（市政工程专业论文）高氨氮废水生物硝化抑制及其动力学的研究.pdf

摘要 摘要 高氨氮废水的高效生物脱氮应以实现亚硝化为前提，而高浓 度的氨氮会对硝化菌产生抑制，然而我们就可以利用这种抑制来 实现抑制性的短程硝化，避免一些工艺所需要的一些严格的条件。 本文以s b r 为反应器，分别以氨氮和亚硝酸盐氮两种基质来培养 硝化细菌，研究了在不同进水氨氮和亚硝酸盐氮浓度条件下，硝 化过程的动力学特点，以及不同p h 条件下硝化菌的活性特征，并 初步探讨了抑制型短程硝化的可行性，为实现抑制型短程硝化反 硝化、抑制型短程硝化厌氧氨氧化等高效脱氮工艺提供可靠的依 据。主要研究结果如下： 1 、实验研究了不同基质浓度下的硝化反应速率的变化，当基质浓 度较低的时候，随着基质浓度的增加，氨氧化速率和亚硝酸氧 化速率均增加，而且亚硝酸氧化速率增加较快，当基质浓度增 大到一定浓度时，反应速率均减小，本实验培养的氨氧化菌和 亚硝酸氧化菌分别在自由氨浓度为5 1 4 6 m g ，l 和1 3 5 m g l 时开 始受到抑制，分别在自由氨浓度为l8 2 7 8 m g ，l 和4 4 6 m g l 时完 全被抑制。亚硝酸氧化菌在自由亚硝酸浓度为o 2 8 m g 几时开始 受到抑制，在自由亚硝酸浓度为0 6 6 m g l 时完全被抑制。 2 、研究了氨氧化和亚硝酸氧化的抑制动力学，动力学方程可以用 h a l d a n e 提出的公式来描述。 ；、在p h 值对硝化反应影响的实验中，研究发现了以氨氮为单一 基质的硝化菌在降低基质浓度之后，细菌活性恢复较快，而以 亚硝酸为单一基质的硝化菌在降低基质浓度之后，细菌活性恢 复较慢，最终细菌已经不能达到未受抑制时相同基质浓度下一 样高的活性。 4 、根据实验得出的氨氧化和亚硝酸氧化受氨氮和自由氨抑制的特 北京交通大学硕士学位论文 征，基质浓度对亚硝酸氧化菌的优先抑制，可以初步实现抑制 性的短程硝化。 关键词：氨氮，硝化，氨氧化，抑制，动力学 a b s t r a c t a b s t r a c t s h o r t c u tn i 打i f i c a t i o ni st h ep r e c o n d i t i o no fh 培h 锄m o n i a i l i t r o g e n w a s t e w a t e rt r e a t r n e m ，b u t h i 曲a m m o n i u r n i l i t r o g e n w i l li n h i b i t i o n a m m o n i a o x i d a t i o nb a c t e r i aa l l d1 1 i t r i t c o x i d a t i o nb a c t e r i a n e v e r t h e l e s sw e c a nu t i l i z et l l i si m b i t i o nt oa c h i e v ei n h i b i t i v ea n ds h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n n c a na v o i dt l cs t r i c tc o n d i t i o no fs o m ep r o c e s s n i sn l e s i sc u l t i v a t e d a n u n o n i a o x i d a n o nb a c t e r i aa n dn i 圩i t e o x i d a t i o nb a c t e r i ai nt w os b r r e a c t o r s r e s p e c t i v e l y t 0r e s e a r c ht h ei “h i b i t i o nk i n e t i c so f 锄m o n i a o x i d a t i o na n dn i t r i t eo x i i l a t i o ni nt h ec o n d i t i o no fd i 妇1 c r e m a m m o n i u m - n i 虹o g e nc o n c e n t r a t i o n sa n dn i t r i t e n i t r o g e nc o n c e 嘶a 土i o n s t h i st h e s i sa l s or e s e a r c h e dm ea c t i v i t i e so fb a c t e r i ai nd i f f b r e n tp ha i l d d i s c u s s e dt h ef e a s i b i l i t yo fi n h i b i t i v ea n ds h o r t c u tn i 埘f i c a t i o n t h e s e r e s l l l t s g a v e t l l e h e l p 血1 b a s e sf o ri n h i b i t i v e a n d s h o r t - c u t n i 仃i 壬i c a t 洒n d e n i 订i 矗c a t i o na n da n a i m n o x t h ef 0 1 l o w i n ga r et h em a i n r e s u l t s ： 1 t h i sm e s i sr e s e a r c h e d t h er a t eo fn i t r m c a t i o ni nd i 岱：r e ms u b m 砒e c o n c a l t m t i o n s w h e nt h ec o r l c e n t r a t i o n sa i el o w e lm er 舢e so fb o m a m m o n i 8o x i d a t i o na n dn i t r i t eo x i d a t i o ni n c r e a s e da st h ei n c r e a s eo fm e c o n c e n t r a t i o n s a n dt h er a t eo fn i 砸t eo x i d a t i o ni n c r e a s e dm o r ef h s tt h a n t h er a t eo fa m m o m ao x i d a t i o n w h e nt h es u b s t r a t ec o n c e n n a t i o n s i n c r e a s e dt oac e n a i nv a l u e t h er a t e so fa m m o n i ao x i d a t i o na n dn i 拓i t e o x i d a t i o nd e c r e a s e d a m n l o n i a o x i d a t i o nb a c t e d aa n dn i t r i t e o x i d a t i o n b a c t e r i ab e g a nt ob ei n h i b i t e dw h e nf ac o n c e n t r a t i o nw a s51 4 6 m g la n d 1 3 5 m lr e s p e c t i v e l y a m m o n i a o x i 出l t i o nb a c t e r i aa n dn i t r i t e - o x i d a t i o n b a c t e r i aw e r ei n h i b i t e d c o m p l e t e l y w h e nf ac o n c e n t r a t i o n 、v a s l8 2 7 8 m la n d4 4 6 m g lr e s p e c t i v e l y n i t r i t e o x i d a t i o nb a c t e r i ab e g a n t ob ei n h i b i t e dw h e nf n ac o n c e n 仃a t i o nw a so 2 8 m ln i 订i t e o x i d a n o n 北京交通大学硕士学位论文 b a c t e r i aw e r ei r l l l i b i t e dc o m p i e t e l yw h e nf n ac o n c e n t r a t i o n 、a s o 6 6 m g l 2 t h i ga s s a yr e s e 觚c h e dt h ei n 王l i b i t i o nd ”a m i c so fa i n m o n i ao x i d a t i o na n d n i n i t eo x i d a t i o n t h ek i n e t i c sc o u l db ed e s c r i b e db yt h ef b m l u l ao f h 甜d a n e 3 r e s e a r c h e dt l a tb a c t e r i aa c t i v i t vc u l t i v a t e dw i t h 锄m o n i as u b s 仃a t e r e s 啪e df 瓠t e rt h a nt l l eb a c t e r i ac u l t i v a t e dw i t l ln i t r i t es b s t r a t em e r d e c r e a s i n gt h ec o n c e n 仃a t i o n s ，b u tt h ea c t i v i t yo ft h en i t r i 研n gb a c t e r i a c o u j d n tb eb a c kt ot h ea c t i v i t vb e f o r ei n h i b i t e d 4 b va n a l v z e dt h ec h a r a c t e ro f 棚n m o n i ai n h i b i t i o nk i n e t i c sa 1 1 dn i t r i t e i n h i b i t i o nk i n e t i c s ，i tc o u l db ec o n c l u d e dm a ti n h i b i t i v es h o r t - c u t n i t r i f i c a t i o nc a l lb ea c h i e v e d u s i n g m e 砸o r i n h i b i t i o no f 锄m o n i a o x i d a t i o nb a c t e r i ab ya n l m o n i a n i t r o g e no rf a 。 l ( e 唧o r d s ：锄m o n i u m n i t r o g e n ， n i 仃主蠡e a t i o n ，a m m o n i a - o x i d a t i o n ， i n h i b i t i o n ，k i n e t i c s 第一章绪论 第一章绪论 氮素广泛存在于自然界，不同形态的氮具有不同的环境能力，由 于各种鬻噌耋孺心涩缨遣i 掂型炙善器磊咎爱覆缌焉耀崤；掣髟要 烈塞秽髫莎臣翥裂鹜朔丑裂蓄妻一删凄确矬! 懑答到摹鼢嘲黝鼎割矧 挈蟹；囊熏檬蟊菘嚣瓣野醒h 璧虱暨彰唾嚣鲐e 豹刳龃墅硝化鲫菌之 所以j 刊鞋= 蘩嗜邋螺蜊；翟黹鬲矗登斋笔舒蹦篙筒暑晕会麓罂鬟俺 萋翼麴纠j 臻强噬噶崾濞。较 高的环境中，可能与两方面的原因 有关，一方面自由氨n h 3 是亚硝酸细菌的真正基质，提高p h 值有利于 增大n h 3 的比例，另一方面氨氧化过程产酸，提高p h 值有利于缓冲酸 性。氧气和光照也是很重要的环境条件，根据细菌和氧气的关系，可 将其分为好氧细菌、厌氧细菌和兼性厌氧细菌，硝化细菌属于好氧细 菌，因此离不开氧气，但供氧过量或浓度过高，也会抑制它们的生长。 亚硝酸菌对光照特别是对近紫外线的光照敏感，光照甚至可以决定表 层水体中亚硝酸细菌的分布和硝化作用水平，硝酸细菌对光照的敏感 性甚至高于亚硝酸细菌。 此外，还有酸碱度、氧气、光照、基质浓度等其它环境条件，它 们都是影响硝化细菌生长的重要因素。 2 3 硝化生物酶 从细胞水平上看硝化作用只是一个亚硝酸细菌把氨氧化成亚硝 酸盐，接着硝酸细菌把皿硝酸盐进一步氧化成硝酸盐的序列过程。但 从生化水平上看，硝化作用远非如此简单，它涉及多种酶催化的代谢 途径并伴随着复杂的物质和能量转化。硝化作用的代谢途径如下图j ： n h，j 型墅坚墅塑bn h ，o h 型堕塾望；! ! 一n o 兰堕墨i 至! 量_n h1 7n h ，0 h 7n 0 7 垩堕墼垫壑堡堕 北京交通大学硕士学位论文 当前我国在工程中主要采取传统的硝化反硝化工艺脱氮，传统的 生物脱氮方法在废水脱氮方面起到了重要作用，但对于高浓度氨氮、 低c 肘比污水仍存在许多问题，如：氨氮废水完全硝化需消耗大量的 氧，增加了动力消耗：对c n 低的废水，需外加有机碳源；工艺流程 长，占地面积大，基建投资高等。近年来人们重新审视传统生物脱氮 过程，提出了适合低c n 废水的生物脱氮新工艺：短程硝化反硝化、 厌氧氨氧化、s h a r o n 、o l 砧、d 和c a n o n 等新工艺。这些新工艺的 发现，不仅丰富了人们的微生物学知识，也为研究和开发生物脱氮技 术提供了依据。这些污水生物脱氮新技术一般以厌氧氨氧化技术为核 心，以实现短程硝化为前提。高氨氮废水生物处理过程中的抑制性的 另一方面的问题就是高浓度的氨氮及亚硝化产物亚硝酸对微生物的抑 制问题，因此，研究高氨氮废水生物废水处理越来越受到国内外众多 学者的重视。 1 2 高氨氮废水处理技术 1 2 1传统硝化反硝化生物脱氮 传统的生物脱氮方法是指通过微生物的硝化( n i t r i f j c a t i o n ) 和反硝 化( d e n i t r i f i c a t i o n ) 作用来脱除水体中的氮素污染。其反应方程式如下： n h ；+ l ，5 0 2 寸n o ；+ h 2 0 + 2 h + ( 1 一1 ) 2 n o i + 02 2 n 0 ； ( 卜2 ) 6 n o ；+ 5 c h 3 0 h 5 c 0 2 + 3 n 2 + 7 h 2 0 + 6 0 h 一 ( 1 3 ) 这种传统工艺中，对于硝化反应，硝酸菌容易受冲击负荷和不利 环境条件的影响；对于反硝化反应也会因为碳源的问题受到一定的制 约，给传统的脱氮工艺带来一定的困难。这种处境在氨氮浓度低的城 市废水处理中表现的还不很明显，在高氨氮废水生物脱氮处理中则表 现的很突出。传统的生物脱氮工艺在处理高氨氮废水时由于高的游离 2 第一章绪论 氨浓度抑制了硝化细菌的活性，导致出水难以达标排放，而对于低c 刷 比废水，则常需要添加额 藜瑚翱肇j 型鋈希圳曼霞俐冱熄趔： i 。主? 琶囊鬯霪萎夔萋鋈羹囊篓| 薹霪 黔委搿j 翌蹩躅猁垴媸蔓鍪薯翔博| ；囊i 蠢l 器l 艘掣器蝉 l 蓄；重：! 催i 稻醛新的还 跛嵫的还原。 x 北京交通大学硕士学位论文 1 2 3厌氧氨氧化 厌氧氨氧化( a n a e r o b i c 锄m o n i ao x i d a t i o n ，简称a n a m m o x ) 是 指在厌氧条件下，微生物直接以n h 4 + 为电子供体，以n 0 3 或n 0 2 。为电 子受体，将n 0 3 。或n 0 2 一转变成n 2 的生物转化氧化过程。发生的反应为： 5 n h ：+ 3 n o ； 4 n 2 + 9 h 2 0 + 2 h + ( 1 4 ) n h ：+ n o j 斗n2 + 2 h2 0 ( 1 5 ) 与其它工艺相比，厌氧氨氧化具有不少优点【2 ： ( 1 ) 无需外加有机物作电子供体，即可节省费用，又可防止二 次污染； ( 2 ) 硝化反应每氧化lm o ln h 4 + 耗氧2 m 0 1 ，而在厌氧氨氧化反应 中，每氧化1 m o ln h 4 + 只需要0 7 5 m o l 氧，耗氧量下降6 2 5 ，使耗氧 能耗大幅度降低； ( 3 ) 传统的硝化反应氧化l m o ln h 4 + 可产生2 m o l 一，反硝化还原 1 m o ln 0 3 。或n 0 2 。将产生1 m o lh + ，而厌氧氨氧化的生物产酸量大大下 降，产碱量为零，可以节省可观的中和试剂。 故厌氧氨氧化及其工艺技术很有研究价值和开发前景，尤其是经 n 0 2 一的厌氧氨氧化，在热力学方面更为有利。但此方法要投入实际应 用将要面临菌种产量少、污泥驯化时间长、生长要求条件高、接种的 可用污泥少的困难。 以上的生物除氮方法都各有利弊，但这些处理工艺都要经历一个 阶段，那就是亚硝化，从图卜1 所示的氮循环示意图中【3 】我们也不难发 现这一点，要使硝化只进行到亚硝化阶段，就必须抑制亚硝酸到硝酸 的反应的进行，此外废水中高的氨氮在用生物法处理高氨氮废水的过 程中就会出现一个共同的问题，那就是废水处理过程中的抑制问题， 因此研究高氨氮废水生物处理的抑制已成为高氨氮废水生物处理技术 的一项新课题。 4 第一章绪论 商氯 7 弋旷、 fl 饕 n o ， 图1 1 氮循环示意图 1 3国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 亚 磁 化 对于在硝化过程中的氨及亚硝酸抑制的研究，a r 曲o n i s e n ( 1 9 7 6 年) 提出了相当重要的见解【4 l 。其得出的结论是：自由氨( f a ) 和自 由亚硝酸( f n a ) 是硝化过程的主要抑制因子，而它们的浓度由溶液 的p h 值和总氨氮浓度或总亚硝酸浓度决定。氨氧化菌 ( a m m o n i a o x i d a t i o nb a c t e r i a ，简写为a o b ) 比亚硝酸氧化菌 ( n i t r i t e o x i d a t i o nb a c t e r i a ，简写为n o b ) 有更大的自由氨抑制浓度， 关于自由氨和自由亚硝酸对硝化过程的抑制浓度阀值，不同的研究者 得出不同的数值，a 卫t h o n i s e n 得出的结论为：自由氨浓度对氨氧化菌和 亚硝酸氧化菌的抑制浓度阀值分别为1 0 一1 5 0 m l 和o 1 1 0 m l ； 自由亚硝酸亚硝酸氧化菌的抑制浓度阀值为o 2 2 2 8 m g ，l ，而t u r k a i l dm a v i n i c ( 1 9 8 7 ) 和a b e l i n ga n ds e y 行i d ( 1 9 9 2 ) 得出的自由氨浓度对 氨氧化菌和亚硝酸氧化菌的抑制浓度分剐分5 2 0 m l 和 1 5 m l 【孓6 】。抑制浓度阀值之所以是一个范围，主要是由于氮氧化菌 北京交通大学硕士学位论文 可以经过驯化提高对抑制剂的忍耐浓度。j e t t e n 等( 1 9 9 2 ) 【7 1 和g a n d a l l e m a n ( 1 9 9 2 ) 8 1 的研究结果是自由羟氨( 一种硝化过程的中间产 物) 是硝化过程中的关键因素。鉴于不同研究者得出不同的抑制浓度 阀值，需要研究驯化对抑制浓度阀值的影响，这是利用抑制获得稳定 亚硝酸积累、实现短程硝化反硝化的重要条件。 1 3 2 国内研究现状 我国学者对亚硝酸型硝化抑制机理方面的研究很少，对工艺运行 参数方面的研究较多，其研究主要通过控制温度、p h 值、溶解氧、游 离氨浓度等因素，对硝化过程进行分析，在溶解氧和污泥龄对硝化过 程亚硝酸积累的影响的研究中，得出在低溶解氧和长污泥龄条件下可 实现亚硝化，关于温度，研究认为当温度在1 2 1 4 下活性污泥中硝 酸菌活性受到更严重的抑制，出现亚硝酸积累，1 5 3 0 范围内，硝 化过程形成的亚硝酸可完全被氧化成硝酸，温度超过3 0 后又会出现 亚硝酸的积累，而p h 值则是达到8 以上，则出水亚硝酸的浓度升高， 硝化产物中亚硝酸比率增加，出现亚硝酸的积累p 。 到目前为止，从国内外的研究结果看国内外对硝化反应的抑制动 力学研究报道多为基质单因素抑制，即通过培养纯菌种去研究l 至2 种因素对亚硝化过程的影响所获得的结果，但实际处理废水成分复杂， 诸多因素的协同作用对亚硝化的影响很大，而且对抑制型短程硝化反 硝化及其抑制动力学等方面缺乏一定的研究。一般认为这种抑制模型 为反竞争性抑制模型，其中包括氨氧化的自由氨抑制动力学模型、亚 硝酸氧化的自由亚硝酸抑制动力学模型、氨氧化的自由亚硝酸抑制动 力学模型、皿硝酸氧化的自由氨抑制动力学模型。有了这四种抑制动 力学模型就可以较为全面地分析高氨氮废水硝化过程的亚硝酸积累的 发生、发展过程，为实现抑制型短程硝化反硝化提供理论依据。 第一章绪论 1 4 课题研究的意义和目的 生物硝化反硝化脱氮是城市污水和工业废水中最常用、经济、有 效的方法之一，不仅城市污水脱氮如此，对于高氨氮浓度的工业废水、 垃圾填埋场渗滤液、污泥消化液的处理也是如此。 传统生物脱氮理论认为，硝化反应是一类自养型好氧微生物完成 的，它包括两个步骤，第一步是由亚硝酸菌( 打阳舳m 删甜) 将氨氮转 化为亚硝酸盐氮：第二步则由硝酸菌( f f ，0 6 口c 耙，) 将亚硝酸盐氮进一 步氧化为硝酸盐氮。反硝化主要由反硝化菌完成，以有机碳为能源将 硝态氮还原为n 2 ，从而达到脱氮目的。 但是在城市废水处理中，对于高浓度氨氮废水，如垃圾填埋场渗 滤液的氨氮浓度可达2 0 0 0 3 0 0 0 m 虮，污泥消化液的氨氮浓度也可达 1 0 0 0 m l ，焦化废水、屠宰废水、某些合成氨废水的氨氮浓度也可达 5 0 0 m g ，l 。在这样的高氨氮浓度下，硝化及反硝化过程就会出现一系列 的抑制和限制性因素，首先是高浓度自由氨引起的对硝化过程的抑制， 尤其是对亚硝酸氧化过程的抑制，不可避免地会出现亚硝酸积累；另 外，无机碳对硝化过程也有限制性作用，有机物的好氧降解产生大量 的二氧化碳，溶于水形成重碳酸盐，可作为碳源供自养硝化菌生长， 在城市废水c o d 俏h 4 + ，n 比值为5 1 0 左右，无机碳源供给不会成为 一个限制性因素。然而，对于高氨氮废水，污泥消化液的c o d n 王 4 + n 可降至4 以下。晚期渗滤液的氨氮浓度也只会比c o d 浓度高出1 2 倍，合成氨废水和焦化废水的c o d 悄h 4 + n 比也大体如此。在这种情 况下，高氨氮废水的低c n 比也会带来反硝化碳源不足的问题。但是 高氨氮废水处理过程中由于抑制出现的亚硝酸盐的积累，可为实现亚 硝酸型硝化反硝化和厌氧氨氧化创造有利条件。 但是目前运用亚硝酸型硝化反硝化对高氨氮废水的生物脱氮处理 在设计、运行等方面存在很多问题，多数处理设施不能正常运行，或 者不能发挥其应有的作用，其主要技术障碍就是高浓度氨氮及其硝化 产物亚硝酸对微生物的抑制作用，例如s h a r o n 工艺需要高温条件，在 北京交通大学硕士学位论文 实际的水处理运行方面存在很大的问题，还有亚硝化一反亚硝化以及厌 氧氨氧化，在实际运行中，都对进水有很高的要求，而且对这些新工 艺的研究都还不是很充分，很难将新工艺应用于实际的水处理工程当 中。对于一般的高氨氮废水亚硝化的控制因子有很多，如自由氨、自 由亚硝酸、溶解氧浓度、p h 值、温度、泥龄以及生物量等，关于溶解 氧、p h 值和温度对硝化过程的影响的研究是相对比较多的，而且都执 有各自的见解，很少能得到相同的结论，这就对新工艺的应用产生不 利的影响，关于氨氮及亚硝酸对硝化的抑制的研究也有不少，研究人 员都肯定了氨和亚硝酸对硝化菌产生抑制，研究了在哪些条件下抑制 较严重以及对氨氧化菌和亚硝酸氧化菌抑制的差别，但是都未能提出 一些对改进工艺更进一步的见解，既然在高氨氮废水处理过程中氨氮 和亚硝酸盐不可避免的会对氨氧化菌和亚硝酸氧化菌产生抑制，况且 很多学者也研究认为基质对氨氧化菌和亚硝酸氧化菌产生抑制的浓度 不同，再加上氨氧化菌和亚硝酸氧化菌的最佳生长条件上的差异，我 们就可以利用这种抑制和生长条件上的差异，来实现抑制型的短程硝 化，既可以节省因运用s h a r o n 所消耗的大量热源的费用，使处理工艺 更经济，又可以更好的实现短程硝化反硝化和厌氧氨氧化，为此，本 课题用普通好氧活性污泥为接种污泥培养硝化污泥，来研究氨及亚硝 酸盐对硝化的抑制，并进一步研究硝化的抑制动力学，初步分析抑制 性短程硝化的可行性，为新工艺的应用创造条件。 第二章硝化作用原理 第二章硝化作用原理 2 1 硝化反应原理 通常，把氨氧化菌将氨氧化为亚硝酸盐和亚硝酸氧化菌把亚硝酸 盐氧化成硝酸盐的生物反应总称为生物硝化作用，简称为硝化作用 ( n i t r i f i c a t i o n ) ；把能够进行硝化作用的细菌称为硝化细菌( n i t r i 聊n g b a c t e r i a ) 。从微生物学的角度看，氨是硝化细菌的营养物质( 电子供体) ， 亚硝酸盐或硝酸盐是硝化细菌的代谢产物，氧( 电子受体) 是硝化细 菌必需的环境条件。如果营养物质或环境条件不能满足要求，它们就 不能进行正常代谢，也不能生长繁殖，硝化作用也将随生命的结束而 终止。 2 2 硝化细菌种类及生理特征 2 2 1 硝化细菌种类 参与硝化作用的细菌统称为硝化细菌；根据基质，硝化细菌分为 氨氧化细菌( a m m o n i a - o x i d a t i o nb a c t e r i a ) 和亚硝酸氧化细菌 ( n i t r i t e o x i d a t i o nb a c t e r i a l ；根据产物，硝化细菌分为亚硝酸细菌和硝酸 细菌。在伯杰细菌鉴定手册第8 版中将它们统归硝化杆菌科7 个属： 硝化杆菌、硝化刺菌属、硝化球菌属、亚硝化单细胞菌属、亚硝化螺 菌属、亚硝化球菌属和亚硝化叶菌属，共1 4 种。在伯杰氏细菌鉴定手 册第9 版中收录了除上述7 属外还有另外2 属( 硝化螺菌属f 唧f ，w 、 亚硝化弧菌属f 加s o v f 6 r f o ) 共2 0 种，这些微生物广泛分布于土壤、 湖泊及底泥、海洋等环境中。 基于1 6 s r i 州a 基因序列同源性( 相似性) 的系统发育分析表明， 所有的自养氨氧化细菌( 亚硝酸细菌) 系统发育比较单一，它们均属 于变形菌属纲( m 把d 6 口c 印r 胁) y 亚纲和p 亚纲，如图2 1 【l o ，其中属 9 北京交通大学硕士学位论文 于b 亚纲的亚硝化细菌又可以分为两个类群：亚硝化单胞菌群 ( f f m ，d m o h 珊) ，包括欧洲亚硝化单胞菌( m 静0 j o 历d 甜p # 粕p 卯口) 运 动亚硝化球菌( m s o m o 玎础m 0 6 f 慨) ；以及亚硝化螺菌群( f 加印f r n ) ， 包括所有的属于亚硝化螺菌属( j 咖护口) 、亚硝化弧菌属 ( m 舯s o v 酚f d ) 和亚硝化叶菌属( f 加s d f 0 6 “j ) 的菌株，从进化距离 看，这3 个属完全应归于1 个属。 1 ) 弧嘲岬 - p h y l l m 脚嗍一 吣唧 ) 脚咖 ) 一忡洲 图2 1 依据1 6 5r r n a 基因序列构建的硝化作用微生物的系统 硝化细菌有自养型与异氧型之分，一般认为自养型氨氧化细菌是 硝化作用的主要菌群，自养型氨氧化细菌都是革兰氏阴性细菌，自养 生长时，以氨为唯一能源，以二氧化碳为唯一碳源；混合营养生长时， 可同化有机物质。适合大多数氨氧化细菌生长的条件为：温度2 5 3 0 ，p h 值7 5 8 o ，氨浓度2 1 0 n i n o l ，l 。倍增时间8 小时至数天。与 氨氧化细菌一样，所有亚硝酸盐氧化细菌都是革兰氏阴性细菌。自养 生长时，以亚硝酸盐为唯一能源，以c 0 2 为唯一碳源；混合成长时， 可同化有机物质。适合大多数亚硝酸盐氧化细菌生长的条件为：温度 2 5 3 0 ，p h 值7 5 8 0 ，亚硝氮浓度2 3 0 眦o l 几。倍增时间1 0 小 时至数天。 氨氧化菌和亚硝酸氧化菌有很多种菌群，因此形态各异，氨氧化 菌有球状、椭球状、杆状、螺旋状，细长弧状等，亚硝酸氧化菌有梨 状、杆状、球状疏松螺旋状等，不同的环境和实验条件所培养出来的 第三章硝化的抑制作用 第三章硝化的抑制作用 3 1硝化抑制作用区域与机制 对于硝化反应的抑制，很早就有人进行研究，其中较为重要的是 1 9 7 6 年a i 曲o n i s o n 对硝化的抑制进行的研究，他先对硝化过程进行分 析，氨离予与自由氨( 觎ea m m o n i a ，简写为f a ) 、亚硝酸离子与自由亚 硝酸( 触en i t r o u sa c i d ，简写为f n a ) 都存在一种电离平衡： n h 4 + + o h 。寻苎n h 3 + h 2 0 h + + n 0 2 ；主h n 0 2 自由氨和自由亚硝酸的浓度与p h 值和氨氮、亚硝氮浓度分别有直 接的联系，它们可通过下面的公式进行计算4 1 。 f a 浓度计算公式为： 阱吕警 k 。 f n a 浓度的计算公式为： 删= 普等黔 疋：量。= e 6 ” 于是a i 曲o n i s o n 建立一个对数坐标轴，以p h 值为横坐标，分别以亚硝 酸浓度和总氨氮浓度为主、次纵坐标轴，初步建立了一个反映总氨氮 浓度、亚硝酸浓度与p h 值的关系图，如图3 1 所示。 图表被实线分为四个区域，区域一( z o n e1 ) 表示当氨氮浓度足 够高时，高浓度的自由氨同时对氨氧化菌和亚硝酸氧化菌都产生抑制， 系统中没有硝化发生，产生氨积累；当自由氨浓度降低到只有亚硝酸 北京交通大学硕士学位论文 氧化菌受到抑制时，氨氮完全被氧化为亚硝酸，出现亚硝酸积累，此 情况属于区域二( z o n e2 ) ；在更低的自由氨浓度下，氨氧化菌和亚硝 酸氧化菌的氧化活性都没有受到抑制，系统发生完全硝化，此情况属 于区域三( z o n e3 ) ；区域四( z o n e 4 ) 表示自由亚硝酸对硝酸菌产生抑制。 图表中还有两个区域，那就是区域五( z o n e5 ) 和区域六( z o n e6 ) ，这 两个区域a n m o n i s o n 没有划分出来而是论文的作者加上的，在区域五 中应该还包含有自由氨对贬硝酸氧化菌的抑制，在区域六中应该还包 含有自由氨对氨氧化菌和亚硝酸氧化菌的抑制。 个 辐 舞 剑 蠖 酶 普 制 t 赫 蔼 恻 媾 腻 搋 躜 图3 1自由氨和自由亚硝酸对硝化的抑制 因为细菌受到抑制有一个从开始抑制到完全抑制的过程，所以区域 的边界值是一个区间，为了研究各区域的边界值，a n t l l o n i s o n 通过对多 种合成废水样品的研究分析出各边界的值，二、三区域边界区间 b 的 浓度值为0 1 1 0 m 叭。，一、二区域边界区间【c 】的浓度值为l o 1 5 0 m l ， 四区域与二、三区域边界 a 】的浓度值为o 2 2 2 8 m l ，最后加以总结： 第三章硝化的抑制作用 自由氨和自由亚硝酸是硝化过程的主要抑制因子，自由氨对氨氧化菌 和亚硝酸氧化菌的抑制浓度阀值分别为1 0 一1 5 0 m g l 和o 1 1 0 m 舡； 自由亚硝酸对硝酸菌的抑制浓度阀值为0 2 2 2 8 m g l ，数值分布如图 3 2 。 1 0 0 0 0 、l o o o 趟 蠖 澍 翟1 0 0 崮 l o 4 0 0 0 已 赵 避 o o 案 1 0 图3 2 各区域的边界条件 除a n t l l o n i s o n 之外，k u i i l a r 【m 等人从细胞内部结构方面对抑制进行 了研究，他们发现高浓度氨( 【n h 4 + 】 1 0 m m o l l ) 可完全瓦解细胞膜两 侧的p h 梯度，并部分瓦解细胞膜电位，从而使细胞失活，对硝化反应 产生抑制。 硝化是在酶的作用下完成的，酶催化反应的速度有时可被底物或 者底物以外的其他化合物以特殊的方式加以改变，从而增加或者降低 反应速率，研究酶的抑制或激活在理论和实际上都很重要，这些都基 于对酶的抑制作用。酶的抑制作用可以分为可逆抑制作用和不可逆抑 制作用两类，可逆抑制作用又可以分为竞争性抑制、非竞争性抑制、 反竞争性抑制和底物抑制。受可逆抑制作用抑制的酶在用透析等物理 方法除去抑制剂后活性能完全恢复，受不可逆抑制作用抑制的酶，由于 北京交通大学硕士学位论文 蛋白活性丧失，物理方法不能使酶蛋白恢复活性，而且不可逆抑制程 度会随时间增加一直加强。 3 2 硝化抑制动力学 5 0 年代以来的国内外学者在生物处理构筑物的动力学方面做了 不少的工作，他们都较深入地研究了基质降解和微生物生长的规律， 以便更合理地进行处理构筑物的设计和运行。生物处理动力学主要 包括【”j ： ( 1 ) 基质降解动力学，涉及基质降解与基质浓度、生物量等因素 之间的关系； ( 2 ) 微生物增长动力学，涉及微生物增长与基质浓度、生物量、 增长系数等因素之间的关系； ( 3 ) 同时，还研究基质降解与生物量增长、基质降解与需氧、营 养要求等的关系。 许多学者根据各自研究的成果提出了不少数学表达式或数学模 式，这些数学模式大致可以分为两大类：经验模式和基本模式。经 验模式以e c k e n f e l d e r 模式为代表，模式的推导常以基质的降解服从 一级反应为基础，基本模式是将莫诺特( m o n o d ) 方程引入废水处理 领域而推导出来的，一般可以l a w r e n c e m c c a r t y 模式为代表，此模 式较适用于含有单一基质的废水。 在研究生物处理动力学时，一般作如下假设： ( 1 ) 整个处理系统是在稳定状态下运行的； ( 2 ) 进入生物反应器内的废水中的基质均为溶解性的，水中也不 含有微生物体； ( 3 ) 微生物在二次沉淀池中没有活性，不进行代谢活动； ( 4 ) 二次沉淀池中污泥没有累积，而且固液分离良好： ( 5 ) 除特别注明外，都假定生物反应器内的物料是充分混合的。 4 0 年代初j m o n o d 研究了利用单纯基质培养纯种生物，提出了 类似以酶促反应为基础的米一门关系式： 第三章硝化的抑制作用 3 3 氨吹脱 吹脱法用于脱除水中溶解气体和某些挥发性物质，依靠水面与 空气自然接触而脱除溶解性气体，即将气体通入水中，使气水相互 充分接触，使水中溶解气体和挥发性溶质穿过汽液界面，向气相转 移，从而达到脱除污染物的目的。常用空气或水蒸气做载气，前者 称为吹脱，后者称为汽提。 氨吹脱是一个传质过程，即在高p h 值时，使废水与空气密切接 触从而降低废水中氨浓度的过程，推动力来自空气中氨的分压与废 水中氨浓度相当的平衡分压之间的差【1 4 】。废水中氨氮通常以氨离子 和游离氨形态相互平衡存在，口h 值为中性时主要以n h 4 + 存在，碱性 时主要以n h 3 形式存在，吹脱过程中，n h 3 主要通过由液相向气泡 的传质和自由表面的快速更新而从液相中脱除。在微生物硝化过程 中，由于有空气鼓入，在高p h 时会有一定的氨吹脱发生，在对有关 生物硝化作用的实验结果进行分析时，要注意氨吹脱作用的可能影 响。 3 4 p h 、温度对硝化抑制的影响 生物脱氮处理受很多条件的影响，除了基质氨氮、贩硝酸盐氮 之外，还有环境条件如温度、p h 值、生物量等 x 第四章实验方法 第四章实验方法 4 1 实验仪器设备 4 1 1s b r 反应器 本实验采用分批培养，所用反应器为s b r ，截而为圆形，直径 1 3 0 m m ，有效容积7 l ，其中液相容积4 l ，气相容积3 l ，反应器如图4 - 1 所示。取用北京市酒仙桥污水处理厂的硝化污泥作为接种污泥，分别 在两个大小相同的反应器中咀不同的基质进行培养，一个以氨为主要 基质，一个以亚硝酸为主要基质，s b r 反应棒自动温控加热， 使用8 5 w 的气泵对反应器进行曝气。 反 ， 。 由 立 了7 _ | ， l 一 e _ _ 图4 1 图4 1 反应器 反应器 北京交通大学硕士学位论文 z n s 0 7 h 2 01 1m n c l 2 4 也o2 5 3 f e s 0 4 7 | 1 2 02 5 ( n h 4 ) 6 m 0 7 0 2 4 h 2 0 5 5 c u s 0 4 7 h 2 07 8 5c o s o d 6 h 2 09 5 表4 5 以亚硝酸为基质无机盐配方 成分 含量( m 虮) 成分 含量( m g ，l ) n a n 0 2 1 4 8 m g s o 一7 h 2 0 3 7 k 2 h p 0 4 8 k h 2 p 0 4 1 l k h c 0 3 2 0 9n a c l 3 7 4 4 实验安排 实验首先从污泥驯化开始，接种污泥中含有氨氮9 5 m l ，从 2 0 m l 开始利用自制的无机污水培养污泥，同一浓度下反应稳定之后 提高基质浓度，每天对反应器换水一次，每次换水时测量出水和初始 水样中的氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮以及p h 值，污泥停留时间无限 长，水力停留时间为0 2 5 天。 随着氨氮浓度的不断增加，硝化菌会有一个从不受抑制、开始受抑 制到完全被抑制的过程，根据a n m o n i s o n 的研究结论n o b 受抑制的浓 度比a o b 受抑制的浓度低，因此分析系统反应的情况，随着基质浓度 的增加可以将蕤个实验过程分为4 个阶段，反应开始时，硝化菌没有 受到来自基质的抑制，系统发生完全硝化反硝化，此阶段为第一阶段； 随着氨氮浓度的升高，n o b 先于a o b 受到氨基质的抑制，硝化反应仅 进行到亚硝酸盐阶段，此阶段为第二阶段；随着氨氮浓度的继续增加， a o b 也受到基质的抑制，硝化反应完全被抑制，系统没有硝化发生， 此阶段为第三阶段；在氨氮浓度达到一定浓度时，由于p h 值、温度和 曝气的缘故，系统出现氨吹脱现象，氨氨以气体的形式从系统中脱除， 使系统中的氨氮浓度降低，缓解了对a o b 的抑制，所以系统中又发生 第四章实验方法 氨氮被氧化为亚硝酸盐氮的反应，氨氮有一定的去除率，在实验的过 程中分析实验数据，研究硝化过程基质抑制的动力学方程，利用动力 学模型研究抑制眭短程硝化的可行性，实验结束之后，在低浓度下对 细菌驯化一段时间，使细菌恢复活性，然后改变系统的p h 值，研究不 同p h 下细菌活性的差异。 北京交通大学硕士学位论文 第五章基质抑制实验结果与分析 实验开始于2 0 0 4 年9 月，首先接种污泥取自北小河污水厂的回流 活性污泥，经过两个多月的培养未能培养褥到高效的硝化细菌活性污 泥。之后于2 0 0 4 年1 2 月初重新从酒仙桥污水处理厂氧化沟取回流污 泥作为接种污泥培养硝化污泥。控制反应器温度为2 5 ( 2 ) ，因为 亚硝酸氧化菌的最适生长p h 值较之氨氧化菌的最适生长p h 值低，所 以以氨为基质的反应器控制p h 值为7 5 8 ，以亚硝酸为基质的反应器 p h 值为7 7 5 ，两个反应器均用气泵进行曝气。 5 1 以氨为基质的硝化反应的实验研究 5 1 1实验结果 污泥培养初期，反应器曝气过程中产生泡沫，分析认为是由于因 为接种的污泥中含有一些有机物质，原污泥中的异养菌对污泥中的 有机物进行降解或内源降解以维持生存的缘故。此外由于污泥中含 有的污泥种类较多，在单一无机氨盐的培养下，除以无机氨盐为基 质的好氧硝化污泥外其他种类的污泥渐渐被淘汰，致使反应器中污 泥数量减少，泡沫也逐渐减少，最后消失，反应器变成完全无机的 环境。在污泥培养过程中，污泥颜色由原来的黑色变成土黄色，污 泥的沉淀效果一般。 污泥接种后立即开始实验，实验采用间歇式进水，周期为一天。 实验阶段自行配制无机氨盐培养液，培养液的浓度从2 0 m g l 开始， 在处理效果稳定之后成倍提高基质浓度。每天换水时测量初始和出 水水样的氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的浓度以及p h 值，并绘制曲 线。 氮浓度变化曲线，根据试验结果，整个试验过程大致可以分为4 个阶段。第1 天至第3 6 天为第一阶段，在开始的3 6 天里，从亚硝 第五章基质抑制实验结果与分析 氮的变化曲线可以看到，氨氮完全被硝化为硝酸盐，亚硝酸盐氮浓 度一直保持为零，没有亚硝酸盐的积累，而硝酸盐氮浓度逐渐升高， 反应器中发生了完全硝化，因此这一阶段为完全硝化阶段。从第3 6 天至第6 8 天为第二阶段。这一阶段的3 3 天里，硝化反应仍在进行， 随着氨氮浓度的升高，亚硝酸盐出现积累，硝酸盐氮减少，第三阶 段为从第6 9 天到第8 3 天，从第6 9 天开始随着氨氮浓度的升高，亚 1 4 0 0 0 1 2 0 0 0 1 0 0 0 0 、8 0 0 0 蜊 袋6 0 0 0 臻t o o o 2 0 0 0 0 o s 燃 蠖 憾 器 斟 l 8 152 2 2 93 64 35 05 76 47 l7 88 59 29 91 0 6 时间( d ) 图5 ，1 氨氮浓度变化 5 05 76 47 l7 88 59 29 91 0 6 时间( d ) 图5 2 亚硝氮浓度变化 0 o 0 0 o o o o m 啪 0 0 0 0 o o 北京交通大学硕士学位论文 图5 3 硝氮浓度变化 181 52 2