（土壤学专业论文）序批式反应sbr系统中n2o排放的研究.pdf

陈新兵序批式反应( s b r ) 系统中n 2 0 排放的研究l 序批式反应( s b r ) 系统中n 2 0 排放的研究 摘要 硝化反硝化反应都会排放n 2 0 ，而污水处理则被认为是人类潜在的n 2 0 排放 源。污水处理中控制参数以及微生物种群都会影响系统的n 2 0 排放量。本试验通 过序批式生物反应器( s b r ) 工艺比较不同种子污泥系统的n 2 0 排放与微生物群 落结构之间的关系，并考察了溶解氧、氨氮浓度、碳源加入量等条件下的n 2 0 排 放情况。结果显示： 1 ) s b r 系统中，在控制参数相同和脱氮效率相近的条件下，不同污泥系统的 n 2 0 排放特性有明显不同。不同系统不仅n 2 0 总排放量有差异，而且不同系统的 n 2 0 排放主要阶段也不同。就整个运行周期来讲，a 系统每升污水中排放的n 2 0 n 量为2 8 8 7m g ，约占所脱氮量的7 1 1 ，是b 系统的2 倍多。就系统的不同阶段 而言，a 系统的曝气阶段是n 2 0 的主要排放阶段，排放的n 2 0 - n 占所脱氮的比例 为9 8 5 ，是缺氧阶段的4 倍多；相反，b 系统的主要排放阶段为缺氧阶段，曝气 阶段排放的n 2 0 - n 占所脱氮的比例只有1 4 0 ，不到缺氧阶段的1 5 。 2 ) 不同n 2 0 排放特性系统的污泥群落结构是不同的。d g g e 法分析表明，不 同污泥系统的微生物群落结构的相似性却有明显不同，虽然两个污泥系统的微生 物群落结构多样性几乎相同，多样性指数分别为2 3 3 和2 3 5 。同一系统内的曝气 阶段与缺氧阶段，微生物群落结构基本没有差异，a 系统两个阶段的相似性为o 9 4 ， 而b 系统则为0 9 5 。 3 ) s b r 系统中，在一定的曝气范围内( 2 o 3 0l m i n 。1 ) ，曝气强度与n 2 0 排 放量之间并没有相关性，较小和较大的曝气量都会导致系统较少n 2 0 的逸出；在 不同氨氮浓度下，系统n 2 0 的排放量随氨氮浓度的提高而增加；增加碳源加入量， 不仅可以增强同时硝化反硝化效率，而且能够大量减少n 2 0 的排放。 在高效稳定的s b r 脱氮系统中，微生物群落结构的差异会导致系统n 2 0 排放 扬州大学硕士学位论文 2 一 特性的不同。在污水脱氮系统中，调节曝气量、氨氮浓度、c o d 等环境因素都可 以减少n 2 0 的逸出。因此，驯化高脱氮效率、低n 2 0 排放量的污泥，对污水处理 及环境保护具有重要意义；选择最佳控制参数，可以有效降低系统中n 2 0 的排放。 关键词：n 2 0 排放，微生物群落结构，s b r 陈新兵序批式反应( s b r ) 系统中n 2 0 排放的研究 a n a l y s i so fn 2 0 e m i s s i o ni ns e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r s y s t e ms ( s b r ) a b s t r a c t 3 一 n i t r o u so x i d e ( n 2 0 ) e m i s s i o nf r o mw a s t e r w a t e rt r e a t m e n ti st h ep o t e n t i a ls o u r c eo f n 2 0p r o d u c i t o nv i an i t 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 ，a n dd e p e n d so nm a n yo p e r a t i o n a l p a r a m e t e r sa n dm i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r e t w o d i f f e r e n ts l u d g es y s t e m sb y s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( s b r ) p l a y i n gs i m u l t a n e o u sn i t 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 n d ) w e r ec o m p a r e do nr e l a t i o n s o fn 2 0p r o d u c t i o na n dm i c r o b i a lc o m m u n i t y s t r u c t u r e ，a n dn i t r o g e nc o n v e r s i o ni nd i f f e r e n ts y s t e m sw e r ea l s os t u d i e d t h ee f f e c t i o n s o fo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r so nn 2 0e m i s s i o nw e r ei n v e s t i g a t e di no n eo fs b rs y s t e m s ， e g ：d i s s o l v e do x y g e n ，c o n c e n t r a t i o n so fa m m o n i an i t r o g e n ，l o a d so fc h e m i c a lo x y g e n d e m a n d t h er e s u l t ss h o w e d ： 1 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so fn 2 0e m i s s i o nf r o m ed i f f e r e n ta c t i v a t e ds l u d g ei ns b r s y s t e m sa l ed i f f e r e n ts i g n i f i c a n t l yu n d e rt h es a m ec o n t r o lp a r a m e t e r sa n dt h ee f f i c i e n c y o fn i t r o g e nr e m o v e d n o to n l yt h et o t a ln 2 0e m i s s i o n sb u ea l s ot h em a i ns o u r c eo fn 2 0 p r o d u c t i o ni ns b rs y s t e mi s d i f f e r e n td e p e n do na c t i v a t e ds l u d g e i no n eo p e r a t i o n c y c l e ，as y s t e ne m i t t e d2 8 8 7m g l n 2 0 na c c o u n t i n gf o rr e m o v e dn i t r o g e n7 11 ， a n di sm o r et h a nt w i c ei nbs y s t e m b u tf o rd i f f e r e n ts t a g e s ，t h ea e r a t i o no fas y s t e mi s m a i ns o u r c eo fn 2 0e m i s s i o n ，t h er a t i oo fe m i t t e dn 2 0 一nt ot h er e m o v e dt o t a ln i t r o g e n i s9 8 5 w h i c hi sm o r et h a nf o u rt i m e sd u r i n ga n o x i cp h a s e ；c o n v e r s e l y , a n o x i cp r o c e s s i sm a i ns o u r c ei nbs y s t e m ，t h er a t i oo fe m i t t e dn 2 0 - nt ot h er e m o v e dt o t a ln i t r o g e n d u r i n go x i cp r o c e s si s1 4 0 w h i c hi sl e s st h a no n e f i f t hd u r i n ga n o x i cp h a s e 2 ) m i c r o b i a lc o m m u n i t y s t r u c t u r ei sd i f f e r e n ti f s l u d g e h a sad i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c so fn 2 0e m i s s i o n ，a l t h o u g hm i c r o b i a lc o m m u n i t yd i v e r s i t yi n d e xi st h e 扬州大学硕士学位论文 4 s a m e ，t h es i m i l a r i t yb e t w e e na a n dbi so n l yo 4 9 t h e r ei sn oo b v i o u sd i s t i n g u i s ha b o u t m i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r eb e t w e e no x i ca n d a n o x i ci nt h es a m es y s t e m ，t h e s i m i l a r i t yo f a a n dbs y s t e mi s0 9 4a n d0 9 5r e s p e c t i v e l y 3 ) t h e r ei sn or e l a t i o nb e t w e e nn 2 0e m i s s i o na n da e r a t i o nw i t h i nac e r t a i nr a n g e ( 2 0 - 3 0l m i n 1 ) i ns b rs y s t e m ，m o r ea e r a t i o no rl e s sm a yr e s u l ti ni n c r e a s eo fn 2 0 e m i s s i o n h ig hl o a do fa m m o n i an i t r o g e ni n d u c e sh i g h e rp r o d u c t i o no fn 2 0 i n c r e a s e d t h el o a do fc o dt h a tn o to n l ye n h a n c e st h ee f f i i c e n c yo fs n d ，b u ta l s od e c r e a s e sn 2 0 e m i s s i o n s t h ed i f f e r e n c e so fm i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r el e a dt od i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s o fn 2 0e m i s s i o ni nh i g ha n ds t a b l ee f f i c i e n c yo fn i t r o g e nr e m o v a l s o ，i t sv e r y i m p o r t a n tt os c r e e ns t r a i n sw h i c hh a v eh i g he f f i c i e n tn i t r o g e nr e m o v a la n dl o wn 2 0 p r o d u c t i o ni nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t a tt h es a m et i m e ，n 2 0e m i s s i o nc a nb er e d u c e d w h e ns y s t e mi so p e r a t e dv i ao p t i m a lc o n t r o lp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：n 2 0e m i s s i o n ；m i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r e ；s b r 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的碜 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明 本声明的法律结果由本人承担。 靴敝储鹕。嘲轧 签字日期： 2 ，o 年箩月和日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并晦 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅 本人授权扬州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。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，并通过网络晦 社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名：f 欠瓤鱼 签字日期： 知，口年哆月? 口日 导师签名： 陋士 签字日期：纱i o 年箩月 o 日 陈新兵序批式反应( s b r ) 系统中n 2 0 排放的研究 5 i 上j l - 月i j 旨 氧化亚氮( n 2 0 ) 一种温室气体，其温室效应大约为二氧化碳的3 0 0 倍【l l 。人 类活动是全球n 2 0 上升的重要原因，而污水处理过程则被认为是潜在的人为源【2 】， 其每年的排放量占到全球n 2 0 排放量的2 5 2 5 p j 。 传统理论认为，反硝化是产生n 2 0 的主要原因。但是新研究表明污水处理过 程中硝化反应和反硝化反应都能产生n 2 0 4 - 6 ，曝气过程是排放n 2 0 的主要源【7 1 ， 不过硝化反应和反硝化哪一个是n 2 0 排放的主要源还存有争议【8 】；好氧反硝化和 硝化菌反硝化的n 2 0 排放量都要超过异养菌反硝化【9 以1 1 ，在纯培养中，异养硝化比 自养硝化能放出更多的n 2 0 【1 2 】。 序批式生物反应器( s b r ) 系统是当f i i 实际污水处理中采用较普遍的一种工艺， 不但具有工艺结构与形式简单、占地少和运行费用低、处理效率高、耐冲击负荷 能力强等优点，而且兼有同步脱氮除磷功能1 1 引。但是s b r 系统具有大量排放n 2 0 的可能，但是不同研究之间的差异很大，n 2 0 排放量占氮加入量的比例在0 2 3 5 2 ， 1 4 6 1 。同时硝化反硝化( s n d ) 是在同一种反应器内，硝化反应和反硝化反应同时 发生；而s b r 系统中可以实现同步硝化反硝化 1 9 1 。在伴随s n d 和除磷的s b r 系统中，n 2 0 是反硝化的主要终产物1 5 一o l ，反硝化菌的微生物群落结构及水质会 影响系统n 2 0 的排放量【2 l 】。污水处理系统中n 2 0 排放量的增加主要受低溶解氧 ( d o ) 、亚硝酸根( n 0 2 - ) 浓度的增加以及反硝化阶段低碳氮比( c n ) 的影响【2 2 ， 加大d o ，提高c n 可以有效降低n 2 0 排放 2 1 , 2 3 , 2 4 】。 d o 、n 0 2 。、c n 等控制参数是影响系统n 2 0 排放的外因，而微生物群落结构 是内因，起决定作用。活性污泥的活性主要取决于微生物群落结构和功能【2 5 1 ，微 生物可以通过表现型的改变来适应暂时性的环境变化，而不改变微生物群落结构。 在研究污水处理系统中n 2 0 排放量时，不能忽视对系统中微生物群落结构的分析。 “经典”硝化菌n i t r o s o m o n a se u r o p a e a 能代谢产生大量的n 2 0 ，而一株未鉴定的 n i t r o s o m o n a s 能在好氧条件下直接得到n 2 终产物。日本学者祥云发现被命名为 扬州大学硕士学位论文 6 一 f u s a r i u mo x y s p o r u m 的菌种可将n o z 全部转化为n 2 0 。在生物脱氮过程中，生物 的区系种群构成是影响n 2 0 产生的关键因素1 2 6 1 。y u h e ii n a m o r i 等【2 7 】考查了 e u r o p a e a 、wi n o g r a d s k y i ( 即：维氏硝化杆菌n i t r o b a c t e rw i n o g r a d s k y i ) 和彳 f a e c a l i s 三种菌n 2 0 的生成情况。和e u r o p a e a 及a f a e c a l i s 相比，wi n o g r a d s k y i 菌几乎不生成n 2 0 ，这是因为它只是单纯的硝化菌，而且只能将n 0 2 进一步氧化 成n 0 3 。，而在这一过程中是没有n 2 0 生成的；3 种菌中j v ：e u r o p a e a 生成n z o 的 能力最强，单位e u r o p a e a 生成n 2 0 量是a f a e c a l i s 的1 9 5 4 倍，而且实验还发 现大多数混合培养释放的n 2 0 比单个纯菌株释放的n 2 0 少。稻森悠平等【2 8 1 向污水 中直接投加a f a e c a l i s 的实验表明，投加量越大，n 2 0 排放量越小。由不同微生物 构成的活性污泥系统必然存在着竞争、协作、拮抗、共生等作用，纯菌株所表现 出来的n 2 0 排放特性必定受群落结构中其他微生物的影响。因此，研究污水处理 过程中的n 2 0 排放，必须针对整个污泥群落结构。 赵继红等【2 9 1 对通过d g g e 分析啤酒废水生物处理工艺的微生物群落结构的研 究表明，水解酸化池中的微生物群落结构随深度的变化在结构和种群数量上都有 较大差异；而s b r 池不同深度的微生物种群结构一致，沉淀期、进水期和曝气期 的微生物种类一致，但优势菌群不同。王峰等【3 0 】运用d g g e 法分析活性污泥中的 微生物群落结构，表明污泥驯化前后微生物群落结构发生很大的改变，同一反应 器不同位置的微生物分布也不一样。 虽然污水处理过程中针对微生物群落结构的研究越来越多【3 1 - 3 3 1 ，但是微生物 群落结构与n 2 0 排放之间关系的研究还很少。好氧反硝化菌、硝化菌反硝化的发 现以及不同菌种n 2 0 产生能力的差异，都间接的表明：明确高脱氮率、低n 2 0 排 放量系统的微生物群落结构以及筛选出高脱氮率、低n 2 0 产生能力的菌种，对污 水处理系统及环境保护具有重要的意义。 本文将在s b r 工艺条件下，比较不同污泥来源系统中氮去除规律和n 2 0 排放 特性，并且运用d g g e 方法分析不同污泥的微生物群落结构；同时就其中一个系 统优化一些控制参数。从而为有效控制污水处理过程中的n 2 0 排放提供参考。 陈新兵序批式反应( s b r ) 系统中n 2 0 排放的研究 7 引言 文献综述 n 2 0 是一种强温室气体，在大气中不会下沉，不会被冲洗；其在对流层中很 稳定，且不断积累，寿命长达1 2 0 年【3 4 】。当n 2 0 进入平流层后，可发生光学反应 使臭氧减少，影响臭氧的光化学平衡，同时生成一氧化氮和二氧化氮。近2 0 年大 气中n 2 0 以0 2 5 , - - 0 3 0 的年增长率急剧上升1 3 5 1 ，对地气系统、人类生存环境及氮 素平衡等产生严重影响。 工业化以来，世界范围内的水体富营养化日渐严重，这使得污水脱氮除磷问 题成为水污染控制中广泛关注的热点。随着研究的不断深入，人们对生物脱氮的 微生物学机理有了新的认识，并产生了很多生物脱氮新工艺。污水脱氮被认为是 n 2 0 的一个重要排放源2 1 ，对于污水处理中n 2 0 排放的控制已引起许多学者的关 注。进一步了解n 2 0 产生机制、排放量及影响因素有着极为重要的理论和实际意 义。 1n 2 0 产生机理 污水脱氮过程主要包括硝化反应和反硝化反应。诸多研究表明，这两过程都 有逸出n 2 0 的可能4 - 6 1 ( 如图1 ) 。 n h 4 + n 0 2 。jn 0 3 一n 0 2 一n o n 2 0 n 2 图1n 2 0 产生的途径 f i g1p a t h so f n 2 0p r o d u c t i o n 扬州大学硕十学位论文 1 1 硝化反应 8 一 硝化反应主要有三类微生物完成。其包括两个步骤：第一步为亚硝化过程， 由氨氧化细菌( a o b ) 和古菌( a o a ) 1 3 6 1 将铵态氮转化为亚硝态氮；第二部为硝 化过程，由硝化菌( n o b ) 将亚硝态氮转化为硝态氮。传统理论认为，n 2 0 既不 是硝化反应的中间产物，也不是最终产物，推测它是该过程的副产物【3 7 1 。硝化阶 段n 2 0 产生的可能途径为： ( 1 ) 羟胺( n h 2 0 h ) 的氧化。在好氧条件下，当系统中自由氨( n h 3 ) 浓度 或p h 过高时，亚硝化过程的第一个中间体n h 2 0 h 就会发生累积，进而在羟 胺还原酶的作用下氧化生成n 2 0 p t , 3 8 】。n h 2 0 h 氧化生成硝酰基( n o h ) ，n o h 进一步氧化有两种情况：在有氧的情况下，n o h 被氧化成亚硝酸( h n 0 2 ) ； 在厌氧条件下，两分子n o h 聚合生成n 2 0 2 h 2 ，n 2 0 2 h 2 水解脱去一份子水生 成n 2 0 。 ( 2 ) 硝化菌的反硝化过程。好氧硝化菌利用铵根( n i - 1 4 + ) 氧化所提供的电子 经异化还原反应将n 0 2 - 转化为气态产物n 2 0 放出，即硝化菌的反硝化过程。 1 9 8 5 年p o t l l 和f o c h t 首次证实了在硝化过程中硝化菌能够利用亚硝酸( n 0 2 ) 作为电子受体生成n 2 0 。a o b 能够利用n h 4 + 或羟胺( n h 2 0 h ) 作为电子供体， 通过反硝化将n 0 2 转化成n 2 0 3 9 1 。w r a g e 4 0 1 认为在高含氮量、低有机物、低氧 和低p h 时，硝化菌生成的n 2 0 占总n 2 0 的3 0 之多，因此认为硝化菌反硝 化可能是n 2 0 的一个重要来源。 ( 3 ) 好氧反硝化菌的存在。g u p t a 等f 4 l 】的研究表明至少有四种菌能在好氧条 件下将硝酸根( n 0 3 。) 或n 0 2 。还原成n 2 0 和氮气( n 2 ) 。一些细菌甚至在以氧 气( 0 2 ) 和n 0 3 或n 0 2 作为双重电子受体时会增加生长速度。l l o y d 4 2 】等发现 反硝化菌在好氧条件下还原n 0 3 生成的n 2 0 比缺氧条件下多的多。这可能是 由于0 2 对n 2 0 还原酶的抑制造成的。但好氧硝化菌对废水消化系统的贡献程 度目前还不是十分清楚，需要做大量的工作。 ( 4 ) 异养菌的硝化作用。在高碳氮比( c n ) 和低溶解氧( d 0 ) 的条件下， 陈新兵序批式反应( s b r ) 系统中n 2 0 排放的研究 9 异养菌氧化氮占主导优势，不过铵氧化速率比自养菌低1 0 0 1 0 0 0 倍h 3 1 。纯培 养试验中发现异养菌能够放出跟多的n 2 0 【1 2 】。p a p e n 等【删人发现，在可比条件 下异养硝化释放的n 2 0 要比自养硝化高出两个数量级，但a n d e r s o n l 4 5 】认为异 养菌生成的n 2 0 量易受溶解氧的影响，较大或较小的d o 都会减少n 2 0 的排 放。 1 2 反硝化反应 反硝化反应是在缺氧条件下，异养型微生物利用有机物作为碳源和电子供体， n 0 3 或n 0 2 作为电子受体进行产能代谢。从n 0 3 。开始的反硝化过程如图1 所示， n 2 0 是反硝化的中间产物，只要进一步还原受阻就有n 2 0 的逸出。反硝化过程中 n 2 0 产生的原因主要是氧化亚氮还原酶的活性降低或失活。n 0 2 、p h 等环境因素 易影响氧化亚氮还原酶的活性。对于反硝化过程排放n 2 0 的原因主要有一下两种 解释： o t t e 等f 锎认为，反硝化过程中各种还原酶问对电子的竞争能力不同，其中n 2 0 还原酶竞争电子的能力最弱。因此当环竞中电子供体不足时，各还原酶问就开始 经侦电子，从而使氧化亚氮还原酶的活性受到限制，引起n 0 2 。的累积，进而导致 反硝化过程中n 2 0 的逸出。当外界电子充足时，就能顺利将n 2 0 转化成n 2 ，避免 了n 2 0 的逸出。 g r e e n b e r g 等【4 7 】则认为反硝化过程中n 2 0 的逸出主要是由一些特殊的反硝化 菌种造成的，有些反硝化的终产物就是n 2 0 ，这些菌缺少氧化亚氮还原酶。常见 的有荧光假单胞菌等。本试验的一些数据也能支撑上面的观点。我们采用相同工 艺驯化不同来源的污泥，两者各自在好氧阶段和缺氧阶段排放的n 2 0 有明显不同， 具体内容将在相关论文期刊发表。 在污水处理系统中，一般认为缺氧阶段的异养反硝化是污水处理的主要过程， 也就是说好氧反硝化和硝化菌反硝化只起到很小的作用。这种结论是否适用于n 2 0 的排放还不清楚。不过好氧反硝化和硝化菌反硝化似乎能比异养反硝化放出更多 扬州大学硕士学位论文 的n 2 0 ( 占所去除氮的比率) 【9 ，1 0 1 。 2 污水处理过程中n 2 0 的排放量 污水过程中排放的n 2 0 约为( 0 3 3 ) x1 0 1 2 k g a - 1 【4 8 1 ，占全球n 2 0 排放总量 的2 5 2 5 3 1 。美国e p a 统计资料表明，1 9 9 9 年美国废水处理过程中n 2 0 排放量 达到1 7 8 x1 0 9k g ，比1 9 9 0 年增加了1 3 。i t o k w a 在对粪便污水处理厂排放n z o 的研究基础上，估计同本此类处理排放n 2 0 的总量约为( 0 1 3 1 3 ) 1 0 6k g a 1 ， 据此他认为污水处理对全球n 2 0 的释放具有显著的贡献【2 6 1 。从污水处理中排放的 n 2 0 估计占到由饮用水生产、水的运输、污水及污泥处理去除所排放的温室气体 ( c 0 2 ，c h 4 ，n 2 0 ) 的2 6 4 9 1 。不管是在实验室模拟的条件下还是实际污水处理 试验中，文献资料显示都有大量的n 2 0 的排放，1 6 , 5 0 1 。但是不同研究者的数据差 异很大。不同研究者所得出的结论无法进行比较，新的测试手段必然造成排放百 分比的不同。所以明确影响n 2 0 排放的主要因子，增加不同研究之间的可比性是 一项急需解决的问题。 从目前文献来看，硝化反应和反硝化反应都能排放n 2 0 ，但还不清楚哪个是 n 2 0 的主要排放源【8 】。当系统处于低d o 、低污泥龄( s r t ) 时，硝化反应是n 2 0 排放的主要源【2 ，5 1 】；当系统处于低c n 、低d o 时，反硝化反应时主要的排放源【1 4 ， 5 2 1 。s o m m e r 7 】的研究表明，曝气阶段是n 2 0 排放的主要源；p a r k 等人团在s b r 反 应器中追踪研究了n 2 0 的释放特性，研究表明n o 主要产生在好氧阶段，而缺氧 阶段的产生量可以忽略。 3 影响n 2 0 排放的因素 污水处理系统中，微生物、及微生物群落结构是决定n 2 0 排放的内在原因， 环境因子是外在原因。环境因子通过影响微生物的活性和群落结构组成来影响系 统的n 2 0 排放。 陈新兵序批式反应( s b r ) 系统中n 2 0 排放的研究 1 1 3 1 微生物种群 p o t h 5 3 1 认为氨氧化细菌能在合适的试验条件下以n h 4 + 为底物代谢产生n o 、 n 2 0 及n 2 。“经典”硝化菌n i t r o s o m o n a se u r o p a e a 能代谢产生大量的n 2 0 ，而一 株未鉴定的n i t r o s o m o n a s 能在好氧条件下直接得到n 2 终产物。日本学者祥云发现 被命名为f u s a r i u mo x y s p o r u m 的菌种可将n 0 2 。全部转化为n 2 0 。在生物脱氮过程 中，生物的区系种群构成是影响n 2 0 产生的关键因素2 6 1 。i n a m o r i 等人【2 7 1 考查了 e u r o p a e a 、wi n o g r a d s 砂f ( 即：维氏硝化杆菌n i t r o b a c t e rw i n o g r a d s k y i ) 和a f a e c a l i s z 种菌n 2 0 的生成情况。和e u r o p a e a 及a f a e c a l i s 相比，w i n o g r a d s k y i 菌几乎不生成n 2 0 ，这是因为它只是单纯的硝化菌，而且只能将n 0 2 。进一步氧化 成n 0 3 ，而在这一过程中是没有n 2 0 生成的；3 种菌中e u r o p a e a 生成n 2 0 的 能力最强，单位e u r o p a e a 生成n 2 0 量是a f a e c a l 括的1 9 5 4 倍，而且实验还发 现大多数混合培养释放的n 2 0 比单个纯菌株释放的n 2 0 少。 不同产生n 2 0 能力的纯菌株参与实际或模拟污水处理系统时能否保持纯培养 条件下的n 2 0 排放能力是值得怀疑的，因为实际污水处理中产生和消耗n 2 0 的微 生物不是独立存在的，而是处于一个和其他微生物组成的相对稳定的群落中( 如 污泥) ，与其它微生物之间必然会发生竞争、协同、对抗等作用。因此，研究污水 脱氮过程中n 2 0 的排放问题时，必须针对整个群落。在同时硝化反硝化和除磷系 统中，n 2 0 是反硝化的主要终产物，这与微生物群落有关 1 5 , 2 0 。筛选出稳定脱氮， 且n 2 0 排放少的菌株，并使其成为优势菌种，对于控制污水处理过程中n 2 0 的释 放具有重要的意义。 3 2 环境条件 3 2 1 溶解氧( d o ) d o 浓度被认为是硝化阶段控制n 2 0 排放的一个重要参数，较低的d o 能导致 硝化阶段放出大量的n 2 0 【6 ，1 1 ，5 4 1 。在d o 不足的条件下，自养型的氨氧化菌为了保 扬州人学硕士学位论文 1 2 证n h 4 + 顺利的氧化所需要的氧气就会利用硝酸根作为电子受体，从而导致n 2 0 排 放的增加，当d o 低于lm g l 。1 时，排放的n 2 0 占到氮加入量的1 0 1 5 5 】。n o d a n a o h i r o 等【5 6 j 在缺氧好氧活性污泥系统中s r t 和d o 对还原酶活性的影响进行了研究，结 果显示低溶解氧( d o 0 5m g - l 。1 ) 下，n 2 0 的逸出量明显增加。因此硝化阶段提 供充足的氧气能够避免产生大量的n 2 0 。但溶解氧过大，又会影响反硝化阶段的 反硝化及n 2 0 的排放。s c h u l t h e s s 等【5 2 】研究结果显示，当反硝化阶段d o 为0m g l 以 时，反硝化过程几乎不排放n 2 0 ；而当d o 为0 5m g l 。1 时反硝化气态产物中n 2 0 占到1 ；当d o 为4m g l 一，n 2 0 占到6 。对于这种影响有两种解释：一是当 0 2 存在时反硝化菌优先利用0 2 作为电子受体，造成反硝化不彻底，使得中间产物 n 2 0 产量增加；二是0 2 对氧化亚氮还原酶有毒害作用，阻碍了n 2 0 向n 2 的还原 从而造成n 2 0 产生【1 0 】。 3 2 2 碳氮比( c n ) c n 是影响生物脱氮效果的主要因素之一，直接影响系统反硝化进行的程度。 因此c n 也是影响n 2 0 产生量的重要因素。低c n 会增加反硝化阶段n 2 0 的排放 量【2 3 ，5 7 ，5 8 1 。在间歇曝气生物脱氮系统中，当c n 3 5 时n 2 0 的产生量占进水总氮 的2 0 3 0 【1 4 】。h a n a k i 5 l 在研究污水反硝化过程中n 2 0 的逸出时发现，低c n ( 2 5 ) ，短s r t ( 3 d ) 及低p h ( 6 5 ) 都会促进反硝化过程中n 2 0 的逸出。h a n a k i 认为低c n 、短s r t 的外界条件使以n 2 作为终产物的反硝化菌的生长受到限制， 但却有利于那些以n 2 0 作为终产物的菌种得以大量繁殖并成为优势菌种，从而导 致n 2 0 的增加。但主流认为低碳氮比导致n 2 0 大量逸出是由于碳源不足导致电子 供体缺乏：一方面供体严重缺乏，累积的n 0 2 对n 2 0 还原酶产生抑制；另一方面 电子供体的缺乏限制了反硝化的彻底进行。外加碳源可以可以将n 2 0 的排放比例 ( 占进水t n ) 由4 5 减少到0 2 1 2 j 。不过值得一提的是，当c n 大于l o 时，好 氧反硝化菌会大量繁殖，这很有可能会增加n 2 0 的排放【4 引。 陈新兵序批式反应( s b r ) 系统中n 2 0 排放的研究 1 3 3 2 3 p h 值 h y n e sa n dk n o w l e s l 5 9 1 对“经典”硝化菌株n i t r o s o m o n a se u r o p a e a 的好氧培养 的实验说明，当p h 为8 5 、6 0 时，n 2 0 排放量分别达到最大和最小。t h o e r n 6 0 1 等对瑞典污水处理厂的研究认为反硝化阶段p h 值在5 “之间时，n 2 0 排放量最大， 而当p h 值在6 8 以上时则几乎没有n 2 0 的排放。h a n a k i l 5 1 也观察n t 类似的现象， 当p h 值从8 5 降到6 5 时，反硝化过程中的n 2 0 就会增加。对以上现象目i j 有两 种解释：一是p h 的变化对菌产生了选择性，低p h 有利于以n 2 0 为反硝化终端产 物的菌种的生长；二是低p h 下形成的游离h n 0 2 对氧化亚氮还原酶产生了抑制【6 1 1 。 在实际污水处理过程中，污水的p h 一般在7 8 之间，且比较稳定。所以p h 对 n 2 0 排放的影响可以不多考虑。 3 2 4 温度( t ) 适宜的温度是维持污水处理过程中污泥生物活性的一个极其重要的条件，温 度对硝化和反硝化过程也有着重要的影响。1 5 3 0 。c 是硝化作用微生物最适宜的温 度，5 7 5 。c 范围内反硝化反硝化微生物都有较高的活性1 6 引。1 5 3 0 v 时硝化细菌有 较强的活性，在溶解氧充足的条件下硝化过程形成的n 0 2 。可被完全氧化为n 0 3 。 当温度大于3 0 。c 时，硝化细菌的活性受到抑制，而此时亚硝化却又较强的活性。 所以在硝化过程中，当温度较高时，由于硝化细菌和亚硝化细菌的活性不同，生 成的n 0 2 - 进一步氧化受阻【6 3 】，会产生较多的n 2 0 。g e j l s b j e r 删的实验结果表明， 温度对硝化过程中n 2 0 生成量的影响显著，这主要是因为亚硝化速率受温度的影 响程度大于硝化速率，温度的升高破坏了亚硝化与硝化之间的平衡，造成n 2 0 积 累。但对于反硝化而言，温度虽然影响反硝化速率，但并不影响n 2 0 的逸出。这 表明所有的反硝化酶和温度之间都有近似的相关性。目前对该因素的研究报道较 少，还需进一步研究。 扬州大学硕士学位论文 3 2 5 污泥龄( s r t ) 1 4 在低s r t 条件硝化作用效率被降低，在好氧反应池n 2 0 产生速率将增加，当 系统的s r t 为3 d 时，转化成n 2 0 的比例高达1 6 ，当污泥龄延长到1 0 d 时，转 化比例降到2 3 t 6 5 1 。尚会来等【吲比较了不同污泥龄( 9 d 和1 5 d ) 的两个s b r 反 应器系统的n 2 0 排放情况，结果显示在系统脱氮率都保持在9 6 的基础上，9 d 污 泥龄的活性污泥系统产生的n 2 0 量是1 5 d 活性污泥系统的1 2 倍。这可能的原因 是，在短污泥龄系统中，由于硝化菌的生长速率比亚硝化菌低得多，硝化菌在系 统中得不到充分增长是整个硝化过程的氮平衡遭到破坏，导致n 2 0 大量逸出。同 样在反硝化过程中短污泥龄也会促进n 2 0 的逸出。为了减少污水脱氮过程中n 2 0 的产生量，应避免污水处理系统过短的污泥龄。 3 2 6 亚硝酸根( n 0 2 ) 不管是硝化阶段还是反硝化阶段，亚硝酸根的累积都会导致n 2 0 排放的增加。 在硝化阶段，亚硝酸根浓度的增加会加强a o b 的反硝化能力，从而可能导致n 2 0 的逸出 9 】；在反硝化阶段，高浓度的亚硝酸根会降低反硝化速率，并引起一氧化氮 和n 2 0 的累积【7 1 。许多操作参数会影响亚硝酸根的浓度，低d o 、短s r t 、低c n 、 高氨氮加入量以及一些有毒物质都会导致亚硝酸根的积累，从而排放出更多的 n 2 0 。在硝化阶段外加1 0m g l 。的n 0 2 ，n 2 0 排放量增加了4 8 倍，系统对n o 。 非常敏感l l 。 3 2 7 盐度 由盐度引起的n 2 0 排放量的增加可能与溶解氧有直接关系。t s u n e d a 指出，在 好氧缺氧的试验中盐度引起的n 2 0 增加的主要原因是高盐度中由好氧区到缺氧区 的过程中d o 传输能力减弱，从而导致硝化活性的降低，大量n 2 0 逸出。尚会来 【6 8 】利用不同盐度的实际生活污水驯化的活性污泥，考查了其相应硝化过程中n 2 0 陈新兵序批式反应( s b r ) 系统中n 2 0 排放的研究 的产量和转化率。结果显示，盐度为7 5g l j 的生活污水硝化过程中n 2 0 的产量 是未调节盐度( 0 1g l 1 ) 产量的2 8 5 倍；当污水盐度由7 5g l 。1 增加到1 0g l 。1 时，硝化过程中的n 2 0 产量和转化率均有大幅升高。因此污水处理中应尽量避免 盐度的波动，从而防止n 2 0 的大量逸出。 3 2 8 环境条件的迅速改变 一些研究资料表明，环境条件的迅速变化会导致n 2 0 排放量的增加，例如氨氮 加入量【6 9 】、d o t 5 4 1 以及亚硝酸根浓度的而变化【1 1 1 。不过等微生物适应变化后，n 2 0 排放量会减少【4 6 , 7 0 。 综上所述，在污水处理系统中导致n 2 0 排放的主要因素有：一是硝化阶段的 低d o ；二是硝化阶段和反硝化阶段的n 0 2 增加；三是反硝化阶段的低c n 。有效 控制n 2 0 排放量必须着重考虑以上三个因素。足够长的s r t 、足量的溶解氧可以 减少由硝化反硝化菌产生的n 2 0 ，同时也可以有效避免的n 0 2 - 积累。在同时硝化 反硝化系统中，d o 的控制比较困难，因为过大的d o 会降低反硝化效果。当反硝 化过程受到限制时，外加碳源能够有效加强反硝化效果，从而减少n 2 0 的逸出。 3 3 展望 影响n 2 0 排放的控制参数基本已经确定，但是参数与n 2 0 排放之间的数量关 系还需深入研究。不管是实验规模下的污水处理还是实际城市污水处理中都需要 弄清n 2 0 产生的机制。今后需要解决的问题应集中在以下几点： 一是确定反硝化阶段碳源不足时n 0 2 - 浓度增加导致n 2 0 产生的机理；二是内 源物质的增加与n 2 0 排放之间关系的研究；三是系统对环境变化适应后所导致的 n 2 0 排放的降低的机理；四是弄清硝化反应与反硝化反应对n 2 0 产量的贡献。 扬州人学硕士学位论文 4 活性污泥驯化的微生物学原理 1 6 活性污泥驯化时，驯化条件作为选择压力作用于活性污泥，而活性污泥则以 其多样性，以及微生物的适应性变化去适应驯化条件。 4 1 驯i 化期活性污泥的变化 活性污泥在驯化期的表观性状，如色泽、絮凝体的大小、沉降性能等一直在 变化着。与此同时，活性污泥中具有特定代谢功能、更能适应废水环境条件的种 群迅速增长为优势种群。随后，活性污泥的水处理功能达到最佳效剁7 1 7 3 1 。但是， 性能稳定的活性污泥并不是几种优势微生物的简单富集。以含酚废水驯化活性污 泥为例：当酚负荷从1 0g l - l d d 提高到1 5g l i d 1 时，活性污泥崩溃；因为1 0 g l - i d 。时的优势种群是r 6 f 菌株，它既降酚又絮凝；在1 5g l l d 川时，r 6 t 和 r 1 0 两菌株转化为优势菌群，它们只降酚不絮凝，破坏了活性污泥絮凝体的结构【7 4 1 。 4 2 多样性是活性污泥驯化的基础 活性污泥微生物种群的多样性是驯化的基础。在驯化过程中，随着驯化条件 不断强化，活性污泥微生物的多样性表现出递减趋势【7 2 ，7 3 】；驯化条件越极端，微 生物的多样性越小。因此，活性污泥驯化是驯化条件对微生物种群进行选择，适 应驯化条件的微生物生存并增长，不适应者被抑制或淘汰，原污泥为驯化条件提 供了备选“原料”。活性污泥在驯化过程中还会出现微生物群落的演替，低浓