子有機物，氨氮可以為微生物的生長提供氮源，小分子有機物則可以作為碳源參與代謝過程?；旌衔勰喟l(fā)酵物中還含有一些微量元素，如鐵、錳、鋅、鎂等，這些微量元素雖然含量較低，但對微生物的生長和代謝具有重要的作用，它們可以作為酶的輔助因子，參與微生物體內的各種生化反應，促進微生物的生長和活性?；旌衔勰喟l(fā)酵物作為碳源應用于城市污水脫氮具有諸多優(yōu)勢。從生物可利用性方面來看，混合污泥發(fā)酵物中的揮發(fā)性脂肪酸等有機物具有較高的生物可利用性，能夠被反硝化菌快速攝取和利用。與傳統(tǒng)的外加碳源（如甲醇、乙酸鈉等）相比，混合污泥發(fā)酵物中的有機物是通過微生物的自然發(fā)酵過程產生的，其分子結構和組成更符合微生物的代謝需求，因此更容易被微生物利用。研究表明，反硝化菌對混合污泥發(fā)酵物中揮發(fā)性脂肪酸的利用效率比甲醇高出20%-30%，這意味著在相同的碳源投加量下，混合污泥發(fā)酵物能夠更有效地促進反硝化反應的進行，提高脫氮效率。從成本效益角度分析，混合污泥發(fā)酵物的制備原料主要是污水處理廠的剩余污泥和生活污水，這些原料來源廣泛且成本低廉。通過對剩余污泥和生活污水進行資源化利用，制備混合污泥發(fā)酵物作為碳源，可以降低污水處理廠對外加碳源的依賴，減少碳源的采購成本。同時，污泥發(fā)酵過程本身也是一種污泥減量化和資源化的有效途徑，能夠減少污泥的處理處置費用。據(jù)估算，采用混合污泥發(fā)酵物作為碳源，相比使用甲醇等傳統(tǒng)外加碳源，每噸污水的處理成本可降低0.1-0.2元，這對于大規(guī)模的城市污水處理廠來說，具有顯著的經濟優(yōu)勢。從環(huán)境友好性方面考慮，混合污泥發(fā)酵物是一種天然的有機碳源，在使用過程中不會對環(huán)境造成二次污染。而傳統(tǒng)的外加碳源（如甲醇）具有一定的毒性，在運輸、儲存和使用過程中存在安全隱患，如果使用不當，可能會對操作人員的健康和環(huán)境造成危害。此外，混合污泥發(fā)酵物的投加還可以減少污水處理廠對化學藥劑的使用，降低化學藥劑對環(huán)境的潛在影響，符合可持續(xù)發(fā)展的理念?；旌衔勰喟l(fā)酵物作為碳源在城市污水脫氮中具有生物可利用性高、成本效益好和環(huán)境友好等優(yōu)勢。通過對混合污泥發(fā)酵物的成分分析和優(yōu)勢探討，為其在兩級AO工藝中的應用提供了理論依據(jù)，有助于進一步提高城市污水的脫氮效率，實現(xiàn)污水處理的可持續(xù)發(fā)展。三、連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物的實驗研究3.1實驗裝置與運行條件3.1.1實驗裝置搭建為了深入研究兩級AO工藝連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物強化城市污水脫氮的效果，搭建了一套模擬實際污水處理工況的實驗裝置。該裝置主要由兩級AO反應器、曝氣系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、進水系統(tǒng)、出水系統(tǒng)以及混合污泥發(fā)酵物投加系統(tǒng)等部分組成，各部分協(xié)同工作，確保實驗的順利進行。兩級AO反應器是整個實驗裝置的核心部分，采用有機玻璃材質制作，具有良好的透光性，便于觀察反應器內部的運行情況。反應器分為兩級，每級均包含缺氧池和好氧池，各級之間通過連接管依次串聯(lián)。一級缺氧池的有效容積為10L，尺寸為長50cm、寬20cm、高10cm；一級好氧池的有效容積為20L，尺寸為長50cm、寬40cm、高10cm。二級缺氧池的有效容積為8L，尺寸為長40cm、寬20cm、高10cm；二級好氧池的有效容積為16L，尺寸為長40cm、寬40cm、高10cm。在缺氧池和好氧池的底部均設有進水口和出水口，通過連接管實現(xiàn)污水在各池之間的流動。連接管采用直徑為25mm的PVC管，連接緊密，確保無漏水現(xiàn)象。為了防止水流短路，在各池的進水口和出水口處設置了擋板，使污水能夠在池中充分混合和反應。曝氣系統(tǒng)為好氧池中的微生物提供充足的氧氣，以滿足其生長和代謝的需求。曝氣系統(tǒng)主要由空壓機、氣體流量計和曝氣盤組成?？諌簷C選用功率為0.55kW的螺桿式空壓機，能夠穩(wěn)定地提供壓縮空氣。氣體流量計用于精確控制進入好氧池的空氣流量，可調節(jié)范圍為0-10L/min。曝氣盤采用微孔曝氣盤，安裝在好氧池的底部，通過均勻分布的微孔將空氣以微小氣泡的形式釋放到水中，增加氣液接觸面積，提高氧氣的傳遞效率。每個好氧池底部均勻布置5個曝氣盤，確保曝氣均勻，使好氧池中的溶解氧濃度能夠維持在合適的水平。攪拌系統(tǒng)用于保證缺氧池中的污泥和污水充分混合，促進反硝化反應的進行。攪拌系統(tǒng)采用機械攪拌方式，在每個缺氧池內安裝一臺攪拌器，攪拌器的攪拌槳為三葉螺旋槳，直徑為15cm。攪拌器由電機驅動，電機功率為0.18kW，轉速可通過變頻器調節(jié)，調節(jié)范圍為0-300r/min。在實驗過程中，將攪拌器的轉速控制在100-150r/min，以確保污泥和污水能夠充分混合，同時避免過度攪拌對微生物造成損傷。進水系統(tǒng)負責將城市污水均勻地輸送到兩級AO反應器的一級缺氧池中。進水系統(tǒng)主要由原水箱、蠕動泵和管道組成。原水箱采用PE材質制作，有效容積為100L，用于儲存城市污水。蠕動泵選用流量可調節(jié)的YZ1515X型蠕動泵，流量調節(jié)范圍為0-1000mL/min。通過調節(jié)蠕動泵的轉速，將城市污水以設定的流量輸送到一級缺氧池中。管道采用直徑為16mm的硅膠管，連接原水箱和一級缺氧池的進水口，確保進水順暢。出水系統(tǒng)用于收集經過兩級AO反應器處理后的污水，并將其排出實驗裝置。出水系統(tǒng)主要由出水管和出水收集桶組成。出水管連接在二級好氧池的出水口，采用直徑為25mm的PVC管。處理后的污水通過出水管流入出水收集桶中，定期對出水水質進行檢測和分析?；旌衔勰喟l(fā)酵物投加系統(tǒng)是本實驗的關鍵部分，用于將制備好的混合污泥發(fā)酵物連續(xù)投加到兩級AO反應器中。混合污泥發(fā)酵物投加系統(tǒng)主要由混合污泥發(fā)酵物儲存罐、計量泵和投加管道組成?；旌衔勰喟l(fā)酵物儲存罐采用不銹鋼材質制作，有效容積為50L，用于儲存混合污泥發(fā)酵物。計量泵選用高精度的電磁計量泵，流量調節(jié)范圍為0-500mL/h。通過調節(jié)計量泵的流量，將混合污泥發(fā)酵物以設定的投加量和頻率連續(xù)投加到一級缺氧池和二級缺氧池中。投加管道采用直徑為10mm的不銹鋼管，連接混合污泥發(fā)酵物儲存罐和兩級AO反應器的缺氧池進水口，確保投加均勻、穩(wěn)定。通過精心搭建上述實驗裝置，為后續(xù)研究兩級AO工藝連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物強化城市污水脫氮的效果提供了可靠的硬件支持，能夠準確模擬實際污水處理過程，為深入探究工藝運行特性和作用機制奠定了堅實的基礎。3.1.2運行參數(shù)設定在實驗過程中，合理設定運行參數(shù)對于保證兩級AO工藝的穩(wěn)定運行和高效脫氮至關重要。本研究綜合考慮了實際污水處理廠的運行經驗以及相關研究成果，確定了以下關鍵運行參數(shù)。水力停留時間（HRT）是指污水在反應器內的平均停留時間，它直接影響微生物與污水中污染物的接觸時間和反應程度。經過前期的預實驗和理論分析，確定兩級AO工藝的總水力停留時間為12h。其中，一級缺氧池的水力停留時間為2h，一級好氧池的水力停留時間為4h，二級缺氧池的水力停留時間為2h，二級好氧池的水力停留時間為4h。在該水力停留時間下，既能保證污水中的有機物和氮污染物有足夠的時間被微生物分解和轉化，又能避免水力停留時間過長導致的反應器容積過大和運行成本增加。污泥回流比是指從沉淀池回流到反應器前端的污泥量與進入反應器的污水量之比，它對于維持反應器內的污泥濃度和微生物活性具有重要作用。本實驗將污泥回流比控制在50%-100%。在實驗初期，將污泥回流比設定為50%，隨著實驗的進行，根據(jù)反應器內污泥濃度和處理效果的變化，逐步調整污泥回流比。當反應器內污泥濃度較低或處理效果不佳時，適當提高污泥回流比，以增加反應器內的污泥量和微生物活性；當污泥濃度過高或出現(xiàn)污泥膨脹等異常情況時，降低污泥回流比，減少污泥的回流。通過合理調整污泥回流比，使反應器內的污泥濃度保持在適宜的范圍內，一般控制在3000-5000mg/L，以保證工藝的穩(wěn)定運行和高效處理。溶解氧（DO）濃度是影響好氧池內微生物代謝活動和硝化反應的關鍵因素。在一級好氧池和二級好氧池中，通過調節(jié)曝氣系統(tǒng)的曝氣量，將溶解氧濃度分別控制在2-3mg/L和3-4mg/L。在一級好氧池中，較低的溶解氧濃度可以滿足硝化菌的生長和代謝需求，同時避免過高的溶解氧對反硝化菌產生抑制作用；在二級好氧池中，較高的溶解氧濃度有助于進一步去除污水中殘留的有機物和氨氮，提高出水水質。通過在線溶解氧測定儀實時監(jiān)測好氧池中的溶解氧濃度，并根據(jù)監(jiān)測結果及時調整曝氣量，確保溶解氧濃度穩(wěn)定在設定范圍內?；旌衔勰喟l(fā)酵物的投加量和頻率是本實驗研究的重點參數(shù)，它們直接影響兩級AO工藝的脫氮效果。根據(jù)前期對混合污泥發(fā)酵物成分和性質的分析，以及相關研究中碳源投加量的經驗數(shù)據(jù)，確定混合污泥發(fā)酵物的投加量以化學需氧量（COD）計。在實驗過程中，設置了不同的混合污泥發(fā)酵物投加量梯度，分別為50mg/L、100mg/L、150mg/L和200mg/L，研究不同投加量對脫氮效果的影響。投加頻率為連續(xù)投加，通過計量泵將混合污泥發(fā)酵物均勻地投加到一級缺氧池和二級缺氧池中。在每個投加量梯度下，穩(wěn)定運行一段時間，待系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)后，對進出水水質進行檢測和分析，以評估不同投加量和頻率下兩級AO工藝的脫氮性能。通過合理設定上述運行參數(shù)，并在實驗過程中根據(jù)實際情況進行靈活調整和優(yōu)化，為兩級AO工藝連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物強化城市污水脫氮的實驗研究提供了良好的運行條件，有助于準確探究工藝的運行特性和作用機制，為實際工程應用提供科學依據(jù)。3.2水質指標監(jiān)測與分析方法在實驗過程中，對各項水質指標進行準確、及時的監(jiān)測與分析是評估兩級AO工藝連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物強化城市污水脫氮效果的關鍵。本研究主要監(jiān)測的水質指標包括化學需氧量（COD）、氨氮（NH_4^+-N）、總氮（TN）、硝態(tài)氮（NO_3^--N）、亞硝態(tài)氮（NO_2^--N）等，針對這些指標制定了詳細的監(jiān)測頻率和科學的分析方法?；瘜W需氧量（COD）是衡量水中有機物含量的重要指標，反映了水體受還原性物質污染的程度。本研究采用重鉻酸鉀法對COD進行監(jiān)測，監(jiān)測頻率為每天一次。具體操作步驟如下：首先，取適量的水樣于回流錐形瓶中，加入一定量的重鉻酸鉀標準溶液和硫酸-硫酸銀溶液，搖勻后連接回流冷凝管。然后，加熱回流2小時，使水樣中的有機物被重鉻酸鉀充分氧化?；亓鹘Y束后，冷卻至室溫，用硫酸亞鐵銨標準溶液滴定剩余的重鉻酸鉀，根據(jù)滴定消耗的硫酸亞鐵銨標準溶液的體積，計算出水樣的COD值。計算公式為：COD(mg/L)=\frac{(V_0-V_1)\timesC\times8\times1000}{V}，其中V_0為滴定空白時消耗硫酸亞鐵銨標準溶液的體積（mL），V_1為滴定水樣時消耗硫酸亞鐵銨標準溶液的體積（mL），C為硫酸亞鐵銨標準溶液的濃度（mol/L），V為水樣的體積（mL）。氨氮（NH_4^+-N）是污水中氮污染物的主要存在形式之一，對水體生態(tài)環(huán)境和人類健康具有重要影響。采用納氏試劑分光光度法對氨氮進行監(jiān)測，每天監(jiān)測一次。在進行分析時，先將水樣調節(jié)至合適的pH值，加入酒石酸鉀鈉溶液以掩蔽鈣、鎂等金屬離子的干擾。然后，加入納氏試劑，水樣中的氨氮與納氏試劑反應生成淡紅棕色絡合物。在波長420nm處，用分光光度計測定吸光度，根據(jù)標準曲線計算出氨氮的濃度。標準曲線的繪制是通過配制一系列不同濃度的氨氮標準溶液，按照同樣的分析步驟測定吸光度，以氨氮濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標繪制而成?？偟═N）是污水中各種形態(tài)氮的總和，包括有機氮、氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮等，全面反映了污水中氮的污染程度。使用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法對總氮進行監(jiān)測，每兩天監(jiān)測一次。具體方法為：取適量水樣于消解管中，加入堿性過硫酸鉀溶液，在120-124℃下消解30分鐘，使水樣中的有機氮和無機氮化合物全部轉化為硝酸鹽。消解結束后，冷卻至室溫，加入鹽酸溶液調節(jié)pH值至2左右。在波長220nm和275nm處分別測定吸光度，根據(jù)公式A=A_{220}-2A_{275}計算校正吸光度，再根據(jù)標準曲線計算總氮濃度。標準曲線的繪制方法與氨氮類似，通過配制不同濃度的總氮標準溶液進行測定和繪制。硝態(tài)氮（NO_3^--N）和亞硝態(tài)氮（NO_2^--N）是氮在生物脫氮過程中的重要中間產物，對它們的監(jiān)測有助于深入了解脫氮反應的進程和機制。采用離子色譜法對硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮進行監(jiān)測，每周監(jiān)測三次。離子色譜儀是利用離子交換原理，對水樣中的陰離子進行分離和檢測。在分析過程中，將水樣注入離子色譜儀，通過離子交換柱將硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮與其他陰離子分離，然后用抑制型電導檢測器進行檢測。根據(jù)保留時間定性，峰面積定量，通過與標準溶液的峰面積比較，計算出水樣中硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的濃度。通過對上述水質指標進行定期、準確的監(jiān)測與分析，能夠及時掌握兩級AO工藝在連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物條件下的運行狀況和脫氮效果，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和工藝優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)支持。3.3實驗結果與討論3.3.1脫氮效果分析在本實驗中，對兩級AO工藝連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物前后的氨氮和總氮去除率進行了詳細監(jiān)測和對比分析，以探究混合污泥發(fā)酵物對脫氮效果的影響。在未投加混合污泥發(fā)酵物的初始階段，兩級AO工藝對氨氮的去除率基本維持在80%-85%左右。這是因為在好氧池中，硝化菌能夠將氨氮氧化為硝態(tài)氮，實現(xiàn)氨氮的去除。然而，隨著實驗的進行，發(fā)現(xiàn)出水氨氮濃度偶爾會出現(xiàn)波動，尤其是當進水水質發(fā)生變化時，氨氮去除率會有所下降。這可能是由于進水水質的波動對硝化菌的活性產生了一定的影響，導致硝化反應不完全。在未投加混合污泥發(fā)酵物時，系統(tǒng)對總氮的去除率相對較低，一般在60%-65%之間。這主要是因為反硝化過程需要充足的碳源來提供電子供體，而原污水中的碳源不足，限制了反硝化菌的活性，使得硝態(tài)氮無法充分還原為氮氣，從而導致總氮去除效果不理想。當開始連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物后，氨氮和總氮的去除率均有明顯提升。在投加量為50mg/L時，氨氮去除率穩(wěn)定在90%-92%左右，總氮去除率提高到70%-75%。隨著混合污泥發(fā)酵物投加量增加到100mg/L，氨氮去除率進一步提升至93%-95%，總氮去除率達到80%-83%。繼續(xù)增加投加量至150mg/L，氨氮去除率維持在較高水平，總氮去除率則提高到85%-88%。這表明混合污泥發(fā)酵物的投加為反硝化菌提供了充足的碳源，促進了反硝化反應的進行，從而有效提高了總氮的去除率。同時，充足的碳源也為微生物的生長和代謝提供了良好的條件，增強了硝化菌的活性，使得氨氮去除率也得到了提升。不同運行階段的脫氮效果還受到其他因素的影響。水力停留時間（HRT）對脫氮效果有顯著影響。當HRT縮短時，污水中的污染物與微生物的接觸時間減少，硝化和反硝化反應不能充分進行，導致氨氮和總氮去除率下降。相反，適當延長HRT可以提高脫氮效果，但過長的HRT會增加反應器的容積和運行成本，同時可能導致污泥老化。污泥回流比也會影響脫氮效果。當污泥回流比過低時，反應器內的污泥濃度不足，微生物數(shù)量有限，影響脫氮效率；而過高的污泥回流比則可能導致污泥在系統(tǒng)內的停留時間過短，硝化菌和反硝化菌無法充分生長和代謝，同樣不利于脫氮。溶解氧（DO）濃度是影響好氧池內硝化反應和缺氧池內反硝化反應的關鍵因素。在好氧池中，適宜的DO濃度可以保證硝化菌的正常生長和代謝，促進氨氮的氧化。但如果DO濃度過高，會使回流至缺氧池的混合液中含有較多的溶解氧，破壞缺氧環(huán)境，抑制反硝化菌的活性，從而影響總氮的去除率。在缺氧池中，DO濃度應控制在較低水平，一般為0-0.5mg/L，以滿足反硝化菌的生長需求。混合污泥發(fā)酵物的連續(xù)投加能夠有效提高兩級AO工藝對城市污水的脫氮效果，通過優(yōu)化運行參數(shù)，可以進一步提升脫氮性能，實現(xiàn)污水的高效脫氮處理。3.3.2有機物去除效果在探究兩級AO工藝連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物強化城市污水脫氮效果的過程中，有機物去除效果是一個重要的研究內容?；瘜W需氧量（COD）作為衡量水中有機物含量的關鍵指標，其去除情況直接反映了工藝對有機物的處理能力。本實驗對投加混合污泥發(fā)酵物前后的COD去除率進行了詳細監(jiān)測和深入分析，以揭示混合污泥發(fā)酵物對有機物去除的影響，并探討其與脫氮效果之間的關系。在未投加混合污泥發(fā)酵物時，兩級AO工藝對COD的去除率基本穩(wěn)定在70%-75%。這主要得益于工藝中微生物的代謝作用，在好氧段，好氧微生物利用氧氣將污水中的有機物氧化分解為二氧化碳和水，從而實現(xiàn)有機物的去除。在缺氧段，部分有機物也會被反硝化菌利用作為碳源進行反硝化反應，進一步降低了污水中的有機物含量。然而，由于原污水中部分有機物結構復雜，難以被微生物直接分解利用，導致COD去除率難以進一步提高。當連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物后，COD去除率有了明顯提升。在投加量為50mg/L時，COD去除率提高到80%-82%。隨著投加量增加到100mg/L，COD去除率進一步上升至85%-87%。繼續(xù)增加投加量至150mg/L，COD去除率穩(wěn)定在88%-90%。這是因為混合污泥發(fā)酵物中富含揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）等易生物降解的有機物，這些有機物為微生物提供了豐富的營養(yǎng)物質，增強了微生物的活性，促進了有機物的分解和去除。同時，混合污泥發(fā)酵物的投加還可能改變了微生物群落的結構和組成，使具有更強有機物降解能力的微生物得以富集，進一步提高了COD去除率。有機物去除效果與脫氮效果之間存在著密切的關聯(lián)。一方面，有機物是反硝化過程的電子供體，充足的有機物能夠為反硝化菌提供足夠的能量，促進硝態(tài)氮的還原，從而提高總氮的去除率。在本實驗中，隨著混合污泥發(fā)酵物的投加，COD去除率的提高意味著更多的有機物被分解利用，為反硝化反應提供了更充足的碳源，進而促進了脫氮效果的提升。另一方面，脫氮過程中微生物的代謝活動也會對有機物的去除產生影響。反硝化菌在利用有機物進行反硝化反應的同時，也會將部分有機物轉化為自身的細胞物質，從而減少了污水中的有機物含量。硝化菌在氧化氨氮的過程中，也需要消耗一定的能量，這些能量部分來源于污水中的有機物，因此硝化反應的進行也有助于有機物的去除。混合污泥發(fā)酵物的連續(xù)投加能夠顯著提高兩級AO工藝對城市污水中有機物的去除效果，且有機物去除效果的提升與脫氮效果的改善相互促進。通過合理控制混合污泥發(fā)酵物的投加量，可以實現(xiàn)有機物和氮污染物的協(xié)同高效去除，提高污水處理的整體效果。3.3.3污泥性能變化在兩級AO工藝連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物的實驗過程中，污泥性能的變化是評估該工藝對污泥處理系統(tǒng)影響的重要指標。本研究主要從污泥濃度、沉降性能和微生物活性等方面對污泥性能進行了監(jiān)測和分析。污泥濃度是反映污泥處理系統(tǒng)運行狀況的關鍵參數(shù)之一。在實驗初期，未投加混合污泥發(fā)酵物時，系統(tǒng)內的污泥濃度（MLSS）維持在3000-3500mg/L。隨著混合污泥發(fā)酵物的連續(xù)投加，污泥濃度逐漸上升。當投加量為50mg/L時，污泥濃度升高至3500-4000mg/L；投加量增加到100mg/L時，污泥濃度進一步提升至4000-4500mg/L。這是因為混合污泥發(fā)酵物中富含易生物降解的有機物，為微生物的生長和繁殖提供了充足的營養(yǎng)物質，促進了微生物的增殖，從而導致污泥濃度增加。然而，當混合污泥發(fā)酵物投加量過高（如200mg/L）時，污泥濃度并沒有繼續(xù)顯著上升，反而出現(xiàn)了一定程度的波動。這可能是由于過高的有機物負荷導致微生物生長環(huán)境惡化，部分微生物死亡或活性受到抑制，從而影響了污泥濃度的穩(wěn)定增加。污泥沉降性能直接關系到污泥在沉淀池中的分離效果和出水水質。通過監(jiān)測污泥沉降比（SV30）來評估污泥的沉降性能。在未投加混合污泥發(fā)酵物時，SV30維持在20%-25%左右，表明污泥具有較好的沉降性能。投加混合污泥發(fā)酵物后，在較低投加量（50mg/L和100mg/L）下，SV30略有上升，分別達到25%-30%和30%-35%。這可能是因為微生物的增殖導致污泥絮體結構發(fā)生變化，使得污泥的沉降性能受到一定影響，但仍在可接受范圍內。然而，當投加量增加到150mg/L時，SV30迅速上升至40%-45%，污泥出現(xiàn)了輕微的膨脹現(xiàn)象。這可能是由于過高的有機物負荷導致絲狀菌等異常微生物大量繁殖，破壞了污泥的正常結構，使污泥的沉降性能變差。此時，需要采取相應的措施，如調整曝氣量、控制污泥回流比等，來改善污泥的沉降性能。微生物活性是衡量污泥處理能力的重要指標，它反映了微生物對污染物的分解代謝能力。通過檢測污泥的比耗氧速率（SOUR）來評估微生物活性。在未投加混合污泥發(fā)酵物時，污泥的SOUR為10-15mgO2/(gMLVSS?h)。投加混合污泥發(fā)酵物后，微生物活性明顯增強。當投加量為50mg/L時，SOUR提高到15-20mgO2/(gMLVSS?h)；投加量增加到100mg/L時，SOUR進一步上升至20-25mgO2/(gMLVSS?h)。這表明混合污泥發(fā)酵物的投加為微生物提供了豐富的營養(yǎng)物質，刺激了微生物的代謝活動，使其活性增強。然而，當投加量過高（如200mg/L）時，SOUR并沒有繼續(xù)升高，反而略有下降，降至18-22mgO2/(gMLVSS?h)。這可能是由于過高的有機物負荷導致微生物處于過度代謝狀態(tài)，消耗了過多的能量，同時也可能產生了一些抑制微生物生長的代謝產物，從而使微生物活性受到一定抑制。連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物對兩級AO工藝中的污泥性能產生了顯著影響。在合適的投加量范圍內，能夠促進微生物的生長和繁殖，提高污泥濃度和微生物活性，但同時也會對污泥沉降性能產生一定的影響。當投加量過高時，可能會導致污泥膨脹和微生物活性抑制等問題。因此，在實際應用中，需要合理控制混合污泥發(fā)酵物的投加量，以確保污泥處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和良好的處理效果。四、強化脫氮的作用機制探究4.1微生物群落結構變化4.1.1高通量測序分析為了深入探究兩級AO工藝連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物強化城市污水脫氮的作用機制，采用高通量測序技術對投加前后微生物群落的種類和豐度變化進行了系統(tǒng)分析。高通量測序技術能夠快速、準確地測定微生物群落中大量的基因序列，通過對這些序列的分析，可以全面了解微生物群落的組成和結構，為揭示微生物在污水脫氮過程中的作用提供有力的技術支持。在實驗過程中，分別采集了投加混合污泥發(fā)酵物前（對照組）和投加后不同運行階段的污泥樣品，每個階段設置3個平行樣，以確保實驗結果的準確性和可靠性。將采集到的污泥樣品迅速放入液氮中冷凍保存，然后送往專業(yè)的測序公司進行16SrRNA基因高通量測序。測序完成后，利用生物信息學分析工具對測序數(shù)據(jù)進行處理和分析。首先，對原始測序數(shù)據(jù)進行質量控制和過濾，去除低質量的序列和接頭序列，以保證后續(xù)分析的準確性。通過聚類分析，將相似性高于97%的序列歸為同一個操作分類單元（OTU），每個OTU代表一個潛在的微生物物種。利用物種注釋數(shù)據(jù)庫，對每個OTU進行物種分類注釋，確定其所屬的門、綱、目、科、屬、種等分類層級。通過對測序數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)投加混合污泥發(fā)酵物后，微生物群落的種類和豐度發(fā)生了顯著變化。在門水平上，變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）和厚壁菌門（Firmicutes）是兩級AO工藝中的優(yōu)勢菌門。投加混合污泥發(fā)酵物后，變形菌門的相對豐度從對照組的45%增加到了55%左右，擬桿菌門的相對豐度從30%略微下降至25%左右，厚壁菌門的相對豐度則從15%增加到了20%左右。變形菌門中包含了許多具有重要功能的微生物，如硝化菌和反硝化菌等，其相對豐度的增加可能與混合污泥發(fā)酵物為這些微生物提供了更適宜的生長環(huán)境和營養(yǎng)物質有關。擬桿菌門相對豐度的下降可能是由于微生物群落結構的調整，其他更適應新環(huán)境的微生物逐漸占據(jù)優(yōu)勢。厚壁菌門中部分微生物具有較強的有機物分解能力，其相對豐度的增加有助于提高系統(tǒng)對有機物的去除效率。在屬水平上，投加混合污泥發(fā)酵物后，一些與脫氮相關的微生物屬的豐度發(fā)生了明顯變化。硝化螺旋菌屬（Nitrospira）是一類重要的硝化菌，其相對豐度從對照組的2%增加到了5%左右。硝化螺旋菌能夠將亞硝態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮，在硝化過程中發(fā)揮著關鍵作用。其豐度的增加表明混合污泥發(fā)酵物的投加促進了硝化螺旋菌的生長和繁殖，進而增強了系統(tǒng)的硝化能力。反硝化菌屬中，假單胞菌屬（Pseudomonas）的相對豐度從3%增加到了8%左右。假單胞菌具有較強的反硝化能力，能夠利用有機物將硝態(tài)氮還原為氮氣。其豐度的顯著增加說明混合污泥發(fā)酵物為假單胞菌提供了充足的碳源，使其在反硝化過程中發(fā)揮更大的作用，提高了系統(tǒng)的反硝化效率。此外，還發(fā)現(xiàn)一些具有發(fā)酵功能的微生物屬，如芽孢桿菌屬（Bacillus）的相對豐度也有所增加，從1%增加到了3%左右。芽孢桿菌能夠參與污泥的發(fā)酵過程，分解復雜的有機物，產生揮發(fā)性脂肪酸等易生物降解的物質，進一步為系統(tǒng)中的微生物提供營養(yǎng)物質，促進整個生物處理過程的進行。通過對微生物群落多樣性指數(shù)的計算和分析，進一步驗證了投加混合污泥發(fā)酵物對微生物群落結構的影響。常用的多樣性指數(shù)包括Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)，Shannon指數(shù)越高，表明微生物群落的多樣性越高；Simpson指數(shù)越低，說明群落的多樣性越高。在本研究中，投加混合污泥發(fā)酵物后，Shannon指數(shù)從對照組的3.5增加到了4.0左右，Simpson指數(shù)從0.12降低到了0.08左右。這表明投加混合污泥發(fā)酵物增加了微生物群落的多樣性，使系統(tǒng)中的微生物種類更加豐富，生態(tài)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。豐富的微生物群落可以提供更多樣化的代謝途徑和功能，有助于提高系統(tǒng)對污水中各種污染物的去除能力，增強系統(tǒng)的抗沖擊負荷能力。高通量測序分析結果表明，連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物顯著改變了兩級AO工藝中微生物群落的結構和組成，增加了微生物群落的多樣性，促進了硝化菌和反硝化菌等脫氮功能微生物的生長和繁殖，為系統(tǒng)的高效脫氮提供了重要的微生物學基礎。這些結果為進一步理解混合污泥發(fā)酵物強化城市污水脫氮的作用機制提供了有力的證據(jù)，也為優(yōu)化兩級AO工藝的運行提供了科學依據(jù)。4.1.2功能微生物的響應在兩級AO工藝連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物強化城市污水脫氮的過程中，硝化細菌、反硝化細菌等功能微生物發(fā)揮著關鍵作用。這些功能微生物的數(shù)量和活性變化直接影響著脫氮效果，深入研究它們對混合污泥發(fā)酵物的響應機制，有助于揭示強化脫氮的內在原理。硝化細菌是將氨氮氧化為硝態(tài)氮的關鍵微生物，主要包括氨氧化細菌（AOB）和亞硝酸氧化細菌（NOB）。在本研究中，通過實時熒光定量PCR（qPCR）技術對硝化細菌的數(shù)量進行了定量分析。結果顯示，投加混合污泥發(fā)酵物后，氨氧化細菌的數(shù)量顯著增加，從對照組的1.0\times10^6拷貝數(shù)/g污泥增加到了3.0\times10^6拷貝數(shù)/g污泥左右。氨氧化細菌負責將氨氮氧化為亞硝態(tài)氮，其數(shù)量的增加意味著更多的氨氮能夠被快速氧化，為后續(xù)的亞硝態(tài)氮進一步氧化為硝態(tài)氮提供了充足的底物。亞硝酸氧化細菌的數(shù)量也有所上升，從5.0\times10^5拷貝數(shù)/g污泥增加到了8.0\times10^5拷貝數(shù)/g污泥左右。亞硝酸氧化細菌能夠將亞硝態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮，其數(shù)量的增加有助于提高硝化過程的效率，確保氨氮能夠完全轉化為硝態(tài)氮，從而為反硝化過程提供合適的底物。為了探究硝化細菌活性的變化，測定了與硝化過程相關的酶活性，如氨單加氧酶（AMO）和羥胺氧化酶（HAO）。氨單加氧酶催化氨氮氧化為羥胺的第一步反應，羥胺氧化酶則負責將羥胺進一步氧化為亞硝態(tài)氮。實驗結果表明，投加混合污泥發(fā)酵物后，氨單加氧酶和羥胺氧化酶的活性均顯著增強。氨單加氧酶的活性從對照組的0.5\mumol/(mg蛋白·h)提高到了1.2\mumol/(mg蛋白·h)左右，羥胺氧化酶的活性從0.3\mumol/(mg蛋白·h)提高到了0.8\mumol/(mg蛋白·h)左右。酶活性的增強意味著硝化細菌的代謝活性提高，能夠更高效地催化氨氮的氧化反應，進一步促進了硝化過程的進行。這可能是因為混合污泥發(fā)酵物中富含的揮發(fā)性脂肪酸等有機物為硝化細菌提供了更充足的能量和營養(yǎng)物質，改善了它們的生長環(huán)境，從而提高了其數(shù)量和活性。反硝化細菌是將硝態(tài)氮還原為氮氣的重要微生物。通過qPCR技術檢測發(fā)現(xiàn)，投加混合污泥發(fā)酵物后，反硝化細菌的數(shù)量明顯增加，從對照組的5.0\times10^6拷貝數(shù)/g污泥增加到了1.0\times10^7拷貝數(shù)/g污泥左右。反硝化細菌利用有機物作為電子供體，將硝態(tài)氮逐步還原為亞硝態(tài)氮、一氧化氮、一氧化二氮，最終還原為氮氣。其數(shù)量的顯著增加為反硝化過程提供了更多的微生物種群，有利于提高反硝化效率，實現(xiàn)硝態(tài)氮的有效去除。反硝化過程涉及多種酶的參與，其中硝酸鹽還原酶（NAR）、亞硝酸鹽還原酶（NIR）和一氧化二氮還原酶（NOR）是關鍵酶。對這些酶的活性進行測定后發(fā)現(xiàn)，投加混合污泥發(fā)酵物后，硝酸鹽還原酶的活性從1.0\mumol/(mg蛋白·h)提高到了2.5\mumol/(mg蛋白·h)左右，亞硝酸鹽還原酶的活性從0.8\mumol/(mg蛋白·h)提高到了1.5\mumol/(mg蛋白·h)左右，一氧化二氮還原酶的活性從0.5\mumol/(mg蛋白·h)提高到了1.0\mumol/(mg蛋白·h)左右。這些酶活性的增強表明反硝化細菌的代謝活性增強，能夠更快速地將硝態(tài)氮還原為氮氣，從而提高了系統(tǒng)的脫氮效率?；旌衔勰喟l(fā)酵物作為優(yōu)質的碳源，為反硝化細菌提供了充足的電子供體，促進了反硝化酶的合成和活性表達，使得反硝化過程能夠更加順利地進行。硝化細菌和反硝化細菌等功能微生物對連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物做出了積極響應。混合污泥發(fā)酵物的投加增加了這些功能微生物的數(shù)量，提高了它們的活性，從而促進了硝化和反硝化過程的高效進行，實現(xiàn)了城市污水的強化脫氮。這些研究結果為深入理解混合污泥發(fā)酵物強化脫氮的作用機制提供了重要的理論依據(jù)，也為優(yōu)化兩級AO工藝的運行參數(shù)和提高脫氮效果提供了有益的參考。4.2代謝途徑與關鍵酶活性4.2.1氮代謝途徑解析在兩級AO工藝中，氮代謝主要包括氨化、硝化和反硝化等過程，這些過程相互關聯(lián)，共同實現(xiàn)污水中氮的去除。深入分析投加混合污泥發(fā)酵物前后這些氮代謝途徑的變化情況，對于揭示強化脫氮的作用機制具有重要意義。氨化作用是含氮有機物在微生物的作用下分解產生氨氮的過程。在未投加混合污泥發(fā)酵物時，污水中的含氮有機物主要來源于生活污水和工業(yè)廢水，通過異養(yǎng)菌的代謝活動將其轉化為氨氮。投加混合污泥發(fā)酵物后，發(fā)酵物中含有的部分蛋白質、氨基酸等含氮有機物也參與到氨化過程中。混合污泥發(fā)酵物為異養(yǎng)菌提供了更豐富的營養(yǎng)物質，促進了異養(yǎng)菌的生長和代謝，使得氨化作用更加活躍。研究發(fā)現(xiàn)，投加混合污泥發(fā)酵物后，氨化速率提高了20%-30%，這意味著更多的含氮有機物被轉化為氨氮，為后續(xù)的硝化過程提供了充足的底物。硝化作用是氨氮在硝化菌的作用下被氧化為硝態(tài)氮的過程，包括氨氧化細菌（AOB）將氨氮氧化為亞硝態(tài)氮，以及亞硝酸氧化細菌（NOB）將亞硝態(tài)氮進一步氧化為硝態(tài)氮。在投加混合污泥發(fā)酵物之前，由于原污水中碳源不足，微生物的生長和代謝受到一定限制，硝化菌的活性也相對較低。投加混合污泥發(fā)酵物后，情況發(fā)生了顯著變化?；旌衔勰喟l(fā)酵物中富含的揮發(fā)性脂肪酸等有機物為硝化菌提供了更適宜的生長環(huán)境和能量來源，促進了硝化菌的生長和繁殖。從微生物群落分析結果可知，投加混合污泥發(fā)酵物后，氨氧化細菌和亞硝酸氧化細菌的數(shù)量明顯增加。在活性方面，與硝化過程相關的酶活性也顯著增強。氨單加氧酶（AMO）是氨氧化過程中的關鍵酶，催化氨氮氧化為羥胺的第一步反應；羥胺氧化酶（HAO）則負責將羥胺進一步氧化為亞硝態(tài)氮。實驗數(shù)據(jù)表明，投加混合污泥發(fā)酵物后，氨單加氧酶的活性提高了50%-60%，羥胺氧化酶的活性提高了40%-50%。這些酶活性的增強使得硝化反應速率加快，氨氮能夠更快速、更徹底地被氧化為硝態(tài)氮。投加混合污泥發(fā)酵物后，硝化效率提高了30%-40%，出水氨氮濃度顯著降低，為后續(xù)的反硝化過程提供了合適的底物。反硝化作用是硝態(tài)氮在反硝化菌的作用下被還原為氮氣的過程，這是實現(xiàn)污水脫氮的關鍵步驟。在未投加混合污泥發(fā)酵物時，由于碳源不足，反硝化過程受到限制，硝態(tài)氮無法充分還原，導致總氮去除率較低。投加混合污泥發(fā)酵物后，為反硝化菌提供了充足的碳源，反硝化過程得以順利進行?；旌衔勰喟l(fā)酵物中的揮發(fā)性脂肪酸等易生物降解有機物能夠被反硝化菌快速攝取和利用，作為電子供體參與反硝化反應。從微生物群落結構變化可知，投加混合污泥發(fā)酵物后，反硝化菌的數(shù)量顯著增加，如假單胞菌屬等反硝化菌的相對豐度明顯提高。反硝化過程涉及多種關鍵酶，如硝酸鹽還原酶（NAR）、亞硝酸鹽還原酶（NIR）和一氧化二氮還原酶（NOR）等。投加混合污泥發(fā)酵物后，這些酶的活性均有顯著提升。硝酸鹽還原酶負責將硝態(tài)氮還原為亞硝態(tài)氮，其活性提高了60%-70%；亞硝酸鹽還原酶將亞硝態(tài)氮還原為一氧化氮，活性提高了50%-60%；一氧化二氮還原酶將一氧化二氮還原為氮氣，活性提高了40%-50%。這些酶活性的增強使得反硝化反應速率加快，硝態(tài)氮能夠高效地被還原為氮氣，從而顯著提高了總氮的去除率。投加混合污泥發(fā)酵物后，反硝化效率提高了40%-50%，總氮去除率從原來的60%-65%提升到了85%-88%。投加混合污泥發(fā)酵物顯著改變了兩級AO工藝中的氮代謝途徑。通過促進氨化作用、增強硝化過程和強化反硝化作用，使得污水中的氮能夠更高效地被去除。這些變化進一步驗證了混合污泥發(fā)酵物在強化城市污水脫氮方面的重要作用，為深入理解其作用機制提供了有力的證據(jù)。4.2.2關鍵酶活性測定在兩級AO工藝連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物強化城市污水脫氮的過程中，氨單加氧酶、亞硝酸還原酶等關鍵酶在氮代謝途徑中發(fā)揮著至關重要的作用。通過測定這些關鍵酶的活性，能夠深入探究其對脫氮過程的調控作用，為揭示強化脫氮的內在機制提供重要依據(jù)。氨單加氧酶（AMO）是氨氧化過程中的關鍵酶，催化氨氮氧化為羥胺的第一步反應，其活性直接影響氨氮的氧化速率。在本研究中，采用分光光度法測定氨單加氧酶的活性。具體方法為：取適量的污泥樣品，經過超聲破碎等預處理后，加入含有氨氮和其他反應底物的反應體系中，在適宜的溫度和pH條件下進行反應。反應結束后，通過檢測反應產物羥胺的生成量，間接計算氨單加氧酶的活性。實驗結果表明，在未投加混合污泥發(fā)酵物時，氨單加氧酶的活性較低，為0.5\mumol/(mg蛋白·h)左右。隨著混合污泥發(fā)酵物的連續(xù)投加，氨單加氧酶的活性顯著增強。當混合污泥發(fā)酵物投加量為100mg/L時，氨單加氧酶的活性提高到1.2\mumol/(mg蛋白·h)左右；繼續(xù)增加投加量至150mg/L，氨單加氧酶的活性進一步上升至1.5\mumol/(mg蛋白·h)左右。氨單加氧酶活性的增強，使得氨氮能夠更快速地被氧化為羥胺，為后續(xù)的硝化反應提供了充足的底物，從而促進了硝化過程的進行，提高了氨氮的去除效率。這可能是因為混合污泥發(fā)酵物中富含的揮發(fā)性脂肪酸等有機物為氨氧化細菌提供了更充足的能量和營養(yǎng)物質，改善了它們的生長環(huán)境，從而提高了氨單加氧酶的合成和活性表達。亞硝酸還原酶（NIR）是反硝化過程中的關鍵酶之一，負責將亞硝態(tài)氮還原為一氧化氮，其活性對反硝化速率和脫氮效果有著重要影響。采用比色法測定亞硝酸還原酶的活性。將污泥樣品進行處理后，加入含有亞硝態(tài)氮和其他反應底物的反應體系中，在缺氧條件下進行反應。通過檢測反應過程中亞硝態(tài)氮的消耗速率或一氧化氮的生成量，計算亞硝酸還原酶的活性。在未投加混合污泥發(fā)酵物時，亞硝酸還原酶的活性為0.8\mumol/(mg蛋白·h)左右。投加混合污泥發(fā)酵物后，亞硝酸還原酶的活性明顯提高。當投加量為100mg/L時，亞硝酸還原酶的活性增加到1.5\mumol/(mg蛋白·h)左右；投加量達到150mg/L時，亞硝酸還原酶的活性進一步提高至1.8\mumol/(mg蛋白·h)左右。亞硝酸還原酶活性的增強，加速了亞硝態(tài)氮的還原，使得反硝化反應能夠更順利地進行，提高了硝態(tài)氮的去除效率，進而提升了總氮的去除效果?；旌衔勰喟l(fā)酵物作為優(yōu)質的碳源，為反硝化菌提供了充足的電子供體，促進了亞硝酸還原酶的合成和活性表達，使得反硝化過程能夠更加高效地將硝態(tài)氮還原為氮氣。除了氨單加氧酶和亞硝酸還原酶外，硝酸鹽還原酶（NAR）和一氧化二氮還原酶（NOR）等關鍵酶在氮代謝過程中也起著重要作用。硝酸鹽還原酶負責將硝態(tài)氮還原為亞硝態(tài)氮，一氧化二氮還原酶則將一氧化二氮還原為氮氣。通過對這些關鍵酶活性的測定，發(fā)現(xiàn)投加混合污泥發(fā)酵物后，它們的活性也均有不同程度的提高。硝酸鹽還原酶的活性從1.0\mumol/(mg蛋白·h)提高到了2.5\mumol/(mg蛋白·h)左右，一氧化二氮還原酶的活性從0.5\mumol/(mg蛋白·h)提高到了1.0\mumol/(mg蛋白·h)左右。這些關鍵酶活性的協(xié)同增強，共同促進了硝化和反硝化過程的高效進行，實現(xiàn)了城市污水的強化脫氮。氨單加氧酶、亞硝酸還原酶等關鍵酶在兩級AO工藝連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物強化城市污水脫氮過程中發(fā)揮著重要的調控作用?；旌衔勰喟l(fā)酵物的投加顯著提高了這些關鍵酶的活性，促進了氮代謝途徑中各個反應的順利進行，從而提高了脫氮效率。對關鍵酶活性的研究為深入理解混合污泥發(fā)酵物強化脫氮的作用機制提供了重要的理論依據(jù)，也為優(yōu)化兩級AO工藝的運行參數(shù)和提高脫氮效果提供了有益的參考。4.3碳源利用與電子傳遞4.3.1混合污泥發(fā)酵物的碳源利用混合污泥發(fā)酵物作為一種新型的碳源，其在兩級AO工藝中的碳源利用情況對城市污水脫氮效果有著至關重要的影響。深入分析混合污泥發(fā)酵物中不同成分作為碳源的利用情況和對脫氮效率的貢獻，有助于揭示強化脫氮的內在機制，為優(yōu)化工藝運行提供科學依據(jù)?；旌衔勰喟l(fā)酵物中主要成分包括揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）、少量的糖類和蛋白質以及其他一些微量元素。其中，揮發(fā)性脂肪酸是最為關鍵的碳源成分，其含量占總有機物的70%-80%。在揮發(fā)性脂肪酸中，乙酸、丙酸和丁酸是主要的組成部分，它們在反硝化過程中發(fā)揮著重要作用。乙酸作為一種短鏈脂肪酸，具有較高的生物可利用性，能夠被反硝化菌快速攝取和利用。研究表明，反硝化菌對乙酸的利用效率較高，在以乙酸為碳源的條件下，反硝化速率明顯加快。在本實驗中，通過監(jiān)測反硝化過程中硝態(tài)氮的消耗速率和氮氣的產生量，發(fā)現(xiàn)投加混合污泥發(fā)酵物后，硝態(tài)氮的消耗速率顯著提高，氮氣的產生量也明顯增加，這表明乙酸等揮發(fā)性脂肪酸為反硝化反應提供了充足的電子供體，促進了反硝化過程的進行。丙酸和丁酸雖然相對分子質量較大，但在微生物的作用下也能夠逐步分解為乙酸等小分子物質，進而參與反硝化過程。在實驗過程中，觀察到隨著混合污泥發(fā)酵物的投加，丙酸和丁酸的含量逐漸降低，而乙酸的含量相對穩(wěn)定或略有增加，這說明丙酸和丁酸在微生物的代謝作用下發(fā)生了轉化，為反硝化反應提供了持續(xù)的碳源支持。糖類和蛋白質在混合污泥發(fā)酵物中的含量相對較低，但它們同樣對脫氮過程具有一定的貢獻。糖類主要包括葡萄糖、果糖等單糖以及少量的多糖，它們可以作為微生物的碳源和能源。在本研究中，發(fā)現(xiàn)當混合污泥發(fā)酵物中糖類含量較高時，反硝化菌的生長和代謝活動也會受到一定的促進。通過對反硝化菌的生長曲線和代謝產物的分析，發(fā)現(xiàn)糖類的存在能夠增加反硝化菌的生物量，提高其反硝化能力。這可能是因為糖類在微生物的作用下可以分解為丙酮酸等小分子物質，進一步參與三羧酸循環(huán)，為反硝化菌提供能量和碳骨架。蛋白質則主要由氨基酸組成，在微生物的作用下可以分解為氨氮和小分子有機物。氨氮可以為微生物的生長提供氮源，小分子有機物則可以作為碳源參與代謝過程。在實驗中，觀察到混合污泥發(fā)酵物中的蛋白質在發(fā)酵過程中逐漸分解，產生的氨氮和小分子有機物被微生物利用，促進了微生物的生長和脫氮反應的進行。為了進一步探究混合污泥發(fā)酵物中不同成分對脫氮效率的貢獻，進行了對比實驗。分別以乙酸、丙酸、丁酸、糖類和蛋白質為單一碳源，在相同的條件下進行反硝化實驗，監(jiān)測硝態(tài)氮的去除率和氮氣的產生量。實驗結果表明，以乙酸為碳源時，硝態(tài)氮的去除率最高，達到90%以上，氮氣的產生量也最多；以丙酸和丁酸為碳源時，硝態(tài)氮的去除率分別為80%-85%和75%-80%，氮氣的產生量相對較少；以糖類為碳源時，硝態(tài)氮的去除率為70%-75%，以蛋白質為碳源時，硝態(tài)氮的去除率為65%-70%。這表明揮發(fā)性脂肪酸在混合污泥發(fā)酵物中作為碳源對脫氮效率的貢獻最大，其中乙酸的貢獻最為顯著。糖類和蛋白質雖然也能為反硝化反應提供一定的碳源，但它們的利用效率相對較低?；旌衔勰喟l(fā)酵物中不同成分作為碳源在兩級AO工藝的脫氮過程中發(fā)揮著不同的作用。揮發(fā)性脂肪酸尤其是乙酸，是反硝化過程中最主要的碳源，對脫氮效率的提高貢獻最大。糖類和蛋白質雖然含量較低，但也能為微生物的生長和代謝提供一定的支持，對脫氮過程具有一定的促進作用。深入了解混合污泥發(fā)酵物的碳源利用情況，有助于優(yōu)化混合污泥發(fā)酵物的制備工藝和投加策略，進一步提高兩級AO工藝的脫氮效果。4.3.2電子傳遞過程與能量代謝在兩級AO工藝連續(xù)投加混合污泥發(fā)酵物強化城市污水脫氮的過程中，電子在微生物代謝過程中的傳遞路徑以及能量代謝對脫氮反應的驅動作用是深入理解強化脫氮機制的關鍵。微生物通過一系列復雜的生化反應，實現(xiàn)電子的傳遞和能量的轉化，從而完成對污水中氮污染物的去除。在硝化過程中，氨氧化細菌（AOB）和亞硝酸氧化細菌（NOB）起著關鍵作用。氨氧化細菌首先將氨氮氧化為亞硝態(tài)氮，其反應過程涉及電子的傳遞。氨氮在氨單加氧酶（AMO）的催化作用下，被氧化為羥胺，同時釋放出電子。這些電子通過電子傳遞鏈傳遞給氧氣，最終生成水。在這個過程中，電子傳遞鏈中的一些關鍵酶，如細胞色素c氧化酶等，參與了電子的傳遞和能量的轉化。電子傳遞過程中釋放的能量被用于合成三磷酸腺苷（ATP），為氨氧化細菌的生長和代謝提供能量。亞硝酸氧化細菌則將亞硝態(tài)氮進一步氧化為硝態(tài)氮，同樣涉及電子的傳遞和能量的產生。亞硝態(tài)氮在亞硝酸氧化酶的作用下被氧化為硝態(tài)氮，電子通過電子傳遞鏈傳遞給氧氣，產生的能量也用于合成ATP。硝化過程是一個耗能的過程，需要充足的氧氣作為電子受體，以保證電子傳遞的順利進行和能量的產生。在本研究中，通過監(jiān)測硝化過程中氧氣的消耗速率和ATP的合成量，發(fā)現(xiàn)投加混合污泥發(fā)酵物后，硝化菌的活性增強，氧氣的消耗速率加快，ATP的合成量也顯著增加。這表明混合污泥發(fā)酵物的投加為硝化菌提供了更充足的能量和營養(yǎng)物質，促進了電子傳遞過程和能量代謝，從而提高了硝化效率。反硝化過程是將硝態(tài)氮還原為氮氣的過程，也是一個涉及電子傳遞和能量利用的過程。反硝化菌利用混合污泥發(fā)酵物中的有機物作為電子供體，將硝態(tài)氮逐步還原為亞硝態(tài)氮、一氧化氮、一氧化二氮，最終還原為氮氣。在這個過程中，電子從有機物轉移到硝態(tài)氮，實現(xiàn)了氮的還原。反硝化過程中的電子傳遞主要通過一系列的酶促反應來實現(xiàn)，其中硝酸鹽還原酶（NAR）、亞硝酸鹽還原酶（NIR）和一氧化二氮還原酶（NOR）是關鍵的酶。硝酸鹽還原酶將硝態(tài)氮還原為亞硝態(tài)氮，電子從電子供體轉移到硝酸鹽還原酶，再傳遞給硝態(tài)氮。亞硝酸鹽還原酶將亞硝態(tài)氮還原為一氧化氮，電子同樣在酶的作用下進行傳遞。一氧化二氮還原酶則