（植物学专业论文）畜禽养殖废水高效脱氮降解菌的筛选及脱氮性能研究.pdf

甘肃农业大学2 0 0 9 应届硕士学位论文 中文摘要 近年来，由于我国畜禽养殖业集约化、规模化的快速发展，随之而带来的环 境污染问题也越发严重。其中畜禽养殖废水中氮污染问题最为突出，氮超标所引 起水体的富营养化以及严重的生态环境污染已经成为世界性的问题。因此，对畜 禽养殖废水中氮降解的研究，就显得尤为迫切。目前，在水污染环境处理方面微 生物脱氮法与物理、化学法相比较，以它等不可比拟的优点已被人们所广泛认可， 成为环境科学和水处理领域关注和研究的主要内容。 本研究针对畜禽养殖废水中氮污染的问题，究通过极限稀释和显色培养基相 结合筛选的方法，从畜禽养殖废水中筛选到2 株高效脱氮降解菌。其中菌株 c p z 2 4 同时具有异养硝化好氧反硝化双重功能，异养硝化好氧反硝化作用均 发生在菌株的对数生长期。在氨氮初始浓度为5 0 m g l 时，菌株经过2 0 小时能 将培养基中的氨氮全部去除，且总氮最大去除率达到9 8 7 0 。好氧反硝化性能 测定中硝酸盐氮的去除率达到6 6 7 4 ，总氮的去除率达到6 4 2 7 ；菌株c p z 5 6 具有较好的异养硝化功能，异养硝化作用发生在菌株的对数生长期，在氨氮初始 浓度为5 0 m g l 时，菌株经过2 8 小时能将培养基中的氨氮全部去除，且总氮最 大去除率达到6 4 。 对菌株c p z 2 4 、菌株c p z 5 6 经形态、生理生化特征和1 6 s r d n a 进行序列 分析，初步鉴定菌株c p z 一2 4 为r h o d o c o c c u sp y r i d i n i v o r a n s ，r h o d o c o c u u $ p y r i d i n i v o r a n s 具有同时异养硝化好氧反硝化脱氮功能；菌株c p z 5 6 为s h i n e l l a z o o g l o e o i d e s ，s h i n e l l az o o g l o e o i d e s 具有异养硝化脱氮功能。 关键词：生物脱氮：筛选；异养硝化；好氧反硝化 i l l 甘肃农业大学2 0 0 9 应届硕士学位论文 s u m m a r y i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h es c a l ea n di n t e n s i f yp o u l t r y f a r m i n gi no u rc o t m t r , t h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni sm o r es e r i o u s t h ep r o b l e mo f n i t r o g e np o l l u t i o ni nl i v e s t o c kw a s t e w a t e ri st h em o s tp r o m i n e n t w a t e re u t r o p h i c a t i o n a n ds e r i o u se c o l o g i c a le n v i r o n m e n td u et oh i g l lc o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e ni sn o wa g l o b a lp r o b l e m s o ，t h er e s e a r c ho fd e g r a d a t i o no fn i t r o g e ni nl i v e s t o c kw a s t e w a t e ri s p a r t i c u l a r l yu r g e n t a tp r e s e n t ，i nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n to fe n v i r o n m e n t ，c o m p a r e d 诵t l lt h ep h y s i c sa n dc h e m i c a lm e t h o d ，b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a li s w i d e l y r e c o g n i z e d i tb e c o m em a i nc o n t e n to ft h ea t t e n t i o na n dr e s e a r c h i nf i e l do f e n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h et w oh i g he f f e c t i v em i c r o o r g a n i s m s 、i mn i t r o g e nr e m o v e db a c t e r i aw e r e i s o l a t e df o r mt h el i v e s t o c kw a s t e w a t e rb yw a yo ft h el i m i t i n gd i l u t i o nc o m b i n e 、析t l l t h ec h r o m o g e n i cm e d i u ms c r e e n i n gm e t h o d si nt h i ss t u d yf o r t h ep r o b l e mo fn i t r o g e n p o l l u t i o no ft h el i v e s t o c kw a s t e w a t e r a n ds t r a i nc p z - 2 4h a v et h ef u n c t i o no f 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 i to c c u r r e di nt h el o gp h a s eo ft h es t r a i n a l ln h 4 十- ni sr e m o v e da n dt h er e m o v a lr a t eo ft ni s9 8 7 0 w i t h2 0 hb ys t r a i n c p z - 2 4w h e nt h eb e g i n n i n gm a s sc o n c e n t r a t i o no fn i - h + - ni s5 0 m g l ；t h er e m o v a l r a t eo fn 0 3 ni s6 6 7 4 a n dt h er e m o v a lr a t eo f i ni s6 4 2 7 i na e r o b i c d e n i t r i f i c a t i o n s t r a i nc p z - 5 6h a v eb a t t e rc a p a b l eo fh e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o n h e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o no c c u r r e di nt l l el o gp h a s eo ft h es t r a i nc p z 一5 6 a l ln l - h + - n i sr e m o v e da n dt h er e m o v a lr a t eo ft ni s6 4 w i t l l2 8 hb ys t r a i nc p z - 5 6w h e nt h e b e g i n n i n gm a s sc o n c e n t r a t i o no fn h 4 + - ni s5 0 m e g l a c c o r d i n gt ot h em o r p h o l o g i c a la n dp h y s i o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n dt h ea n a l y s i so f i t s16 s r d n ag e n e ，s t r a i nc p z - 2 4w a si d e n t i f i e da sr h o d o c o c u u sp y r i d i n i v o r a n sa n d w a sf o u n dt h a tr h o d o c o c u u sp y r i d i n i v o r a n sh a v et h ef u n c t i o no fs i m u l t a n e o u s n 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 ；s t r a i n c p z 一5 6w a si d e n t i f i e da ss h i n e l l az o o g l o e o i d e s i v 廿肃农业大学2 0 0 9 应届硕士学位论文 a n dw a sf o u n dt h a ts h i n e l l az o o g l o e o i d e sh a v et h ef u n c t i o no f h e t e r o t r o p h i e 1 1 i t r i f i c a t i o n k e yw o r d s ：b i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o n ；s c r e e n i n g ；h e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o n ；a e r o b i c d e n i t r i f i c a t i o n v ”肃农业人学2 0 0 9 应届倾：学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得甘肃农业大学或其它教育机构 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了谢意。 研究生签名： t 衣咿u 小、 时间： ， 月艿日 v 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意甘肃农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 7 膏p 协 1 导师签名： 时间：少1 年莎月多同 州：1 年钼粕 7 5 甘肃农业大学 学位论文版权认定和使用授权书 研究生姓名： 陵啦划所在学院： 生金毯堂越苤堂瞳 学位级别：亟 学科专业：植物堂 学位论文题目： 畜盒差堕废盔直教膛氢隆鲤菌的篮造毽堑能研究 本人于 2 q q 2年上月上日至年上月 三!同在导师工焦副教援 王童剧趸9 婴究虽指导下，从事坯境生物篮复 的研究。 现认定以下条款： l 、本人毕业后发表与研究内容有关的文章，作者第一署名单位为甘肃农业大学。 2 、学位论文中包含的研究成果的知识产权归苴壶盔些太堂。未经 指导教师和苴虚盔些太堂同意， 本人不得私自从事与课题有关的任何开发和盈利性活动。 3 、本人完全了解甘肃农业大学有关保留、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纸质版和电子版，允许论文被查阅和借用。本人授权甘肃农业大学可 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲了奋他斗 签字同期：小干易月艿同 学位论文作者毕业后去向： 导师签名：7 ( 苇 签字嗍叶与岁日 通讯地址：兰州市安宁区营门村l 号邮编：7 3 0 0 7 0 甘肃农业大学2 0 0 9 应届硕上学位论文 第一章文献综述 畜禽养殖废水污染已成为与工业废水、生活污水相并列的三大污染源之一。 其中畜禽废水中氮含量严重超标，大量氮进入水体，引起水体质量恶化，造成水 体富营养化等多方面的危害。因此，对畜禽养殖废水中氮的处理刻不容缓，迫切 需要行之有效的技术和治理方法。废水的氨氮去除方法主要有生物法和物理化学 法。其中生物脱除法具有经济、有效、易操作等特点，在废水处理中具有巨大的 潜能和优势，它能够有效地去除污染水体和富营养化水体及底泥环境中的氮元 素，因此得到了广泛的应用。 1 1 研究目的及意义 2 0 世纪9 0 年代以来，规模化畜禽业的发展在解决了畜禽产品供给和带动农 村经济发展的同时也带来了日益严重的环境污染问题。未经处理的畜禽粪便任意 堆积，污水粪便随意排放，从而带来一系列的环境问题。其中畜禽养殖废水中氮 污染问题最为突出，多数养殖场废水中的氨氮都超标，可造成地下水中的硝酸盐 含量过高，同样极易造成水体的富营养化使水质恶化。氮对水体的污染已不是一 个局部的环境污染问题，而是个影响大流域环境的问题，它危害着河口、近海 海域的富营养化程度，也严重的破坏整个生态环境。畜禽废水中氮污染问题是国 内外共同关注的问题。目前，在水污染环境处理方面微生物脱氮法与物理、化学 法相比较，以它高效率、低成本、无二次污染等不可比拟的优点已被人们所广泛 认可，成为环境科学和水处理领域关注和研究的主要内容，关于这方面的技术研 究不断有新的成果报道。 传统生物脱氮一般是序列进行的，即硝化反应在好氧段，反硝化反应在厌氧 段。虽然目前单级生物脱氮( 一步脱氮) 的研究也比较多，如微好氧条件下的生物 膜脱氮和固定化脱氮可以实现单级脱氮，但由于传质受到抑制，一般效率较低， 很难在实际工程中应用。所以若能找到特殊的菌株，就可以开发新的工艺，以降 低成本、简化工艺实现单级生物脱氮，如异养硝化菌、好氧反硝化菌都可以在好 氧或缺氧的条件下实现单级脱氮化菌，而在这方面的研究，国内还处于起步阶段。 所以开展特殊脱氮微生物分离筛选，具有重要的意义。本研究尝试从畜禽养殖废 水中筛选具有此类功能的微生物，并对其硝化功能和反硝化性能进行实验研究， 为更有效更经济更快速的去除畜禽养殖废水中氮的实验研究提供一定的理论依 甘肃农业大学2 0 0 9 应届硕七学位论文 据；也为治理水体富营养化，恢复健康的生态环境提供一定的科学根据。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 畜禽养殖污染现状 我国集约化畜禽养殖场起步比较晚，但发展势头十分迅猛，在很短时间内就 已达到了相当规模，并呈高速发展的趋势。畜禽养殖业的规模化、集约化发展导 致畜禽养殖污染风险日益加剧。畜禽业是我国农业和农村经济的重要组成部分， 畜禽养殖业大力发展所带来的环境污染问题日益严重，不仅影响经济发展，而且 还危及生态安全，已成为人们普遍关注的社会问题。畜禽养殖场产生的粪便和污 水造成地表水、地下水、土壤和环境空气的严重污染，直接影响了人们的身体健 康和正常生产生活。 畜禽养殖的排泄物己成为我国一个重要的污染源。目前，全国大中型畜禽养 殖场已达1 40 0 0 多家，每年排放的粪水及粪便总量超过1 9 亿t 【l 】。据国家环境保 护总局对全国2 3 个省( 区) 、市畜禽养殖业污染状况调查表明，畜禽粪便产生量 为同期工业固体废弃物产生量的2 4 倍 2 1 。据资料表明，1 万头猪场平均每天的 粪便排放量达1 7 5 t 。2 0 0 3 年全国粪便产生量约为2 4 2 2 7 0 万t ，而同时期工业固 体废弃物产量为1 0 0 4 0 0 万t ，畜禽粪便的量是工业固体废弃物的2 4 l 倍。根据 预测，2 0 2 0 年中国畜禽粪便总量将达到4 2 4 4 0 0 万t 。畜禽养殖污染已经成为农 村面临污染的主要因素和污染治理的主要对象之一。 由于大部分养殖场未能对畜禽粪便进行有效的处理和利用，并且未经处理的 粪便随意堆放，导致大量的氮流。根据污染调查估算的结果，2 0 0 0 年全国畜禽 氨氮( n h 3 - n ) 和总氮( t - n ) 的流失量分别为4 9 0 6 4 万吨、1 1 8 1 4 7 万吨：2 0 0 0 年国家环保总局对北京8 0 0 多家规模化养殖场产污系数测算，全市年产生畜禽粪 尿总量为3 0 4 4 2 万t ，依据实际监测数据和文献资料【3 5 】的综合报道，这些畜禽粪 尿含n h 3 - n87 5 9t 、t - n1 84 6 0t ，与国外和国内某些地区性畜禽养殖场废水排 放标准相比较，除鸭场外各类养殖场废水中n h 3 - n 、t - n 的平均浓度值都高于相 关标准值6 7 】；氮流失逐年急剧增加如表l ，到2 0 0 4 年n h 3 - n 、t - n 的流失量已 达到5 3 1 7 7 万吨、1 2 8 4 8 9 万吨。随着人民生活水平的日益提高，我国的畜禽养 殖业在未来2 0 年中将进一步发展，从而将会带来更大的畜禽污染的压力。预计 到2 0 2 0 年，我国的畜禽养殖规模将是2 0 0 1 年水平的1 6 7 倍，我国畜禽粪便产 2 甘肃农业大学2 0 0 9 应届硕士学位论文 生t n 将达到1 6 8 0 万t ，相当于当年全国化肥投入氮素总量( 2 5 0 6 万t ) 的6 6 。 如果届时畜禽养殖流失的污染物总量维持在2 0 0 0 年的水平，流失系数则要降低 到目前水平的6 0 ，畜禽养殖的环境管理压力非常巨大。由此看来，我国对畜禽 养殖场废水的处理必须进行更大力度的处理，特别是在研究和技术设备上进行深 入改造和提高。 表l2 0 0 0 2 0 0 4 年我国畜禽粪便排放总量和主要污染物排放量1 6 1 ( 单位：万t ) t a b1e m i s s i o n so fc h i n a sl i v e s t o c ka n dp o u l 仃ym a n u r ea n de m i s s i o m o fm a j o rp o l l u t a n t sf r o m2 0 0 0t o2 0 0 4 1 2 2 畜禽养殖中氮素对水体污染的危害 畜禽养殖中的氮污染主要来源于养殖业，主要有牲畜( 牛、猪、羊) 、家禽 ( 鸡、鸭等) 粪尿、尸体、垫料、污水、垃圾、畜产品加工废弃物及孵化废弃物、 冲刷池水等。其中，以未经处理和处理不当的畜禽粪尿和污水的数量最大，危害 最严重。由于畜禽粪尿的淋溶性很强，粪尿中的氮淋溶量很大，如不妥善处理就 会通过地表径流和渗滤进入地下水层污染地下水。粪便、污水渗入地下还可造成 地下水中的氨氮含量过高。一些养殖场距地面1 0 0 米地下水中的氨氮含量已超出 正常值的2 3 倍。高浓度含氨氮废水的排放可使水体富营养化，富营养化的结果 会使水体中硝酸盐和亚硝酸盐浓度更高。畜禽养殖场未经处理的污水中含有大量 污染物质，其污染负荷很高 g l 。世界各国污水氮的排放不断增加，特别是大量氨 氮进入水体，引起水体质量恶化，造成了多方面的危害： ( 1 ) 氨氮要消耗水体的溶解氧。这种高浓度含氨氮废水直接排入或随雨水冲 刷进入江河湖库，水体中的氨氮在硝化菌的作用下，可氧化成亚硝酸盐和硝酸盐， 消耗大量氧气。完全氧化l m g 氨氮约需4 6 m g 溶解氧。 甘肃农业大学2 0 0 9 应届硕士学位论文 ( 2 ) 游离氨可影响鱼腮中氧的传递，引起鱼类大量死亡。 ( 3 ) 养殖污水长时间渗入地下，硝酸盐和亚硝酸盐可转化为亚硝胺，而亚硝 胺是致癌、致突变物质，对人体构成有潜在的威胁。养殖污水使地下水中的硝态 氮或亚硝态氮浓度增高1 9 1 ，危及周边生活用水水质。 ( 4 ) 畜禽废水有毒成分增多，导致水质恶化，高浓度废水回灌还可导致土壤 孔隙堵塞，造成土壤透气、透水性下降及板结、盐化，严重降低土壤质量，甚至 伤害农作物，造成减产和死亡。 ( 5 ) 引起水体“富营养化”，使水体变得腥臭难闻，透明度下降，鱼类和其他 生物大量死亡，富营养化在海水则形成“赤潮，f 1 0 】。例如对太湖污染调查表明【l l 】 每年排入环境的畜禽粪尿是太湖流域氮污染，也是太湖富营养化的罪魁祸首。 我国畜禽污染已不仅是一个局部的环境污染问题，而且是一个影响整个生态 的大问题，随着畜禽养殖业的发展，我国畜禽粪便产生氮总量大幅度增长。而且 大部分养殖场未能对畜禽粪便进行有效的处理和利用，导致大量的氮流失，从而 形成严重的水体富营养化等环境污染。氮素等环境污染物对水体的污染进一步加 剧了水资源的短缺，成为严重制约我国社会经济持续发展、危害环境生态、影响 人们生活质量和身体健康等突出问题。因此养殖废水中对氮素更有效的彻底的去 除方法的研究，是对于保护环境，发展经济和保障健康具有重要的意义。 1 2 3 氮的污染控制技术 氨氮是氮污染的主要方面，氨氮废水处理主要技术可分为物理化学法和生物 法两大类。物理、化学法又分为空气吹脱法、折点加氯法、离子交换法、化学沉 淀法、催化湿式氧化法、化学中和法、液膜法、电解法等方法。微生物修复技术 是净化污水的一项新兴技术包括投加微生物和微生物制剂法、吸附技术、固定化 技术、培养微生物技术、投加微生物絮凝剂技术等。有时采取多种技术的联合处 理，还可以取长补短达到较好的处理效果。 1 2 3 1 物理、化学方法对污染水体的修复 ( 1 ) 空气吹脱法 空气吹脱法是使水作为不连续相与空气接触，利用水中组分的实际浓度与平 衡浓度之间的差异，使氨氮转移至气相而去除1 2 】。废水中的氨氮通常以铵离子 ( n i - i , b 和游离氨( n i - 1 3 ) 的状态保持平衡而存在( n h 4 + + o h 。删3 + h 2 0 ) 。将 4 甘肃农业大学2 0 0 9 应届硕士学位论文 废水p h 值调节至碱性时，离子态铵转化为分子态氨，然后通入空气将氨吹脱出 1 3 1 o 该法适合于高氨氮废水的预处理，脱氮率高、操作灵活、占地小，但n h 3 - n 仅从溶解状态转化为气态，并没有彻底除去。当温度降低时，脱氮率急剧下降， 因此不适合在寒冷的冬季使用；同时容易受吹脱装置大小及长径比例、气液接触 效率的影响；装置及管道时间长久易产生c a c 0 3 沉淀。该法需不断鼓气、加碱， 出水需再加酸调低p h 。因此，处理费用比较高。 ( 2 ) 折点加氯法 折点加氯法是将氯气通入废水中，投加量达到某一点( 折点) 时，水中游离氯 含量最低，而氨的浓度降为零，当氯气通入量超过此点时废水中游离氯含量上升。 通常折点加氯法用于给水处理，可以作为一个单独的脱氮工艺来采用，也可以对 生物脱氮工艺出水进行补充处理。此法的处理效率达9 0 1 0 0 ，但运行费用高， 副产物氯胺和氯代有机物会造成二次污染。 折点加氯法化学反应式为： n h 4 + + h o c l 0 5 n 2 t + 1 5 h 2 0 + 2 5 h + + 1 5 c i 。 在折点加氯法中，余氯浓度和残留氨氮浓度与氯气、氨氮质量之比有关。最佳理 论投氯量( 以c 1 2 计) 与氨氮的质量之比为7 6 ：1 ，但为了保证反应完成，实际投氯 量往往超过理论值，通常为( 8 ：l h l 0 ：1 ) 【15 1 。折点氯化的反应速率很快，在 p h 6 肚7 0 的条件下，不到1 5 s 即可完成反应。由于反应完成后存在余氯，通常 投加s 0 2 脱氯。 此法用于废水的深度处理，脱氮率高、设备投资少、反应迅速完全，并有消 毒作用。但液氯安全使用和贮存要求高，对p h 要求也很高，产生的水需加碱 中和，因此处理成本高。另外副产物氯胺和氯代有机物会造成二次污染。 ( 3 ) 离子交换法 脱氮工艺是在离子交换柱内借助离子交换剂上的离子和废水中的铵离子进 行交换反应，从而达到废水脱氮的目的。离子交换法采用无机离子交换剂沸石作 为交换树脂，沸石具有对非离子氨的吸附作用和与离子氨的离子交换作用。离子 交换法具有投资省、工艺简单、占地小、操作较为方便、温度和毒物对脱氮率影 响小等优点，适用于中低浓度的氨氮废水( 5 0 0 m g l ) 。缺点是离子交换剂用 甘肃农业大学2 0 0 9 应届硕士学位论文 量大，交换剂再生频繁，再生液为高浓度氨氮废水，仍需进一步处理，而且对高 浓度的氨氮废水，会因树脂再生频繁而造成操作困难【1 6 l 。 ( 4 ) 化学沉淀法 化学沉淀法是通过向含氨氮废水中投加某些化学药剂( m 矿+ 和p 0 4 3 ) ，使之 与废水中n h 4 + 发生反应，形成难溶盐m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0 ( 简称m a p ) 沉淀下来， 从而降低水中n i - h + 的方法【1 7 】。化学沉淀法处理高浓度氨氮废水的工艺简单，效 率高，但投加药剂量大，目前需要解决的关键问题是寻找一种高效、价廉、无污 染的药剂，减少投药量，降低成本。 ( 5 ) 催化湿式氧化法 催化湿式氧化法是2 0 世纪8 0 年代国际上发展起来的一种处理废水的新技 术。在一定的温度、压力和催化剂作用下，经空气氧化，可使污水中的有机物和 氨分别氧化分解为c 0 2 ，n 2 和h 2 0 等无害物质，达到净化的目的。具有净化效 率高、流程简单、占地面积少等特点。经多年应用与实践，这一废水处理方法的 建设及运行费用仅为常规方法6 0 左右，因而在技术上和经济上均具有较强的竞 争力1 7 1 。 ( 6 ) 电解法 膜吸收过程是将膜和普通吸收解吸相结合而出现的一种新型膜过程，它使 用微孔膜将气、液两相分隔开来，利用膜孔提供气、液两相间实现传质的场所。 使用疏水性微孔膜和化学吸收液( 如n a o h 和h 2 s 0 4 等) 处理并回收废水中的挥发 性污染物( 如n h 3 、h c n 和h 2 s 等) 的方法，可以归类于膜吸收过程【1 8 t1 9 1 。 ( 7 ) 化学中和法 碱性的废水和酸性的废水或酸性废气( s 0 2 、c 0 2 、c o 等) 互相中和是一种以 废治废，既简便又经济的办法。当废水中酸、碱的浓度超过5 以上时，应先考 虑综合利用。合成氨含氨的碱性稀氨水用密闭式空气循环汽提，汽提后的含氮气 体常用废硫酸加以涤、吸收、中和、回收硫酸铵。 ( 8 ) 液膜法【2 0 】 自从1 9 8 6 年被发现以来，乳状液膜得到了广泛的研究，被认为是有可能成 为继萃取法后的第2 代分离纯化技术，尤其适用于低浓度金属离子提纯以及废水 处理等过程。 6 甘肃农业大学2 0 0 9 应届硕士学位论文 ( 9 ) 其他方法 另外用循环冷却水系统脱氮法可处理浓度低于5 0m e , l 的废水。土壤灌溉法 亦可把低浓度的氨氮废水( 5 0 0r a g l ) 氨氮污水。在 s h a r o n 工艺中，温度和p h ( 最佳p h 为6 8 7 2 ) 被严格控制，以保证氨氮的亚 1 0 甘肃农业大学2 0 0 9 应届硕士学位论文 硝酸化，同时通过间歇曝气实现好氧条件下氨氮亚硝酸化和缺氧条件下亚硝酸盐 的反硝化。 短程硝化反硝化与全程硝化反硝化相比有以下优点【5 2 】：硝化阶段可节省好 氧量2 5 ，降低耗能；反硝化阶段所需碳源降低4 0 ，反硝化率提高，在c n 一 定的情况下可以提高t n 的去除率，这对处理高浓度氨氮废水具有特别重要的意 义；水力停留时间较短，反应器的容积减少；减少了投碱量，降低了焦化废水 的处理成本；缩短反应历程，增加了脱氮效率。 近年来，短程硝化和反硝化是脱氮研究中的一个热点。研究者主要立足于寻 求控制硝化反应停留在亚硝化阶段的有效而稳定的办法。硝化反应控制在亚硝酸 化阶段是短程脱氮的关键步骤，但这一步骤并不是很容易实现。研究者还通过其 它多种方法以寻求实现短程脱氮，如氨氧化菌的纯培养、控制温度、利用游离氨 的抑制作用等等，这些方法和控制d o 的方法，都有其局限面【5 扣5 引。几种不同的 短程硝化方法的对比情况列于表3 示： 表3不同短程硝化方法的对比【5 3 1 t a b l e3 c o m p a r i s o no fd i f f e r e n tm e t h o d sf o rs h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o n ( 2 ) 同时硝化反硝化 传统观点认为，硝化与反硝化不能同时发生，而近年来的新发现却突破了这 一认识，使得同时硝化与反硝化成为可能。近年来，好氧反硝化菌和异氧硝化菌 的发现以及好氧反硝化、异养硝化和自养反硝化等研究的进展，奠定了同时硝化 和反硝化生物脱氮的理论基础。同时硝化和反硝化( 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 d d e n i t r i f i c a t i o n 简称s n d ) 是指硝化与反硝化反应同时在相同操作条件下和同一反 甘肃农业大学2 0 0 9 应届硕士学位论文 应器中实现，硝化过程的产物是反硝化的反应物，硝化使系统的p h 下降，而反 硝化使系统p h 上升产生硝化所需的碱。这个工艺技术的开发充分利用了反应器 供氧不均匀的客观现象。s n d 工艺逐渐成为目前生物脱氮研究的热点之一。 目前，国内普遍认同的s n d 机理有三种：宏观环境理论、微环境理论和生 物学理论。其中微环境理论理论对s n d 的解释突破了传统生物脱氮理论的认识， 打破了认为硝化反应只能由自养菌完成，反硝化只能在厌氧条件下进行的传统观 点，通过异氧硝化、好氧反硝化作用脱氮成为s n d 中最经济的脱氮方法。一般 来说，对于s n d 的主要影响因素有：碳源、溶解氧、絮凝体特性等。在s n d 工 艺中，硝化与反硝化反应在同一个反应器中同时完成，与传统生物脱氮工艺相比， s n d 工艺具有明显的优越性，主要表现在：反应器体积小，降低基建费用； 反应时间短，具有很好的脱氮效果；无需添加碱度，减少运营成本；减少 曝气量，降低能耗。 目前，在荷兰、丹麦、意大利、德国等已有污水厂在利用s n d 工艺运行。 国内对同步硝化反硝化的研究尚处于实验室阶段，而且对具有特殊功能菌株的筛 选培育研究非常活跃。 a 异养硝化 乱异养硝化现象的发现 异养硝化现象早在1 9 世纪末和2 0 世纪初，就在土壤的硝化过程中被发现【5 9 】， 但由于在野外环境中，异养硝化过程难以检测和确定，使得对异养菌的硝化作用 的研究仅仅停留在纯理论的程度。自养硝化菌很强的硝化能力使得污水脱氮工艺 的单元完全是为自养硝化细菌设计。2 0 世纪8 0 年代以来，陆续有学者发现在一 些土壤和湖泊等自然环境中，异养硝化作用在硝化过程中起着主要作用，如 s c h i m e l m o l 等研究的美国内华达地区土壤；k i l l h a m 5 9 1 等研究的苏格兰东北地区的 酸性针叶林土壤：a d a m s 6 1 1 研究的酸性落叶松腐殖质：d u g g i n m 2 1 等研究的澳大利 亚北部酸性阔叶森土壤；杜睿【6 3 1 研究的我国内蒙古草原栗钙土壤，均发现并研究 证实异养硝化作用在自然硝化过程中起着主要作用。 b 异养硝化的机理研究 异养硝化机理研究的重点是异养硝化作用的关键酶及其基因。研究发现，异 养硝化菌在代谢底物时，有着与自养硝化菌相似的酶系统，即先由氨单加氧酶 1 2 甘肃农业火学2 0 0 9 应届硕上学位论文 ( a m m o n i am o n o o x y g e n a s e ，a m o ) 催化铵氧化，得到羟胺，然后由羟胺氧化酶 ( h y d r o x y l a m i n eo x i d a s e ，h a o ) 催化进步氧化得到亚硝酸【州。氨单加氧酶和羟胺 氧化酶就是异养硝化菌代谢过程中的关键酶，与之相对应的是a l t i o 和h a o 基因。 目前，对于异养硝化电子传递过程的研究较少，主要集中在常见的菌株上。 s t o u t h a m e r 等【6 5 j 在研究p a r a c o c c u sd e n i t r i f i c a n s 代谢无机氮的过程中总结了其在 进行异养硝化时的电子传递模式。 在代谢途径研究上，由于异养硝化菌种类繁多，并且其可以利用的基质范围 广泛，如铵、胺、酰胺、n 烷基羟胺、肟、氧肟酸及芳香硝基化合物等【矧，这 使得异养硝化机理的研究异常困难。因此，异养硝化作用的代谢途径还不完全清 楚，许多研究者提出了不同的假想途径。目前，多以丙酮肟以及其他一些肟类为 有机底物研究异养硝化的有机代谢途径。认为异养硝化菌氧化丙酮肟存在两种可 能的代谢途径【6 7 】：一种是无机途径，即丙酮肟先水解为羟胺和丙酮酸，羟胺再氧 化为亚硝酸；另一种是有机途径，即将丙酮肟直接氧化成亚硝酸。 c 异养硝化的研究现状 传统理论认为硝化与反硝化过程完全是对立的两个生化过程，但近年来发现 的一些特殊的细菌可以在有氧条件下同时进行异养硝化和反硝化，这为污水脱氮 引入全新的概念，从理论上进一步增加了污水硝化与反硝化在一个单元内同步进 行的可能性。c a s t i g n e t t i l 6 8 l 等首次报道了土壤中常见的假单胞茵等1 2 种反硝化细 菌可产生异养硝化现象。r o b e r t s o n 6 9 1 等从污水处理厂的反硝化单元分离出泛养 硫球菌( t h i o s p h a e r a p a n t o t r o p h a ) ，该细菌可进行好氧反硝化，同时又是异养硝化 细菌。r o b e r t s o n 7 0 1 等人还提出了好氧反硝化的工作模型，即t h i o s p h a e r a p a n t o t r o p h a 和其他好氧反硝化菌使用硝酸盐亚硝酸盐呼吸( 好氧反硝化) 和氨氧 化，以及在最后一步作为过量还原能量的累积过程形成 p o l y p h y d r o x y b u t y r o t e ( p h b ) 。g u p t a l 7 q 等研究了r b c ( r o t a t i n gb i o l o g i c a lc o n t a c t o r ) 反应器中的同时硝化反硝化现象，证实了t h i o s p h a e r a p a n t o t r o p h a 细菌具有好氧 反硝化的功能，并指出同时硝化反硝化是最经济的脱氮方法。 我国对异养硝化机理的研究则起步较晚，相关研究和论述也不够深入。我国 对生物脱氮的研究至今还主要是：针对传统工艺的改进，新工艺的研究和开发 应用还较少，对微生物学机制的研究更少；硝化作用的研究还停留在菌种的分 1 3 甘肃农业人学2 0 0 9 应届硕上学位论文 离、纯化和生理生化特性的研究。对已正式描述的硝化细菌进行总结如表4 。 表4 异养硝化细菌 t a b l e4h e t e r o t r o p h i cn i t n l y i n gb a c t e r i a b 好氧反硝化 钆好氧反硝化现象的发现 最早给出好氧反硝化反应科学确证的是k r u l t 8 2 】和m e i b e r g 8 3 1 ，最早观察到好 氧反硝化现象的是r o b e r t s o n 和k u e n e n t s 4 1 ，他们在实验室观察到有氧存在的条件 下发生了反硝化现象，甚至有的可以在氧浓度达到7 r a g & 的环境下进行。在此 以前，反硝化一直被认为是一个严格的厌氧过程，因为反硝化菌作为兼性菌优先 使用溶解氧呼吸，甚至在浓度低于0 1 m g l 时也是如此，这样就阻止了使用硝酸 盐和亚硝酸盐作为最终电子受体，不过这种限制只是对专性厌氧反硝化菌起作 用。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，如p o c h a n a 8 5 】 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。国内有很多学者、研究人员在类似的实 验研究中发现了好氧反硝化现象妊矧。这些现象充分证实了好氧反硝化现象确实 存在。 b 好氧反硝化机理研究 在电子理论中，0 2 的得电子能力阻止了电子传递给n 0 3 或n 0 2 ，从而抑制 1 4 甘肃农业大学2 0 0 9 应届硕士学位论文 了反硝化的进行。而最近的研究表明，细菌好氧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n 0 2 都会降低细菌的生长率和反硝化率【9 1 1 。v i l s o n 9 ：2 l 等人提出了细菌反硝化过程中的电子传递模型。对好氧反硝化细菌的各种反硝化 酶也进行了研究，有硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶、一氧化氮还原酶和一氧化 二氮还原酶等。 c 好氧反硝化现象的研究现状 很多科学工作者发现，将好氧反硝化细菌同硝化菌群混合培养，有众多优点 9 3 9 6 ，因此，国外己对好氧条件下的生物脱氮过程开展了较深入的研究。目前 国外对好氧反硝化细菌的研究方向为：生理生化性质的研究。国外的l o n e f r e t t e 、s h w ul i n gp a i 和n a o k it a k a y a 等都分离出了不同种属的好氧反硝化菌， 并对细菌的生理条件如温度、p h 、c n 的比值，总氮的去除过程等作了深入的 研究。工艺方法的研究。国外的研究者把得到的好氧反硝化细菌用于实验阶段 的工艺研究，也取得了较好的总氮去除效果。但是如何把好氧反硝化细菌与一个 成熟的工艺结合起来，并有现实的实践意义，仍是一个新的发展方向。 目前国内的研究状况，对传统的生物脱氮的理论知识成熟，不仅把工艺成功 的运用于实践中，而且还结合我国的特色，研发出了许多新型的反应器【9 7 1 。对于 好氧反硝化细菌的研究才刚刚的起步，国内做的还不多，很多的研究基本还处于 实验的探索阶段，已正式描述的好氧反硝化细菌如表5 。 甘肃农业大学2 0 0 9 应届硕士学位论文 表5 异养硝化细菌 t a b l e5a e r o b i cd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a 1 6 甘肃农业大学2 0 0 9 应届硕上学位论文 ( 3 ) 厌氧氨氧化 2 0 世纪9 0 年代中期，荷兰的m o u l d e r 小组发现，厌氧条件下氨可以作为 电子供体直接进行亚硝酸盐的反硝化作用，这个过程被定义为厌氧氨氧化 ( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ，a n a m m o x ) 1 2 5 , 1 2 6 】。早在1 9 7 7 年，b r o d a l l 2 7 】 就预言了一种化能自养菌具有以n o 2 为电子受体，把氨态氮氧化为氮气的潜在 能力，称之为反硝化氨氧化菌。1 9 9 4 年，k u e n e n l l 2 8 1 等发现了某些细菌能利用 n 0 3 或n 0 2 作为电子受体，将n h 4 + 氧化为n 2 或气态氮化物。1 9 9 5 年，m u l d e r 在 脱氮流化床反应器中，发现了厌氧氨氧化现象，从而证实了b r o d a 的预言。之后， v a n d e g r a a f 进一步证实了厌氧氨氧化是一个微生物学反应，反应终产物是氮气。 j e t - t e n 1 2 9 1 对a m a m o x 的进一步研究表明：在缺氧或厌氧的条件下，氨氧化可以 利用n h 4 + 或n h 2 0 h 作为电子供体，将n 0 2 或n 0 3 还原，n h 2 0 h 、n 2 h 2 、n o 和n 2 0 等为重要的中间产物，并提出了其可能的两种酶学反应途径。 目前推测厌氧氨氧化有多种途径。其中一种包括羟氨和亚硝酸盐生成n 2 0 的反应，n 2 0 可以进一步转化为氮气，氨被氧化为羟胺；另一种是氨和羟胺反应 生成联氨，联氨被转化为氮气并生成4 个还原性 h 】，还原性【h 】被传递到亚硝酸 盐还原系统形成羟氨；还有一种是一方面亚硝酸盐被还原为n o ，n o 被还原为 n 2 0 ，n 2 0 再被还原为n 2 ，另一方面n h 4 + 被氧化n h 2 0 h ，n h 2 0 h 经n 2 n 4 、n 2 h 2 被转化为n 2 。 由于厌氧氨氧化菌生长缓慢，所需生理条件也比较特殊，最初的分离遇到了 很大的困难。经过大量的努力，目前已经发现3 个属的厌氧氨氧化菌： c a n d i d a t u s “b r o c a d i a 口n a m m o xi d a n s ，【1 3 0 , 1 3 1 c a n d i d a t u s “k u e n e n i a s t u t t g a r t i e n s i s 【9 5 1 和c a n d i d a t u s s c a l i n d u a s o r o k i n i f ，【1 3 3 1 。对厌氧氨氧化开展的研究，应用于工 业规模的运行装置还不多见。目前主要有荷兰d e l f t 工业大学提出的 s h a r o n a n a m m o x l l 3 0 , 1 3 4 , 1 3 5 - v 艺和及全自养亚硝酸型脱氮c a n o n 等。 最近几年，对厌氧氨氧化菌的特性和应用都进行了广泛研究，取得了令人瞩 目的进展。厌氧氨氧化菌在海洋和淡水中的广泛存在和生境问题也逐渐引起人们 的关注，然而目前这类菌的分离纯化和纯种培养还比较困难，对自然界可能存在 的新种的描述还很不够，这就大大限制了对该类微生物的深刻认识和应用