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(微生物学专业论文)好氧有效微生物群反硝化的研究.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
摘要 氮素是水体污染中的一类重要的污染物,对人体健康和环境有极大的危害, 它主要以有机氮和无机氮两种形式存在。传统的生物脱氮是通过硝化和反硝化 两个过程完成的,首先氨氮由自养的硝化细菌在好氧条件下转化为硝态氮,然 后再通过异养的反硝化细菌在缺氧条件下将硝态氮还原为氮气,摔出水体因 此,脱氮过程工艺环节较多,处理成本高,操作条件复杂等不足,极大地限制 了生物脱氮技术的应用。好氧反硝化菌的发现,为生物脱氮提供了新的思路。 本论文从土壤中筛选获得高效好氧反硝化有效微生物群从而为生物脱氮技术 提供较好菌源与技术。现将研究结果分述如下: ( 1 ) 通过反硝化培养基定向筛选,从土壤中分离获得好氧反硝化有效微生 物群,该有效微生物群反硝化速率为1 4 3 7 1m g l d ,并命名为o a i e m f 研 究表明o a i - e m f 在以淀粉为有机碳源时,其反硝化速率达到了1 4 4m g l d , c u 2 + 、n i 2 + 和h b j + 能抑制o a i e m f 反硝化作用,而f e 3 、z n 2 + 和m n 2 + 能激活 o a i - e m f 反硝化作用。高浓度硝酸盐也能抑制o a i e m f 反硝化作用,而随着 c n 的增加o a i - e m f 反硝化速率和硝酸盐去除率都增加,在c n 为2 5 :1 条件 下,o a i - e m f 的硝酸盐去除率达到1 0 0 ,反硝化速率为1 8 4m g l - d 。 ( 2 ) 通过稀释涂布法从o a i e m f 中分离获得两株细菌,分别编号为 n c d x - - 1 和n c d x - - 2 ,根据菌株n c d x - - 1 和菌株n ) ( _ - 2 的生理生化实验, 菌株n c d x - - 1 和菌株n c d x - - 2 分别符合动性球菌属( p a n o c o c c u s s p ) ,和海 球菌属( m a r c u s s p ) 的特征,菌株n i 卫) 【- _ 2 初步鉴定为白色海球菌 ( m a r i n o c o c c u sa l b u s ) 。通过传统分离纯化技术及其反硝化作用分析,该有效 微生物群由两种以上细菌组成。 ( 3 ) 选择聚乙烯醇作为e m f 固定化载体,海藻酸钠为成型助剂,通过p 、,a 一 硼酸交联法制备了固定化e m f 细胞。固定化e m f 颗粒具有较好的脱氮生物活 性、较好的机械稳定性和抗溶剂酸碱度,从而为固定化e m f 在污水处理方面的 应用提供了可能性。 ( 4 ) 探讨了固定化e u f 脱氮最佳工艺,研究发现固定化e m f 在p h 6 2 - 1 1 2 ,2 8 - 3 2 ,装料系数为2 0 - 4 0 左右的2 5 0m l 三角瓶中,培养4 8h , 固定化e m 对硝酸盐的去除率最佳,达到了1 0 0 。与游离细胞比较,固定化 摘要 e m f 其对温度稳定性和对p h 稳定性都有所提高,说明固定化e m f 对外界不良 环境的抗性增强了,能较好地适合工业化应用。 ( 5 ) 在初始p h8 2 、空气流量为0 0 2 5 m 、3 0 、将活化的p v a 固定 化细胞颗粒( 湿重) 加g 放在装有3 0 0m l 脱氮试验培养基的流化床生物反应 器( 由4 0 x 4 3 0 n u n ) 中、硝酸盐起始浓度为0 6 4g l 条件下,其反硝化动力学规 律为: v 兰曼! = 兰岂2 。兰g ! ! :兰型 x t k + sv v n 。触1 1 4 1 ( h - 1 ) ;l 【却2 4 0 3 ( g ,l ) 。 关键词:有效微生物群;好氧反硝化作用;固定化;流化床生物反应器 i v a b s t r a c t n i t r o g e ni so l l eo ft h em o s ti m p o a 蛆tp o l l u t a n t si nt h ew a t e r i ti sh a z a r d o u st o p 叫c ,sh e a l t ha n de n v i r o n m e n t t w of o r m so f n i t r o g e ne l e m e n ti nt h ew a t e r a 撑 o r g a n i cn i t r o g e na n di n o r g a n i c n i t r o g e n t r a d i t i o n a lb i o l o g i c a ld e n i t r o g e n a t i o n i n v o l v e st w op r o c e d u r e s - - n i t r i f i c a t i o n 。a n dd e n i t r i f i c a t i o n f i r s to f ,a l l , a m m o n i a n i t r o g e ni st r a n s f o r m e d , b ya u t o u o p h i cn i t r o b a c t e r i ai nt h ep i 髑宅n c co fo x y g e n , i n t o n i t r a t en i t r o g e nw h i c hw i l lt h e nb en d u c c dt on i t r o g e nb yh e t e r o t r o p h i cd e n i t r i f y i m g b a c t e r i ai nt h ea b s e n c eo fo x y g e n , w i t hn i t r o g e ne l i m i n a t e df r o mt h ew a t e r t h e r e f o r e , b i o l o g i c a ld e n i u o g e n a t i o np r o c e d u r e si n m w l e m a n ys t e p s ,m a k i n gt h e ,p r o c e s s i n g c o s tv e r yh i g h i na d d t i o n , t h e r ea r eo t h e rd i s a d v a n t a g e s ;l i k et h ec o m p l i c a t i o ni nt h e p r o c e s s ,w h i c ht oag r e a te x t e n tr e s t r i c tt h ea p p l i c a t i o no fb i o l o g i c a ld e n i t r o g e n a t i o n t e c h n i q u e s a n dt h ed i s c o v e r yo fa e r o b i cd e n i t r i f y i m g b a c t e r i ao f f e r san e w p e r s p e c t i v et ob i o l o g i c a ld e n i t r o g e n a t i o n t h i sr e s e a c hs c r e e n e da n di s o l a t e df r o m s o i lp o s s e s s i n gh i g h l ya e r o b i cd e n i u i f i e a t i o ne f f e c t i v em i c r o o r g a n i s m st l o r a t 卫m f ) , w h i c ht h e np r o v i d e sb i o l o g i c a ld e n i t r o g e n a t i o nw i t hag o o ds o u r c eo fb a c t e r i aa n d r e l a t e dt e c h n o l o g i e s a l lt h er e s u l t sa g ed e s c d p t e da sf o l l o w s : ( 1 ) an e w l yo a i - e m fd i r e c t e d - s c r e e n e db yd e n i t r i f i c a t i o nc u l t u r em e d i u me n d i s o l a t e df r o ms o i lp o s s e s s i n gh i g h l ye f f e c t i v ed e n i t r i f i e a f i o nu n d e ra e r o b i cc o n d i t i o n t h ed e n i t r i f i c a t i o nr a t eo fo a i - e m fi s1 4 3 7 1m g l d t h i sr e s e a r c h r e v e a l s 蛳 w i t ht h es t a r c h 弱i t so r g a n i cc i h - b o ns o u r c e ,t h ed e n i t r i f i e a t i o nr a t eo fo a i - e m f 锄 r e a c ha sh i g h 鹊1 4 4m g l d t h o u g hs t r o n g l yi n h i b i t e db yi o n sl i k ec u 2 ,n i 2 + a n d h 矿,t h ep r o c e s so fd e n i t r i f i c a t i o ni sa c t i v a t e db yi o n so ff e 3 ,z n “a n dm n 2 + n i t r a t ew i t hr i c hc o n t e n ta l s oi n h i b i t st h ed e n i t r i f i c a t i o no fo a i e m f , t h ei n c r e a s i n g a n h o w e v e r , i m p r o v e s i t sd e n i t r i f i c a f i o nr a t ea sw e l l 丛t h er e m o v a lr a t eo fn i t r a t e , w h i c hw i l lr e a c h1 8 4m g l da n d1 0 0 r e s p e c t i v e l yw h e nt h ec ni s2 5 :1 ( 2 ) t w oa e r o b i cd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a ls t r a i l 塔n a m e dn c d x - - 1a n dn c d x - - 2 w e r ei s o l a t e df r o mo a i e m f a f t e rp h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a le x p e r i m e n t s , t h e s t r a i nn c d x _ 一1w a sp r e l i m i n a r yc l a s s i f i e dw i t h i nt h ep l a n o c o c c u ss p a n dt h es t r a i n n c d x 一2 w a sp r e l i m i n a r yc l a s s i f i e dw i t h i nt h em a r i n o c o c c u sa l l , l 坫i tc a nb e a b s t r a c t c o n c l u d e dt h a tt h e s ee f f e c t i v em i c r o o r g a n i s m sf l o r aa r ec o m p o s e do fm o r et h a nt w o k i n d so fb a c t e r i a , t h r o u g ht r a d i t i o n a li s o l a t i n ga n dp u r i f y i n gt e c h n o l o g i e s ( 3 ) p o l y v i n y la l c o h o l ( p v a ) w a ss e l e c t e da st h ei m m o b i l i z e dc a r r i e ro fe m f a n d s o d i u ma l g i n a t e 丛t h es h a p i n ga s s i s t a n t t h ei m m o b i l i z e de m fb a c t e r i aw o r e p r o d u c e dt h r o u i 曲p 、6 0 b o r i ca d dc r o a s l i n k gm e t h o d i ki m m o b o l i z e de m f p a r t i c l e sh a v eg o o db i o l o g i c a ld e n i t r o g e n a t i o na c t i v i t y , m e c h a n i c a ls t a b i l i t ya n d r e s i s t a n tt op ho fs o v l e n t , w h i c ht h e nm a k e sp o s s i b l et h ea p p l i c a t i o no fi m m o b i l i z e d e m ft ow a s t ew a t e rt r e a t m e n t ( 4 ) t h et h e s i sd i s c u s s e dt h eo p t i c a lp l o $ f lo fi m m o b i z e de m fd e n i t r o g e n a t i o n a n di t sb e e nf o u n dt h a ti nt h et r i a n g u l a rf l a s k so f2 5 0m lw i t hp h6 2 1 1 2 ,t h e t e m p e r a t u r e2 8 3 2 ,a n dt h el o a d i n gc o e f f i d e n ta b o u t2 0 - 4 0 ,a f t e r4 8h o u r so f c u l t u r e ,i m m o b i l z e de m fc o u l dr e a l i 7 弛t h eh i g h e s tt h er e m o v a lr a t eo fn i t r a t e - - 1 0 0 c o m p a r e dw i t h f x e eb a c t e r i a , i m m o b o l i z e de m fh a sb e t t e r t e m p e r a t u r e c o n s i s t e n c ya n dp hs t a b i l i t y ,w h i c hs h o w si th a ss t r o n g e rr e s i s t a n c ea g a i mt h e o u t s i d eu n p l e a s a n te n v i r o n m e n ta n di t sm o r es u i t a b l ef o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n ( 5 ) u n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h ei n i t i a lp h8 2 ,t h ca i rf l o wr a t e :0 0 2 5m 3 h , t h e t e m p e r a t u r e3 0 。t h ea c t i v a t e di v ai m m o b o l i z e db a c t e r i ap a r t i c l e s4 0g ( n a t u r a l w e i g h t ) ,t h ef l u i d i z e db e db i o r e a c t o r ( 由4 0 4 3 0 皿咀) o f3 0 0m l o fd i n i t r o g e n a t i u n e x p e r i m e n tm e d i u m , a n dt h e i n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fn i t r a t e0 6 4 比t h er u l e o f d e n i t r i f i c a t i o nk i n e t i c si s : y 。兰丝l 二苎邕2 ! g 15 :兰签 xatks +sn v - - 0 1 1 4 1 ( h 4 ) ;k = 0 2 4 0 3 ( g l ) 。 k e yw o r d s :e f f e c t i v em i c r o o r g a n i s m sf l o r a ;a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o n ;i m m o b i l i z a t i o n ; f l u i d i z e db e dh i o r e a c t o r 缩略语 缩略语( a b b r e v i a t i o n s ) e m :e f f e c t i v em i c r o o r g a n i s m s e m f :e f f e c t i v em i c r o o r g a n i s m sf l o r a t n :t o t a ln i t r o g e n t p :t 0 协1p h o s p h o r c o d :c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d s s :s u s p e n ds o l i d p f s :尹o l y m e r i cf e r r i cs u l f a t e d o :d i s s o l v e do x y g e h r t :h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e b o d :b i o c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d s b r : s e q u e n c eb a t c hr e a c t o r s b b r :s e q u e n c i n gb i o f i i mb a t c hn 冶啪r b t b : b r o m o t h y m o lb l u e s n d :s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n m l s s :m i x t u r el i q u i ds u s p e n ds o l i d m b r :m e m b r a n eb i o l o g i c a lr e a c t o r p v a :p o l y v i n y la l c o h o l v 有效微生物群 有效微生物释 总氮 总磷 化学需氧量+ 上浮物 聚合硫酸铁r 溶解氧 水力停留时间 生化需氧量 序批式活性污泥法反应器 序批式生物膜反应器 溴麝香草酚蓝 同步硝化反硝化 混合液中的悬浮物e 膜生物反应器 聚乙烯醇 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地 方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含 为获得直邑盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) 凄 耍缸益字日期:坷年1 胡叫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太鐾有关保留、使用学位论文 的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌盔堂可以将学位论文的全 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、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库,并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名_ 昔蔓己主肚导师签名: 二i 芬幸为 l 签字日期:i 吒年i 明乙1 日签字日期:加。7 荦j 月。7 日 1 引言 1 弓i 言 1 1 有效微生物群 1 1 1 有效微生物群的简介 有效微生物群( e f f e c t i v em i c r o o r g a n i s m s ,e m ) 是日本琉球大学比嘉照夫教 授于2 0 世纪8 0 年代初期研制出来的一种新型复合微生物制剂,它是一种由好 氧和厌氧微生物群组成的互利共生体,各种微生物通过相互问的协同、共生租 增殖,形成一个组成复杂、结构稳定、功能广泛的生物菌群i 。 有效微生物群又称高效复合菌,是从自然界筛选出来的多种有益微生物, 用特定的方法混合培养所形成的微生物复合体系,e m 是将许多种类的有用微 生物作为一个功能群体来应用,它是由5 科1 0 属8 0 多种对人类有益的微生 物复合培养而成的多功能微生物菌群,是一种新型复合微生物菌剂i 二3 1 ,e m 中” 的代表性微生物主要有光合细菌、乳酸菌、酵母菌。光合细菌是含有光合色素, 利用太阳能生长繁殖的细菌,光合细菌菌体富含蛋白质、维生素及多种生理潘一一 性物质,对促进生物生长、净化环境都起着很大的作用;乳酸杆菌是指能使糖 类发酵产生乳酸的细菌,乳酸杆菌可摄取光合细菌生产的物质,分解在常温下 不易分解的木质素和纤维素,使有机物发酵,转化成对动植物有效的养分,乳 酸有很强的杀菌能力,有显著抑制有害微生物活动的作用;酵母菌是与人类生 活关系十分密切的一类真菌,有机物经酵母菌发酵后,蛋白质、维生素、氨基 酸、生物活性物质等会大幅度提高,且酵母菌可对光合细菌等制造的有机物进 行发酵分解:放线菌的突出功能是产生大量的抗生素,起到调节微生物区系、 抑制病原菌和控制病害发生的作用。各种微生物通过这样的相互作用形成了一 个复杂且稳定的微生态系统,发挥出各种生物学功能1 4 5 1 。 1 1 2 有效微生物群在废水处理中的应用 随着水源污染的日益严重,微生物治理废水的研究和利用越来越被人们重 视。e m 生物技术是有效微生物群的制造与应用技术,它具有高效、低价、无 二次污染、制造使用简便等特点,在环境保护领域中得到广泛的应用。自2 0 世 纪年代初问世以来,e m 技术已在日本、美国、泰国等多个国家和地 1 引言 区推广应用,产生了明显的经济、生态和社会效益,受到社会各界的广泛关注。 在国内,e m 技术在污水处理方面的应用研究正在成为广大学者研究的热 点。王平1 6 l 等应用有效微生物群处理南水塘藻型富营养化水源,在容器中按v e m : v 聃= 1 :1 00 0 0 的比例投加e m 菌液,并辅以低速间歇式曝气处理8 9d ,藻 类生物量得到明显控制,水样的叶绿素a ,总氮( t o t a ln t r o g e n ,t n ) ,总磷( t o t a l p h o s p h o r ,t p ) 及化学需氧量( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ,c o d ) 去除率分别达 9 0 4 9 、4 5 2 5 、5 5 4 8 、8 2 3 7 ,出水水质接近国家地表类水质标准。 薛刚和姬鄂豫 7 1 采用有效微生物群处理酒精生产废水能显著地降低c o d ,c o d 的去除率 9 6 。王国平和黄晓菊1 8 】等研究发现e m 对于生活污水中的c o d 、 氨氮、总磷均有一定的去除效果,c o d 、氨氮、总磷最佳去除率所需要的接种 量有一定差别,在实际应用时,应根据处理要求选择合适的e m 投加量,影响 e m 对c o d 去除效果因素的主次顺序为曝气时间、e m 接种量、温度和曝气量。 田娜【9 】等用高浓度食品污水成功地富集培养高效复合菌,并发现复合菌培养液对 高浓度食品污水有一定的降解作用实验表明好氧条件反应1 2h 后,c o d 去除 率为5 2 。冯骞【1 0 】等利用有效微生物群生物接触氧化反应器对啤酒废水进行 处理,结果表明有效微生物群能很好地提高c o d 去除率。党建章【1 1 荆用光合细 菌和有效微生物群二步法处理水果废水,结果表明,废水中c o d 去除率为9 8 ;上浮物( s u s p e n ds o f i d ,s s ) 和s 厶去除率分别为8 1 和7 1 。聂发辉【1 2 1 等将高分子混凝剂聚合硫酸铁( p o l y m e r i cf e r r i cs u l f a t e ,p f s ) 与e m 结合,对 藻型富营养化原水进行处理,结果表明:原水叶绿素a ,t n ,t p 及c o d 去除率 分别达9 3 、6 0 、8 9 、8 5 ,出水主要指标基本达到国家地表类水质标 准。 近年来,e m 与生物反应器联合应用进行污水处理越来越受到大家的关 注。王平【玎】在常规生物滤池中引人有效微生物群对啤酒工业废水进行处理,成 功构建e m 一好氧生物滤池反应器,并表现出较强的降解和去除啤酒废水有机物 的能力,当进水有机负荷为1 0 0 0 1 2 0 0m g l ,水力停留时间( h y d r a u l i c r e t e n t i o n t i m e ,h r t ) 为9 0h 时,c o d 和生化需氧量( b i o c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d , b o d ) 去处率分别可达9 4 5 3 和9 6 4 7 ,处理出水水质达到并超过国家污 水排放一级标准。与其它好氧生物法相比,具有水力停留时间短,抗有机负荷 能力强等特点。车美芹1 1 4 1 等采用序批式活性污泥法反应器( s e q u e n c eb a t c h r e a c t o r ,s b r ) ,进行了用e m 处理食品废水的试验研究,结果表明,向废水中 2 1 引言 投加o 5 o 7 ( v ,v ) 的e m 复壮液,经过1 2 h 反应,c o d 去除率可 达8 3 o 。并应用e m 技术的膜法对生活污水进行试验研究,出水c o d 去除 率达踟9 0 。曹海艳【冽等将有效微生物群投加到序批式生物膜反应器, ( s e q u e n c i n gb i o f i l mb a t c hr e a c t o r ,s b b r ) 中构建成另一种反应e m s b b r , 考察e m s b b r 与常规s b b r 对生活污水的处理效果,结果表明:e m s b b r 对c o d 、n i - 1 4 + - n 、t n 的处理效果及抗冲击负荷能力均强于同等条件下的 s b b r 。陈永祥【1 6 】等研究了有效微生物群在s b r 反应器中对生活污水的 7 c o d 、t p 、n h 4 + - n 和t n 的去除效果,4 结果表明,当e m 投量v 咖:v 为 1 1 0 0 0 0 1 t 0 0 0 时,能显著提高s b r 对c o d 、r p 、n h 4 + n 和t n 的去除 率和降解速度;当e m 投量v e u :v s 木为1 1 0 0 0 0 0 5 1 0 时,对t n 的去除率 随e m 量的增加而逐渐提高;当e m 投量为1 1 00 0 0 时,能显著缩短s b r 的 曝气时间并可节能降耗。 1 1 3 有效微生物群的应用研究存在的问题 e m 生物技术是现代应用生物技术迅速发展的一大结晶,从现有应用推广 实际和资料看,目前,有效微生物群应用于污染水体治理方面还仅局限于污染 水体中有机质降解能力的测试,各国e m 生物技术在污水处理应用研究方面还 存在一些问题,主要是: ( 1 ) 有效微生物群活性的不稳定性,由于e m 是活菌制剂,它的各种功能 只有在适宜的环境条件下,在各种微生物相互促进、共同生长繁殖的过程中才 能较好地表现出来;其次在长期使用过程中,活菌制剂易受到环境因素的影喻 引起变异,导致生物活性的留失 ( 2 ) 有效微生物群降解机理解释基本为概念性阐述,降解废污水有机物、 消除有毒有害污染物的分子机制包括反应过程的动力学规律等系列问题尚无解 释。从而在一定程度上制约着e m 生物技术在污水处理领域的应用 ( 3 ) 目前,e m 在污水处理领域的应用研究多以单因子实验为主,全面综 合研究极少。这极不利于对e m 应用价值的科学评价和系统推广。因此,系统 研究e m 在反应器水平上的应用是十分必要的。 1 2 ,反硝化作用 1 2 1 好氧反硝化作用的简介 3 1 引言 好氧反硝化作用( a e r o b i cd e n i t r i f i e a t i o n ) 是指在好氧条件下,将硝酸盐转 化为气态氮化物( n 2 和n 2 0 ) 的过程。传统认为,进行反硝化作用的细菌都是 兼性厌氧微生物,因为只有在无氧条件下,才能诱导出反硝化作用所需要的硝 酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶【1 7 1 。2 0 世纪8 0 年代中期以来,人们在各种不 同的环境下诸如土壤,沟渠,池塘,活性污泥,沉积物等分离出了一些好氧反 硝化菌。最早提出好氧反硝化的是r o b e r t s o n 和k u e n e n i l s l ,他们在实验室中观 察到在氧气存在的条件下发生了反硝化现象,并在反硝化和除硫系统出水中首 次分离出好氧反硝化菌泛养副球菌( p a r a c o c c u s p a n t o t r o p h a ) ,假单胞菌属 ( p s e u d o m o n a ss p ) 和粪产碱菌( a l c a l i g e n e s f a e c a l i s ) 等。近些年来人们不断 的在实际工程中发现好氧条件下的脱氮现象,p o c h 蛆a 1 9 】在s b r 反应器中观察 到了9 5 的总氮去除率。另外在许多实际运行中的好氧硝化池中常常发现有 3 0 左右的总氮损失。h a r o l d ! 驯等从河底分离获得一株好氧的反硝化菌株,并 命名为假单胞菌( p s e u d o m o n a ss p ) 。n a o k it a k a y a 2 1 j 等分离获得两株好氧反硝化 细菌t r 2 和k s o ,分别在溶解氧( d i s s o l v e do x y g e n ,d o ) 的浓度为3 9 m o f l 和3 8 z m o l l 的情况下,其还原硝态氮为氮的速率分别为0 9 m m o l m i n 和0 0 3 m o l m i n 。孔庆鑫 2 2 1 等采用间歇曝气富集,氰化钾选择培养基筛选获得一株好 氧反硝化菌,经初步鉴定为假单胞( p s e u d o m o n a ss p ) 。李平,郑永良等从武汉 市郊稻田土壤中分离得到一株好氧反硝化细菌,初步鉴定为施氏假单胞菌 ( p s e u d o m o n a ss t u t z e r i ) 。这些充分证实了好氧反硝化确实存在 1 2 2 好氧反硝化作用的机制 早期理论认为0 2 的得电子能力阻止了电子传递给n o r 或n 0 2 ,从而抑 制了反硝化的进行。而最近研究表明,细菌反硝化酶系和有氧呼吸系统同时存 在。n 0 3 被还原的同时,0 2 被还原,氧不是抑制反硝化酶活性和反硝化酶生成 的直接因素。缺少n 0 3 或0 2 都会降低细菌的生长率和反硝化速率1 2 4 1 。w i l s o n 闭等人提出了细菌反硝化过程中的电子传递模型如图1 1 所示。 4 1 引言 图1 1 细菌反硝化过程中电子传递模型 f i g 1 1m o d e l o f e l e c t r o n i c t r a n s f e r i n b a c t e r i a d e n i t r i f i c a t i o n 由图1 1 可知:n 0 3 、0 2 均可作为电子最终受体。反硝化菌可将电子从被 还原的物质传递给0 2 ,同时也可通过硝酸还原酶将电子传递给n 0 2 。 1 2 3 好氧反硝化细菌的筛选方法 因为好氧反硝化菌生长条件没有特殊要求,相同环境中许多菌可与它竞争, 故筛选效率不高;再加上自然界中好氧反硝化细菌很少,故采用一般筛菌方法 不易将其筛选出来,己报道的一些筛选思路和方法主要有以下几种: 1 2 3 1 选择性培养基 于爱茸,李尤 2 6 1 等利用溴麝香草酚蓝( b r o m o t h y m o lb l u e ,b t b ) 培养基 ( 0 1 l - 天冬酰胺酸,0 1 k n 0 2 ,0 1 k h 2 1 0 4 ,0 0 0 5 f c a 2 6 h 2 0 ,0 0 2 c a c l 2 2 h 2 0 ,o 1 m g s 0 4 7 h 2 0 ,0 1 b t b ,2 琼脂,p h7 o 7 2 ) 从鱼 塘中筛选获得一株高效的有氧反硝化菌,经初步鉴定为芽孢杆菌,除氮率达9 r 7 张玉芹【2 7 1 等利用g r i m y 培养基( a 溶液:k n 0 3l og ,天冬酰胺1 0g ,1 5 1 引言 b t b 酒精溶液5m l ,蒸馏水5 0 0 m l 。b 溶液:柠檬酸钠8 5g ,m g s 0 4 7 h 2 01 0 g ,f e c b 6 h 2 00 0 5g ,k h 2 i p 0 41 0 9 ,c a c l 2 2 h 2 00 2g ,蒸馏水5 0 0 m l 。混合a 、 b 两溶液调节p h 值为7 0 7 2 ,分装灭菌备用。) 筛选获得4 5 株好氧反硝 化菌。项慕飞【篮】等利用b t b 培养基从序批式活性污泥法反应器( s e q u e n c e b a t c h 啪c 断,s b r ) 活性污泥中筛选获得两株好氧反硝化菌,在4d 内,它们的总氮 ( t o t a ln i t r o g e n ,t n ) 去除率都在7 0 以上龙雯 2 9 1 等利用b t b 培养基筛选 获得一株高效的有氧反硝化茵,初步鉴定为丛毛单胞菌属( c o m a m o n a ss p ) 的 睾丸酮假单胞菌( c o m a m o n a st e s t o s t e r o n i ) 。 1 2 3 2 间歇曝气驯化法 r o b e t s o ni 删等根据养泛养球硫小菌( t h i o s p h a e r a p a n t o t r o p h a ) 既能自养又 能异养,既可以在好氧条件下又能在缺氧条件下生长,缺氧时可利用硫化物作 供能物质,也可利用有机质这一性质。通过好氧、缺氧环境频繁转换,缺氧环 境下有机质和硫化物共存等条件的转换,而使得该菌在与其他菌的竞争中成为 优势菌。周丹丹1 3 1 】等采用间歇曝气对污泥进行驯化,筛选获得好氧反硝化细菌。 1 2 3 3 间歇曝气驯化与选择性培养基联合法 首先利用间歇曝气驯化法使反硝化菌由劣势菌成为优势菌,再利用选择培 养基进一步筛选,从而获得好氧反硝化菌,该方法有利于分离与纯化。孔庆鑫i 捌 等采用间歇曝气富集,氰化钾选择培养基筛选获得一株好氧反硝化菌,该菌株 在5d 内可将硝态氮由2 8 2 0m g l 降解至1 4 9 2m g l ,经初步鉴定为假单胞 菌( p s e u d o m o n a ss p ) 1 2 3 4 定向筛选 在一定溶氧条件下,利用硝酸盐为唯一氮源的培养基进行定向筛选好氧反 硝化菌,从而将劣势菌成为优势菌,且该方法简单,易操作。李平【捌等从武汉 市郊稻田土壤中分离获得一株好氧反硝化细菌,初步鉴定为施氏假单胞菌 ( p s e u d o m o n a ss t u t z e r i ) 。周立祥,黄峰源,王世梅1 3 2 】以硝酸钾为唯一氮源的硝 酸柠檬酸反硝化液体培养基,在2 8 、1 8 0r p m 条件下,培养1 周,获得两株 好氧反硝化菌,初步鉴定为假单胞菌属( p s e u l o m o n a ss p ) 。张光亚1 3 3 】等也利用 该方法从土壤中分离出一株好氧反硝化菌,该菌株与鲑色诺卡氏菌桔橙变种 ( r h o d o c o c c u sr u b e r ) 的1 6s r d n a 序列具有9 9 相似性。马放刚等利用该方 6 1 引言 法从驯化污泥中筛选出在好氧条件下具有良好的反硝化作用的细菌,该菌初步 命名为球形假单胞菌变种( p s e u d o m o n a sc h l o r i t i d i s m u t a n s ) 。 1 2 4 传统生物脱氮技术 传统的生物脱氮一般包括硝化和反硝化两个阶段,即分别在好氧条件下由 硝化细菌进行硝化作用与在厌氧条件下由反硝化细菌进行反硝化作用,经过这 两个价段将氮去除。传统的生物脱氮过程如图所示: n h * - n - + n 0 2 - - n 。n - 一n n 0 2 - 一n n o n 0 2 一心 lftf 硝化作用反硝化作用 图1 2 传统的生物脱氨过程 f i f r l 2 t h e t r a d i t i o n a l p r o c e s s o f b i o l o g i c a l d e n i t r i f i c a t i o n 由此可知,传统的生物脱氮主要存在以下几个方面的问题:( 1 ) 传统生 物脱氮是一个多步骤的生物催化反应,且硝化和反硝化的生物催化反应是在不 同条件下进行的,这样就造成生物脱氮技术难以在时间和空间上统一,因此传 统生物脱氮技术脱氮效率低,又受基质传递速率、底物和产物抑制等限制:( 2 ) 硝化细菌是自养细菌,生长缓慢,在混合培养过程中无法与异养细菌竞争,难 以维持较高的细胞浓度,为避免其流失又取得较好的脱氮效果,往往要保持较 长的反应停留时间,从而限制了生物脱氮工艺的处理能力,即增加了投资成本; ( 3 ) 硝化过程中产生的酸碱中和,不仅增加了处理成本,而且还可能产生二次 污染;( 4 ) 对a n 比较小的废水,需外加碳源进行生物脱氮,导致处理工艺 中必须增加后曝气装置以处理剩余有机物,从而增加了处理成本:( 5 ) 为维持 较高生物浓度及获得良好的脱氮效果,必须同时进行污泥回流和硝化液回流, 增加了动力消耗及运行费用。 1 2 5 新型生物脱氮技术 由于传统生物脱氮工艺存在许多不足,在氮素污染又日趋严重的情况下, 许多国家加大了对生物脱氮技术的投入。近年来生物脱氮在理论和技术方面上 都取得了重大进步,并涌现出了一批具有创新意义的生物脱氮工艺,如短程硝 7 1 引言 化一反硝化工艺、同步硝化反硝化工艺。 1 2 6 1 短程硝化一反硝化工艺 生物脱氮需要经过硝化和反硝化过程。当反硝化以n 0 3 。为电子受体时,生 物脱氮过程称为全程硝化反硝化;当反硝化以n 0 2 作为电子受体时,生物脱氮 过程称为短程硝化反硝化( s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o n ) 短程硝化反硝 化工艺的基本原理是将硝化过程控制在亚硝酸盐阶段,直接进行反硝化。短程 硝化反硝化的标志是有稳定且高效的亚硝酸盐的积累。与传统硝化方法相比,短 程硝化反硝化具有以下优点:减少了剩余污泥的处理量,节约反硝化碳源的消 耗量,减少了硝化0 2 的需要量,提高了反硝化效率等优点。 短程硝化反硝化以其独特的优势,成为了国内外学者研究的热点。p o l l i c 3 s l 等人在考察充氧方式对序批式反应器硝化性能的影响时发现,连续曝气保持溶 解氧质量浓度在2 1 0m g l 以上时,氨被氧化,亚硝酸盐和硝酸盐同时积累,间 歇曝气f 每2 0m i l l 曝气1 0m i l l ) 可使溶解氧质量浓度在曝气期间达到2m g l , 停止曝气5r a i n 后降至0 0 1m g l ,在这种运行方式下,氨被氧化,亚硝酸盐被 积累,而硝酸盐产量很少。支霞辉p 叼等对常
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