（微生物学专业论文）电极sbbr法对城市污水的反硝化脱氮研究.pdf

电极一s b b r 法对城市污水的反硝化 脱氮研究 微生物专业硕士研究生：刘静 指导教师：陈玉成教授 ( 摘要) 随着世界人口的快速增长和社会经济的不断发展，人们对用水的需求量越来越大，与此 同时，城市污水和工业废水的排放量亦与日俱增，水体富营养化现象也日益严重生物脱氮 处理是改善城市污水水质、保证水环境安全的重要途径之一提高处理效率、降低营运成本、 保障处理的和谐运行是污水生物处理自始至终所追求的目标。电极生物膜法是目前认为最有 发展前景的一种生物脱氮处理技术。 本研究首次将电极生物膜法引入s b b r 系统对城市污水进行反硝化脱氮处理，为开发一 种水处理新工艺奠定一定基础。电极一s b b r 法脱氮结合了生物法和电化学法各自的优点，实 现了清洁、高效的反硝化脱氮。本试验讨论了电极s b b r 处理城市污水中氮的方法，得到该 方法的最佳工艺条件，即温度维持在3 帖3 2 ，曝气阶段的p h 在弘8 之间，沉淀阶段的p h 在6 ”5 之间，运行周期为4 9 5 m i n ，f 即进水3 0 m i n ，静止9 0 r a i n 。曝气2 1 0 r a i n ，沉淀1 2l n 妯， 排水3 0 m i n ，闲置1 5 m i n ；在同一运行周期下的最优h r t 为进水3 0 m i n 。缺氧3 0 m i n ，曝气 2 1 0 m i n ，沉淀1 8 0 m i n ，排水3 0 m i n ，闲置1 5 m i n ，电流强度为1 2 0 m a ，好氧阶段的d o 控制 在g 几，o n 比为7 和n 如 - n 浓度为4 0 m g ，l 在最佳工艺条件下，在周期4 9 5 m i n 内n o a - n 的最商去除率可达8 9 4 8 ，1 n 的去除率在6 6 6 乃扣8 4 3 7 当达到该系统稳定运行时，通过 显微镜观察在稳定运行期间反应器内的生物相，通过观察了解反应器内生物的种类和各生物 之间的关系，以及它们对系统脱氮效率的影响。 本试验还初步研究了在c u 胁迫下电极s b b r 反应器对水中氮的去除反应器的阴极和阳 极都是采用的石墨电极，将反硝化微生物固定于软性填料和阴极板表面，并对其进行通电及 c u 离子的驯化反应器内c u 离子浓度按小到大的浓度梯度( o 2 ，4 ，6 ，8m g ，l ) 进行驯 化，每2 4 h 投加一次c u 离子，并在投加2 4 h 后检测反硝化情况。这样微生物不断的适应，c u 离子的浓度不断增加。为寻求电极- s b b r 反硝化脱氮的特性，以运行周期、电流强度、d o ， c ，n 比为反硝化作用的影响因素进行试验结果表明：温度维持在3 0 3 2 。曝气阶段的p h 在7 8 之间，沉淀阶段的p h 在6 5 7 5 之间，运行周期为5 1 0 r a i n ，电流强度为9 0m a 时，好 氧阶段d o 的控制在3 4 m 班之间，c ，n 比为8 条件下在c u 胁迫下反硝化脱氮的效果能达到 最佳，出水各指标的浓度均能达到国家污水排放标准。 两南人学硕i 二学位论文 中文摘要 i 论文最后指山由于时间和试验条什的限制对系统反硝化阶段的i u 解用i ，“气艇的验证试 验填料和极板材料的选择以及多阴极板系统，生物膜中微生物的菌种的分离与鉴定以及利 刚阴极扳和填料上经筛选、驯化的优势反硝化菌属等内容有待进一步的研究 关键词：电极s b b r 反硝化硝态氦铜 n 两南人学硕l ：学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t hr a p i d eg r o w t ho fw o r l dp o p u l a t i o na n ds o c i a le c o n o m yd e v e l o p m e n t t h ep e o p l e s d e m a n dq u a n t i t yo f 丘e s hw a t e ri sr a o r ea n dn l o r e a tt h es a l n et i m e , t h ed i s c h a r g eo fm u n i c i p a l s e w a g ea n di n d u s t r i a lw a s t ea l s og r o w sd a yb yd a y , a n dt h ep h e n o m e n o n , w a t e re u t r o p h i c a t i o ng e t s ， i n o r es e r i o u s b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s i n gi st oi m p r o v et h eq u a l i t yo f m u n i c i p a ls e w a g e ， o n eo fi m p o r t a n tw a y st og u a r a n t e ew a t e re n v i r o n m e n t a ls e c u r i t y e n h a n c i n gt h e p r o c e s s i n g e f f i c i e n c y , r e d u c i n gc o s la n de n s u r i n gh a r m o n i o u so p e r a t i o na r et h eg o a lw h i c ht h et r e a t m e n t p u r s u e s i ti st h o u g h tt h a tt h eb i o - e l e c t r o d ep r o c e s si s ak i n do fb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l p r o c e s s i n g ，w h i c hh a st h eb e s tf o r e g r o u n d s of a r t h eb i o f i l m - e l e c u 们er e a c t o ri si n t r o d u c e dt ot h es b b ro fs e w a g et r e a t m e n tf o rt h ef a s t 虹m a n da st h eb a s eo f d e v e l o p i n gak i n do f n e wt e c h n o l o g yf o rw a e t e w a t e rt r e a t m e n ti nt h ep a p e r t h e e l e c t r o d e s b b rp r o c e s sc o m b i n e dt h es t r o n g p o i n t so fe l e c t r o - c h e m i c a lm e t h o da n db i o l o g y m e t h o d t h eh i g h - e f f i c i e n t l ya n dc l e a n l yd e n i t r i f i c a t i o nc a nh er e a l i z e db yt h i sp r o c e s s a p p l i c a t i o n o fv a r i o u sm e t h o d sf o rt r e a t m e n to fn i t r a t e p o l l u t e dm u n i c i p a ls e w a g e w a si n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t a l l yi n t h i sp a p e r t h er a n g eo ft h eo p t h - n u mp r o c e s sc o n d i t i o nw a ss t u d i e d w h e n t e m p e r a t u r ew a s3 0 ( 2t o3 2 c ，t h ep h0 f a e r a t e dp h a s ew a s7t o8 ，t h ep ho f a n o x i cp h a s ew a s6 5 t o7 5 ，o p e r a t i o nc y c l ew a s4 9 5i n i i i ，w a t e rf e e d3 0 m i n , a n o x i c9 0i i l i i l ，a e r a t e d2 1 0 曲，s e t t l e1 2 0 i n i i l d e c a n t3 0i l l j 珥o n u s e d1 5m i n ；t h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) w a sw a t e rf e e d3 0n d l l a n o x i c3 0n l i l l ，a e r a t e d2 1 0r a i n ，s e t t l e1 8 0m i n , d e c a n t3 0r a i n ，u n u s e d1 5 慨t h ee l e c t r i cc u r r e n t w a s1 2 0m a ，t h ed oo fa e r a t e dp h a s ew a s3t o4m g l , t h ec nc o n c e n t r a t i o nr a t i ow a s7 n i t r a t e c o n c e n t r a t i o nw a s 加l i l 盯。u n d e rt h eb e s to p e r a t i n gc o n d i t i o no f 4 9 5m i n , i tw a sc o n f i r m e dt h a ta h i g h e rn i t r a t er e m o v a lr a t i oc a nh ea c h i v e d8 9 4 8 , a n dt h er a n g eo ft n ( t o t a ln i t r o g e n ) r e m o v a l r a t i ow a s6 6 6 7 t o8 4 3 7 w h e nt h es y s t e mi sn o r m a la n ds t a b l e ，b i o f a c i e sw a so b s e r v e db y m i c r o s c o p yd u r i n gs t a b l eo p e r a t i o nc y c l e , a n di tk n e wt h es p e c i e sa n dr e l a t i o no f t h es p e c i e si nt h e r e a c t o r , a n dt h eb i o l o g i ci n f l u e n c eo nt h ee f f i c i e n c yo f d e n i t r i f l c a t i o n 。 d e u i t r i t i c a t i o nw a si n v e s t i g a t e de x p e r i m e n m l l yi ne l e c h o d e - s b b ri n t i m i d a t e db yc ui nt h i sp a p e r t h ec a t h o d ea n da n o d eu e s dg r a p h i t ee l e c t r o d e ，a n dt h ed e n i t r i f i e rt h a tw a sd o m e s t i c a t e db yc u r r e n t a n dc o p p e ri o nw e r ei m m o b i l i z e do i lt h es o f tc a r r i e ra n dt h ef a c i e so fc a t h o d e t h ec o n c e n t r a t i o no f c o p p e ri o nw a s0 ，2 ，4 ，6 ，8m g lt od o m e s t i c a t e , a n dt h ec o p p e ri o np u ti ne v e w2 4h a f t e r2 4h d e n i t r i f i c a t i o nw a si n s p e c t e d , t h em i c r o o r g a n i s ma d a p t e di n c r e s c e n tc o n c e n t r a t i o n o f c o p p e ri o n i n i i i o r d e rt of i n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fd e n i t r i f i c a t i o ni ne l e c t r n d e - s b b r , s e r i e so fs e p a r a t ee x p e r i m e n t s w e r ec a r r i e do u td i f f e r e n tw i t ho p e r a t i o nc y c l e ，e l e c t r i cc u n n t ，d o ，c n i tc a nb ec o n c l u d e dt h a t b e t t e re f f e c t i v er e m o v a lo fi n d i c a t o r su n d e rt h ec o n d i t i o no ft = 3 0 - - 3 2 c ，t h ep ho fa e r a t e dp h a s e w a s7t og 。t h ep ho fa n o x i cp h a s ew a s6 5t o7 5 ，i - - 9 0m a , t h ei x ) o fa e r a t e dp h a s ew a s3t o4 - m l ，c n = 8 ，a n de f f l u e n tc o t w e n t r a t i o no f i n d i c a t o r sm a c h i e v ee m i s s i o ns t a n d a r d so f c h i n a f i n a l l y , s o m e f u r t h e rr e s e a r c h e sw e r es u g g e s t e do nt h e f o l l o w i n gd e t e c t i o n s ，v a l i d a t e d e x p e r i m e n t a t i o no fe l e c t r o l y s ea n dg a sp r o d u c t i o ni nd e n i t r i f i c a t i o np h a s e ，t h ec h o i c eo fc a r r i e r , e l e c t r o d em a t e r i a la n dm u l t i - c a t h o d es y s t e m , i s o l a t i o na n di d e n t i f i c a t i o no fm i c r o b i a ls t r a i n , s c r e e n i n ga n dd o m e s t i c a t i n go f d o m i n a t i n gm i c r o b i a ls p e c i e so i lt h ec a t h o d ea n dc a r r i e ra n d s oo i l k e y w o r d s ：e l e c t r o d e ，s b b l ld e n i t r i f i c a t i o n ，n i t r a t e ，c o p p e r 独创性声明 学位论文题目：电拯：曼旦旦基洼殖遮立透丞的区趟焦邀氢珏究 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 为获得西南大学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己在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者： 签字日期：明年6 月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、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复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的 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，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：安，音争 导师签名：随玉7 3 ) 签字日期：如0 1 年f 月歹日签字日期：加d 7 年；月厂日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 两南人学硕i ：学位论文 第1 带文献综述 第1 章文献综述 随着： 业的发展。城市化的进程，城市所摊放的废水远远超过了河流的白净负荷白i ： 业革命以来，人们便不断的寻找对废水处理的对策自1 9 1 4 年a r d e n 和l o c k e t t 发明了活性 污泥法以来，城市污水的处理工艺技术得到了不断的发展，特别是近几十年来，随着工业化 的进程，人类科研能力的提高，技术水平的提升，活性污泥处理技术得到了飞跃式的发展， 理论不断的成熟。处理工艺也从传统活性污泥法、氧化沟工艺发展到a o 、a 2 o 、a b 、s b b r 等多种工艺 但是，随着世界人口的快速增k 和社会经济的不断发展。人们对用水的需求量越来越大， 与此同时，城市污水和工业废水的排放量亦与日俱增。我国城市的污水处理的发展水平与发 达国家相比有很大的差距，与部分发展中国家相比也有很大的差距。国外污水处理率：英国 9 0 、法国8 0 、日本6 0 、美国8 0 。截止到2 0 0 3 年，我国建成污水处理厂6 1 2 座，处理 率仅为4 2 尽管全国每年新增城市污水处理能力3 亿矗，但仍以每年处理能力缺口2 0 亿 m 3 的速度在不断增大。中国城市市政系统年纳污水2 0 9 亿l j ，建有城市污水处理厂1 8 7 , 座， 处理率为1 6 1 8 。由此可见我国和工业发达国家相比差距是很大的，这些差距有认识上 的，有组织上的。也有技术上的。现阶段我国城市生活污水的处理工艺( 郑兴灿等，2 0 0 1 ) 以活性污泥法、生物膜法、a 2 o 法、氧化沟等生物处理工艺为主相对s b b r 法而言，这些 占据工业废水和生活废水处理统治地位的生物法工艺，大都存在投资大、占地面积大、运行 周期长、污泥需要回流、剩余污泥量大、动力能耗较高、工艺复杂和管理困难等不足。因此， 应结合我国国情进一步研究开发更加“经济，高效、节能和技术先进”的废水处理新技术 1 1 水体中氮素污染及其危害 在有人类活动的区域，氮素循环受到严重干扰，例如，含氦矿物和燃料的开采、加工 和利用，不但将地壳深层( 生物圈外) 的氮素带来至生物圈，提高了生物圈氮素总量；也改 变了相应区域的氮素组成；工业和农业固氮( 工业上大规模生产氮肥，农业上大面积栽培 豆科植物) ，将大量氮气转化为氨，加速了生物圈的固氮进程，对相应区域的氮素平衡产生了 巨大的冲击；人类居住渐趋集中，氮素也随日用品和食品向居住地迁移，致使局部区域的 氮素输入量大大高于输出量。这些人类活动的干扰可引起氮素循环失衡，导致中间产物积累， 造成氮素污染( 引起环境质量下降而有害于人类与其他生物的正常生存和发展) 1 1 1 水体氮素污染的来源及污染现状 1 1 1 1 氛素污染物的来源 随着工农业生产的迅速发展，目前许多国家的地下水都受到不同程度的氮的污染废水 中的氮一般以有机氮、氮氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等4 种形态存在。地表水体和地下水中 两南人学硕i ：学位论文第1 帝文献综述 的氰土要是以离子态氩的形式存在 我国火多数地区的地f 水在不同程度上都避受l 口氮的污染，某些地区己十分严重，如西 安市及市郊泉水中最高含量达6 0 0 m g l ，平均达1 8 9 m g l ，超标面积为1 6 8 k m 2 ：北京市超标 面积2 0 0 k i n 2 以上；长春市地下水中硝酸盐氮含量最高达3 9 2 m g l ，超标面积为1 2 6 k i n 2 ；成都 市最高的超标5 5 倍。分别对江苏吴县和陕西的上百眼井的调查结果也表明( 冯兆忠等，2 0 0 5 ) ， 硝态氮含量超标率分别为3 8 汞12 5 。在我国的“三北”地区( 特别是在农村) ，以地下水作为生 活用水且大多数是浅层地下水它受到硝酸盐氮污染般都较严重。其对人们健康的危害 尤大。 表i - 1 我国水环境中氲的来源及其进入方式( 郑兴灿等。1 9 9 8 ) t a b 1 - 1t h eo r i g i no f n i t r o g e na n di t se n t e r i n gm o d e si nc h i n e s ew a t e re n v i r o n m e n t 氦的来源进入水环境的方式 污承厂出承 工业生产 未经处理污水 火山活动 农业施肥 动物废弃物 动植物残体腐败 污水处理厂污泥 船舶等交通工具 非市区径流 化石燃科 天然固氮作用 土壤和地壳的变动 填埋沥出液 化粪池浸滤液 直接捧放和灌溉 污水捧放、进入地下水或通过降水 直接排放 降水、大气和重力沉降 地表径流 挥发、降水、地表径流和地下水运动 地表径流和地下水运动 直接废弃或农用 直接捧放 直接排放 降水、大气及重力沉降 就地 大气和重力沉降 地下水运动 地下东运动 含氮物质进入地表水体和地下水中的途径包括自然过程和人类活动两个方面，许多工业 废水( 如制革废水、食品加工废水、炼焦废水、合成氨氮废水) 含有氮素污染物。污染物的 种类和浓度因行业而异，变化较大。畜禽养殖污水( 农业污水) 也含有大量氮素污染物。据 统计，且前我国排放畜禽养殖污水超过2 0 0 亿t ，氮污染负荷高达1 5 9 7 万t 值得关注的是， 在解决“垃圾围城”问题后，垃圾填埋渗滤液又成了新的问题。据估计，2 0 0 4 年，我国城市生 活垃圾的产量约1 5 亿t ，垃圾填埋渗滤液每升的含氮量高达数百甚至数千m g ( 表1 - 1 ) 国外的氮污染也甚为严重调查表明，美国饮用水质发生因硝酸盐氮超标事例有近l ，4 2 弧南人学硕l ：学位论文 第f 带文献综述 荧国中听部地区，地+ 卜水中硝酸盐氮超标尤为显并根据荚国环保局对i n 金山海湾盆地的调 查( 袭l - 2 ) 城市污水、l - q l , 废水和农业( 养殖) 污水是水体氯素污染物的土要来源，分别 占总量的4 9 0 、3 0 o 和1 1 1 。丹麦的调查结果表明，全国的饮用水水井均受到硝酸盐氮 的污染，其中私人水井超标尤为严重。而对于饮用水的9 ( y o 以上来自于地下水的德国，意大 利、奥地利等国，硝酸盐氮的污染对人体健糜的危害就更大了 表1 - 2 美国旧金山海湾盆地的氯素污染源( h a i l i n g s o r e n s e nbe ta l 。1 9 9 3 ) t a b 1 - 2t h en i t r o g e np o l l u t i o ns o u r c eo f s a nf r a n c i s c ob a yb a s i ni nu s 表1 - 3 美国城市生活污水的含氮量( h a i l i n g s o r e n s e nbe ta l ，1 9 9 3 ) t a b 1 - 3t h en i n , o g c nc o n t e n t so f m u n i c i p a ls e w a g ei nu s 在新鲜的生活污水中，有机氮约占6 0 ，氨氮约占4 0 。在陈腐的生活污水中，因受生 物分解，有机氮所占的比例下降，氨氦所占的比例升高由于每天人均产生含氮废弃物的数 量相对稳定 1 6 9 ( 人d ) 1 ，因此生活污水的含氮量与人均耗水量成反比据报道，美国城市 生活污水的含氮量约为2 0 - - - 8 5 m g l ( 表1 - 3 ) 1 1 1 2 氦素污染的危害 ( i ) 刺激地表水中植物和藻类的过度生长 植物和藻类的生长离不开营养物质在自然水体中，它们的生长通常受氮( n ) 和磷( p ) 的限制由于水生植物所需的n p 为4 - 1 0 ( 质量比) ，而寡营养型湖泊的n p 大于1 0 ，因此 磷的限制作用更大但是，如果城市生活污水捧入水体中，由于污水的n p 为3 【氦磷含量分 别为3 0 m g l ( 以n 计) 和1 0 m g l ( 以p 计) 】，湖泊的n p 降低，氮磷的限制作用发生逆转 3 两南人学颂l ：学位论文第1 常文献综述 氮索随污水持续进入水体可引起水体寓营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 。造成水生植物和藻类 过度生挺。井由此衍生山一系列不良的后果：水生植物和藻类大姑繁殖，覆盖水面，影响 景观( 酗l - 1 ) 哧潮”使海面呈现红色，使人感到一片萧条藻类密度过高，阻塞鱼鳃和贝 类水孔，影响呼吸作川藻类产生毒素，如c y a u l a xc a t e n e l l a 产生石房蛤毒素( 剧烈的神经 毒素) ，可引起鱼、贝中毒。藻类产生气味物质，使水体散发异常气味，如士腥味、霉腐味， 鱼腥味等如果以富营养化水体为水源，藻类可堵塞滤池而影响水厂生产，所含的毒素和 气味物质则影响饮用水的质量。 富营养化现象是一个全球性问题。早在2 0 世纪初，首先在瑞士发现了富营养化现象第 二次世界大战后，欧洲水体富营养化现象己变得十分普遍。特别是在5 0 年代含磷洗衣粉开始 在欧洲广泛使用后，欧洲水体富营养化现象更为严重 在我国水体富营养化现象已经非常严重。2 0 0 3 年底根据全国4 0 9 个监测断面的监测结果 统计，辽河，海河、黄河、松花江、珠江、淮河、长江七大水系，主要污染指标为氮氮、五 日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类。我国“三湖”水质均为劣v 类，污染较重，主要污染 指标为总氮和总磷。按富营养化评价分析，太湖为轻度富营养，巢湖为中度富营养，滇池为 重度富营养。根据我国湖泊富营养的急剧恶化趋势分析：我国本世纪前十年内不仅是湖泊富 营养化面积进一步增加，可能将出现全国大范围的富营养化灾害 ( 2 ) 通过硝化作用引起水体缺氧 氨是硝化细菌的能源，硝化作用会消耗大量氧气由于氨氮的理论需氧量为4 6m g m g ( 0 2 n h 4 + ) ，在二级处理出水中，氮需氧量( i 廿。擘a o x y g e n d e m a n d ，n o d ) 占总需氧量 ( t o t a l o x y g e n d e m a n d ，t o d ) 的比例可高达7 1 3 ( 表l - 4 ) ( 郑平等，2 0 0 4 ) 。假如水体没有 足够的稀释能力，二级处理出水排入水体后，氨氮将耗尽溶解氧。 表l _ 4 硝化处理对二级出水总需氧量的影响( u s a e p a , 1 9 9 1 ) t a b 1 - 4t h ei n f e c t i o no f n i m f i c a t i o nt r e a t i n go nt o t a lo x y g e nd e m a n do f s e c o n d a r ye f f l u e n t 注：i t 为取有机物的i j 倍b 为总凯氏置c 为取 r k n 的4 6 倍 4 眄南人掌顾f + 学位论文第l 币文献综述 2 0 c 时水中的饱和溶解氧浓度约为9 m 叽，许多鱼类生活所需的溶解氧浓度邡住5 m g n 以上。也印要求水中溶解氧的饱和度人丁5 6 氨氮消耗溶解氧，可对水生生态系统造成严 重影响 ( 3 ) 氨对水生生物产生毒害 氨是水生植物和藻类的营养物质，同时也是鱼类和其他水生动物的毒性物质在水中，氨 以离子态( n h 4 + ) 和分子态( n h 3 ) 存在，引起毒害作朋的主要是n h 3 由于p h 和温度可影响n h 3 的g r 已i n h ( n h 3 + n h 4 + ) 】，升高p h 或温度，可明显增强氨 氮的毒性。夏天，在一些富营养化程度高的水体中，光合作用很强c 0 2 消耗很大，p h 上升 很快，极易诱发水生生物的氨中毒 以鲑鱼和非鲑鱼所做的急性毒性试验证明鱼类出现急性中毒的n h 3 浓度为0 1 - 1 0 m g l ( 4 ) 硝酸盐影响人类健康 硝酸盐和亚硝酸盐之所以受到公共卫生部们的高度关注，是刚为它们能诱发高铁血红蛋 白血症( m e t h e m o g l o b i n e m i a ) 和胃癌。 高铁血红蛋白血症主要发生于婴儿人群中，患者皮肤呈淡蓝色因此被称为“蓝儿”( b l u e b a b i e s ) 症。婴儿吸入含有硝酸盐的饮品后，会在胃和唾液中还原成程硝酸盐，并与红蛋百反 应生成高铁血红蛋白。 正常血红蛋白：血红蛋白( f e “) + 0 2 一氧合血红蛋白( f e z * ) ( 红色，具有输氧能力) ( 1 - l a ) 异常血红蛋白：血红蛋白( f e 2 + ) + n o - - 高铁血红蛋白( n ，) ( 褐色，丧失输氧功能) ( 1 一l b ) 由于正常血红蛋白具有输氧能力【式( 1 1 a ) 】，而高铁血红蛋r i 没有输氧能力，当后者在 血液中的含量超过7 0 时，就会导致婴儿窒息，皮肤变成淡篮色。1 9 4 5 - 1 9 7 5 年美国和欧洲记 录了2 0 0 0 例高铁血红蛋白血症，死亡率达7 , - - 8 。由于诊断困难再加上没有要求上报，实 际病例可能要比记录病例高得多。鉴于此饮用水标准规定，硝酸盐含量必须低于1 0m g l 。 硝酸盐诱发胃癌主要是亚硝基化合物所致。硝酸盐还原产生弧硝酸盐，后者可与胺或酰 胺反应生成亚硝胺【式( 1 - 2 ) 】或亚硝酰胺，两者都有致癌作用流行病学研究表明，硝酸盐 摄入量大的人群，胃癌发生率也高。有关硝酸盐与其他癌症的关系。积累的资料很少，尚难 定论( 郑平等。2 0 0 4 ) 。 r - c h 2 n o f + r - n h 2 一n - n 旬( 1 - 2 ) i o c h ， 1 2 反硝化脱氮的基本理论 废水中的氮一般以有机氮、氨氮、噩硝酸盐氮和硝酸盐氮等四种形态存在，而在未处理 的原废水中，有机态氮和氨氮是氮的主要存在形式；经二级生化处理后出水中氨氮和硝态氮 是氮的主要存在形式在一定条件下各种形式的氮可以相互转化现阶段氮氮废水处理方法 的研究已取得很大进展，化学法、物理法、生物法等都得到了广泛的应用化学法中比较常 5 西南大学硕l ：学位论文第1 章文献综述 用的有空气吹脱法、折点加氯法和离- f 交换法生物法是目前应川最j - 的废水脱氮技术，它 通常由硝化工艺和反硝化： 艺组成，包括活性污泥法、s b b r 法、生物转盘法、同时硝化反硝 化( s n d ) 、短程硝化反硝化法和厌氧氩氧化法( a m a m m o x ) ( 闫：占英等，2 0 0 6 ) 等而对于 氮氮废水处理采用的生物反硝化法，一般包括硝化和反硝化两个阶段，首先在好氧条件下， 通过好氧硝化菌的作用，将废水中的氮氮氧化为亚硝酸盐氮或硝酸盐氮：然后在缺氧条件下， 利用反硝化菌( 脱氮菌) 将亚硝酸盐氮和硝酸盐氦还原为氮气而从废水中逸出，从而达剑净化处 理的效果。就反硝化过程而言，目前用于反硝化( 包括硝酸型氮及- 砭硝酸型氮去除) 的方法主要 有：化学脱氦，催化脱氮、反渗透、电渗析，离子交换法( i e ) 、生物脱氮等；而对于氩氮废水 的处理多采用生物反硝化法，而且也是目前被认为是展有发展前途的反硝化脱氮方法 1 2 1 几种常见的反硝化脱氮法原理及其特点 1 2 1 1 物化法 ( 1 ) 电渗析法和反渗透法 电渗析法是在外加直流电场作用下，利用离子交换膜的选择透过性( 即阳膜只允许阳离子 透过，阴膜只允许阴离子透过) ，使水中阴阳离子作定向迁移，从而达到离子从水中分离的一 种物理化学过程反渗透是指当咸水一侧施加的压力p 大于该溶液的渗透压时，可迫使渗 透反向。实现反渗透的过程 反渗透膜对无机盐的选择性很强。处理后的水基本上不含无机盐，因此，只需处理一部 分水，然后将处理水与未处理水混合电渗析则必须将所有的水都进行处理。如果不考虑废 液排放费用，水的损失也忽略不计，那么两种方法的水处理费用几乎相同。与电渗析相比， 反渗透的优点是管理简单。尤其适用于小型的处理厂，但反渗透的浓缩作用会导致硅石、碳 酸钙结垢，影响出水过程的正常运行 综上所述，反渗透和电渗析法主要适用于总溶解性固体含量高的水以及海水淡化，而若 用这两种方法处理总溶解性固体含量低的水，其处理费用大大高于离子交换法此外，膜分 离法对硝酸盐无选择性，能去除所有的无机离子，产生浓缩无机盐废水，存在着废水排放问 题。而且水经膜法处理后，其整个成分发生了变化，因此，从人类健康、成本费等方面考虑， 膜法的实用性较差。 ( 2 ) 化学脱氯 在碱性p h 条件下，通过化学方法可以将水中的硝酸盐还原成氨，反应方程式可用式( 1 - 3 ) 表示： n o 。8 f e ( o h ) z + 6 h 2 0 n h 3 + 8 f e ( o h b + o i r( 1 - 3 ) 该反应在催化剂c u 的作用下进行，f e m 0 3 。的比值为1 5 ：l ，该工艺会产生大量的铁污泥， 并且形成的氨气需要用气提法除去 s o r g ( 1 9 7 8 ) 研究过用亚铁化合物去除硝酸盐，结果表明，由于成本太高，此工艺难于实 6 两霄人学硕i ：学位论文第1 帝文献综述 际应j j m u r p h y 等( 1 9 9 1 ) 人利朋粉末铝去除硝酸盐，反麻主要产物为氨，0 i6 0 - - 9 5 可 以通过气提法除去。反应的最佳p h 为1 0 2 5 实验结果表明，还原i g 硝酸盐需要i 1 6 9 铝 这样使处理的成本人大升高了，很难应用于实践生产中 ( 3 ) 离子交换法( 1 e ) 离子交换法去除硝酸盐的原理是：溶液中的n o r 通过与离子交换树脂上的c 1 或h c 0 3 一 发生交换而除去。阴离子交换树脂对儿种阴离子的交换次序是： s 0 4 n o f c i - f h c 0 3 - h s i 0 3 因而，树脂几乎交换了水中所有的硫酸根离子后，才与水中的硝酸盐和碳酸盐交换，此 过程去除了水中的所有的硫酸根离子，硝酸根离子以及一半的重碳酸根离子，树脂将它们替 代成了氯离子造成了水中氯离子的增加，树脂交换饱和后需要用n a c l 或n a h c 0 3 溶液再生 ( c l i f f o r d d 。e t a l ，1 9 9 3 ) 。再生过程中，会产生高浓度硫酸盐和硝酸盐废液。当水处理量很大 时，产生的废液量就相当可观，如果将废液随意排放，会造成二次污染。 通过分析不难发现，当水中硫酸盐含量高时，用离子交换法去除硝酸盐很不经济，并生 频繁，产生废渡量大。而且工艺复杂，运行管理困难。此外，经过常规离子交换处理后，出 水中氯离子含量增高，碱度下降。 ( 4 ) 催化脱氯 化学催化脱氮指利用氢、甲醇等还原剂，在催化剂的作用下，将硝酸盐氮还原。在理论 上，只要合理的选用催化剂和控制条件。通过化学催化反硝化完全可以将硝酸盐氦还原为氮 气。由于其可在普通水温和水质条件下进行，当以氢气为还原剂时不会造成二次污染。因此， 对于脱除水中的硝酸盐氮，该工艺被认为是较有应用前景的方法。 该工艺的主要缺点是：对水质的要求较高，水中的阳离子、阴离子、溶解氧，微生物 等因素都对其有不利影响；要使处理效果维持在一定的水平，还必须使催化剂的所有活性 表面与溶液内部保持良好的传质效果，这在小型实验中不难实现，但在中试或生产性系统中 比较棘手，在更大型反应器内就更难。因此，受反应过程中传质因素对催化反硝化的活性和 选择性的影响，化学催化反硝化离实际应用还有相当距离。 1 2 1 2 生物脱氮简介 生物脱氮，又称生物反硝化，是指在缺氧条件下，微生物利用n o r 作为电子受体，进行 无氧呼吸，氧化有机物，将硝酸盐还原为氮气的过程从n o r 还原成n 2 的过程经历了连续的 4 步反应过程( 式l - 4 ) ， n 0 3 。曼竺苎至堡事n o r 垩里竺! ! 至里琴n o 墨竺墨! ! 垦霎n 2 0n 2 ( i - 4 ) 自然界中存在许多微生物，如假单胞菌属、微球菌属、反硝化菌属、无色杆菌属，气杆 菌属、产碱杆菌属、螺旋菌属、变形杆菌属、硫杆菌属等，都能够在厌氧条件下生长，并还 原n 0 3 。成n 2 生物反硝化脱氮过程中n 0 2 j 和n o r 的转化，是通过反硝化细菌的同化作用( 厶 成代谢) 和异化作用( 分解代谢) 来完成同化作用是n o f - n 和n 0 b - n 被还原转化为n h r n ， 7 两南人学顾i ：学位论文 瓤l 带文献综述 朋以微生物细胞的合成，氮成为细l 骑细胞的组成部分异化作川赴n 0 2 寸j 和n 0 3 - n 被还原 转化为n z ，这是反硝化反应的主要过程，异化作_ 【i j 以n o , 或n 0 2 在能龄代谢中提供氮，n 伤+ 或n 0 2 一代替氧作为末端电子受体，并且产生a t p ，以有机物作为电子供给体，当电于从供体 转移剑受体时，微生物获得能量，用于合成新的细胞物质和维持现有细胞的生命活动，从而 使n 0 2 ：n 和n 0 3 - n 转化为n 2 。异化作用去除的氮一般占总去除量的7 0 0 r , 7 5 ( 沈耀良等。 1 9 9 9 ) 根据微生物生长的碳源不同，生物反硝化可分为异养反硝化和自养反硝化两类： ( 1 ) 自养反硝化 以氢为电子供体的自养反硝化是一种不产生任何影响水质安全的脱氮方法： 2 1 6 n 0 3 + 7 2 4 h 2 + 0 8 c 0 2 0 1 6 c s h 0 2 n + n 2 + 5 6 h 2 0 + 2 1 6 0 h + ( 2 ) 异养反硝化 以醋酸为碳源的异养反硝化过程如下： 7 0 3 c h 3 c o o h + 8 5 8n o r - - 0 5 8 c s h - g ) z n + 1 1 1 6 c 0 2 + 4 n 2 + 8 5 8 0 h + 7 7 4 h 2 0 以甲醇为碳源的异养反硝化过程如下： 5 c h 3 0 h + 6 n 0 3 一3 n 2 + 7 h 2 0 + 5 c 0 2 + 6 0 h 。 异养反硝化过程又包括外源反硝化和内源反硝化： 外源反硝化：利用外来碳源，以n 鸥为最终电子受体，氧化有机物合成细胞物质： 1 0 8 c h 3 0 h + n o f + 0 2 4h 2 c 0 3 0 0 6 c s h - , n 0 2 + 0 4 7 n 2 + 1 6 8h 2 0 + c 0 2 + o r 内源反硝化( 即反硝化细菌内源呼吸) ：以机体内的有机物为碳源，以n 0 3 为最终电子受体： c s h 7 n 0 2 ( 细胞 h 6n 0 3 - - 2 8n 2 + 1 2h 2 0 + 5 c 0 2 + 4 6 0 f f 综上所述，生物脱氮应用于污水处理具有以下优点：生物既有很强的吸附力，又有良 好的沉降性，处理效果好；生物具有很强的降解能力，处理效率高；可处理水量大，方 法成熟；成本低，无二次污染 1 3 序批式生物膜反应器的原理及发展概况 1 3 1s b b r 的原理、特点 序批式生物膜反应器( s e q u e n c i n gb i o f i l m b a t c hr e a c t o r , s b b r ) 是在序批式活性污泥法 ( s b r ) 的基础上，在反应器内装有不同的填料使污泥颗粒化( 如：活性炭) 。或在反应器中安 装填料使活性污泥在填料上形成生物膜( 如：陶粒、塑料球、组合式填料等) 是一种将生物膜 与活性污泥法进行有机结合的新型的复合式生物膜反应器。它遵循序批式活性污泥法( s b r ) 的 运行模式，即在每个操作周期都包括5 个阶段：进水、反应、沉淀、出水和闲置。然而由于 s b b r 工艺集反应、沉淀、澄清工艺于一体。因此不存在空问上的障碍。在s b b r 的一个运行 周期中，只要根据反应器内混合液性质，体积变化，出水水质等要求灵活的进行掌握各个反 应阶段的时间，就能达到处理的功能要求，非常灵活。是目前国内外正在研究，应用的一种 8 两南人学硕l 一学位