（环境科学专业论文）反硝化菌脱氮特性及介体加速反硝化作用研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：x 7 0 3 u d c ： i i i ii i ii i lll l l lli lli l l l l y 1714 5 2 2 d i s s e r t a t i o nf o r t h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g s t u d yo nt h en i t r o g e nr e m o v a l o fd e n i t r i f y i n gb a c t r i aa n dt h e a c c e l e r a t i n ge f f e c tb yr e d o x m e d i a t o r c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： w a n gx i a o l e i p r o f g e n gy a n l o u m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e n v i r o n m e n t a ls i e n c e d e c e m b e r ，2 0 0 9 d e c e m b e r ，2 0 0 9 h e b e iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ；- i ：i b 科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：王娩 珈罗年2 月咖 指导教师签名：取穆馁 夕钟乒产 ；- - i ：i l 科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 口保密，在解密后适用本授权书。 本学位论文属于 口不保密。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：王粤匕觌 2 口 罗年月2 幺日 指剥獬：雨格谤 砷彬月咖 j i l 摘要 摘要 针对目前比较严重的氮污染问题，生物脱氮技术备受关注，但传统生物脱氮技 术反应速率较慢，有关加速生物脱氮技术的研究成为热点。而最近研究表明，某些 含有醌类结构特殊物质对一些污染物降解有加速作用，主要在偶氮染料和硝基化合 物方面，但有关醌类化合物作为氧化还原介体加速反硝化脱氮过程的研究甚少，故 本课题开展氧化还原介体加速反硝化用研究。 本课题进行了反硝化污泥驯化，考察了厌氧反硝化污泥最佳碳源，并筛选蒽醌、 1 ，5 二氯蒽醌、1 ，8 二氯葸醌和1 ，4 ，5 ，8 四氯葸醌4 种结构相似的醌类化合物为氧化还 原介体，考察了其加速污泥反硝化的作用，测定了反应过程中p h 、氧化还原电位的 变化。研究结果表明，驯化污泥反硝化最佳碳源为甲醇；4 种结构相似的醌类化合物 均可加速污泥反硝化作用，在0 m m o l l 。1 0 m m o l l 一投加范围内，介体浓度越高加 速作用越明显，4 种介体浓度达1 0 m m o l l 。1 时，可提高反硝化速率1 1 2 倍；污泥 反硝化过程中p h 升高后稳定在9 2 左右，投加4 种介体后反应体系p h 升高趋势变 缓，当介体浓度为1 0 m m o l l 以时，蒽醌p h 上升后稳定在9 0 ，1 ，5 二氯葸醌p h 稳定 在7 4 左右，1 ，8 二氯葸醌p h 稳定在7 3 左右，1 ，4 ，5 ，8 四氯葸醌p h 上升后稳定在8 0 左右；污泥反硝化过程中，体系氧化还原电位迅速下降后稳定在3 0 0 m v 左右，投加 介体后，氧化还原电位下降幅度减小，介体浓度为1 0 m m o l l 。1 时，葸醌稳定氧化还 原电位为2 6 0 m v 左右，1 ，5 二氯蒽醌稳定电位为1 5 0 m v 左右，1 ，8 二氯蒽醌稳定电 位为1 7 0 m v 左右，1 ，4 ，5 ，8 四氯蒽醌稳定电位约为1 9 0 m v 。 同时，从驯化的反硝化污泥中分离筛选出优势反硝化副球菌g w l ( g e n e b a n k 登 录序列号为g u l l l 5 7 0 ) ，考察了其最佳生长条件和反硝化影响因素，初步探讨了氧 化还原介体加速菌株g w l 反硝化作用的机理。结果表明，菌株g w l 最佳生长和反 硝化温度范围为3 5 - - 4 0 ；最佳p h 范围为7 0 - - - 9 0 ；适宜碳源为丁二酸钠和无水 乙酸钠；以丁二酸钠为碳源的反硝化过程中，最佳碳氮比为6 ：1 ；溶解氧浓度为 4 m g l 。1 ( 摇床转速为1 5 0 r m i n d ) 时，反硝化细菌生长最快。以1 ，5 - 二氯葸醌为氧化 还原介体，进行介体加速反硝化反应机理初步探索，结果表明，1 ，5 一二氯葸醌可加速 菌株g w l 的反硝化作用，1 ，5 二氯葸醌对硝酸盐和亚硝酸盐氮的还原均有加速作用； 其加速反硝化的推测机理是：反硝化过程是硝酸盐还原酶、亚硝酸酸盐还原酶和辅 酶协同完成，而1 ，5 二氯葸醌起到类似辅酶q 和n a d h 的作用，加速硝酸盐和亚硝 酸盐还原。 非水溶性醌类化合物作为氧化还原介体加速反硝化的结果，丰富了国内外有关 氧化还原介体在环境污染物降解加速中的应用，同时为生物脱氮提供了新思路，拓 展生物厌氧处理技术的内涵，提升污染控制应对能力。 关键词 反硝化；氧化还原介体；葸醌；固定化：氧化还原电位 l i a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed i s c h a r g e dn i t r o g e no fw a s t e w a t e rc o u l dc a u s e w o r s ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m a n dt h ee f f e c t i v e l yr e m o v a lo fn i 仃o g e nf r o mw a s t e w a t e rh a sb e c o m eo n eo ft h em o s t i m p o r t a n tc o n c e r n si nw a t e rp o l l u t i o nc o n t r 0 1 i ti s w e l lk n o w nt h a td i f f e r e n tr e d o x m e d i a t o r s ，e s p i c a l l yq u i n i n e sc o m p o u n d ，h a v er e c e n t l yb e e nr e p o r t e dt os p e e du pt h e b i o g i c a ld e c o l o r i z a t i o no fa z od y e s b u tt h e r ea r el i t t l el i t e r a t u r e sa b o u tt h ea c c e l e r a t i n g e f f e c to fr e d o xm e d i t o r so nt h ed e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s e s t h e r e f o r e ，t h ea i mo ft h i ss t u d y w a st od e v e l o pt h er e d o xm e d i a t o rc a t a l y z i n gb i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o n ( r m b d n ) t e c h n o l o g ya n de x p l o r em e c h a n i s m so ft h ec a t a l y z i n gb i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o n t h ea n a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o ns l u d g ew a sa c c l i m a t i z e di nu a s ba n a e r o b i cr e a c t o r m e ec h e m i c a lc o m p o u n d sw e r eu s e da st h ec a r b o ns o u r c e ，w h i c hw e r ec h 3 c o o n a ， s t a r c ha n dm e t h a n 0 1 n l er e s u l ti n d i c a t e dt h a tm e t h a n o lw a st h eo p t i m a lc a r b o ns o u r c e i n a d d i t i o n ，f o u rq u i n o i dc o m p o u n d sw e r eu s e dt os t u d yi t sa c c e l e r a t i n ge f f e c to nt h e d e n i t r i f i c a t i o n t h e y w e r e a n r h r a q u i n o n e ，1 , 5 - d i c h l o r o a n t h r a q u i n o n e ， 1 ，8 一d i c h l o r o a n t h r a q u i n o n e a n d 1 , 4 ，5 ，8 一t e t r a c h l o r o a n t h r a q u i n o n e w h i c hh a ds i m i l a r c h e m i c a ls t r u c t u r e t h ee x p e r i m e n t i c a ld a t ai n d i c a t e dt h a tf o u rs e l e c t e dq u i n o n e sh a dt h e a c c e e r a t i n ge f f e c to nt h e d e n i t r i f i c a t i o n f i r s t ，t h ep hv a l u e sw e r ed i f f e r e n tf o rt h e d e n i t i f i c a t i o ns y s t e m sw i t ha n dw i t h o u tq u i n o n e t h ep hv a l u eo ft h ed e n i t i f i c a t i o ns y s t e m w i t h o u tq u i n i n ec o m p o u n d sw a sa b o u t9 2 b u tt h ep hv a l u eo ft h ed e n i t r i f i c a t i o ns y s t e m w i t h a n r h r a q u i n o n e ， 1 , 5 一d i c h l o r o a n t h r a q u i n o n e ，1 , 8 - d i c h l o r o a n t h r a q u i n o n e a n d 1 , 4 ，5 ，8 一t e t r a c h l o r o a n t h r a q u i n o n ew e r ea r el o w e rt h a nt h ec o n t r o l ，a n dw e r e9 0 ，7 4 ，7 3 a n d8 8 ，r e s p e c t i v e l y s e c o n d ，t h eo x i d a t i o n - r e d u c t i o np o t e n t i a lo ft h ed e n i t i f i c a t i o n s y s t e mw i t h o u tr e d o xm e d i a t o ri s 3 0 0 m v , b u tt h eo x i d a t i o n r e d u c t i o np o t e n t i a lo ft h e d e n i t r i f i c a t i o n s y s t e m w i t h a n r h r a q u i n o n e ， 1 , 5 一d i c h l o r o a n t h r a q u i n o n e ， 1 ，8 - d i c h l o r o a n t h r a q u i n o n ea n d1 , 4 ，5 ，8 - t e t r a c h l o r o a n t h r a q u i n o n ew e r e - 2 6 0 m v , - 1 5 0 m v , 17 0 m va n d 19 0 m vw h i c hw a sh i g h e rt h a nt h ec o n t r o ls y s t e m t h i r d ，t h ed e n i t r i f i c a t i o n r a t ew a se n h a n c e d1t 01 2t i m e sw i t ht h er e d o xm e d i a t o rt h a nt h ec o n t r o lw i t h o u tr e d o x m e d i t o r i no r d e rt o e x p l o r et h ea c c e l e r a t i n g m e c h a n i s mo fr e d o xm e d i a t o ro nt h e d e n i t r i f i c a t i o nr e a c t i o n , as t r a i no fd e n i t i f i c a t i o nb a c t e r i u mw a si s o l a t e df r o ma n a e r o b i c d e n i t r i f i c a t i o ns l u d g e ，n a m e dg w1 t h eg r o w t ha n dd e n i t r i f i c a t i o nc o n d i t i o n sw e r e i i i 河北科技大学硕士学士论文 m_-, i n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r r e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h eo p t i m i z e dg r o w t h c o n d i t i o n sw e r et h et e m p e r a t u r er a n g eo f35 ct o4 0 c ，t l l ep hv a l u eo f7t o9a n dt h e o p r i m a lc a r b o ns o u r c eo fc h 3 c o o n aa n ds u c c i n i ca c i ds o d i u m ，r e s p e c t i v e l y t h eo p t i m a l f a c t o r sw e r et h et e m p e r a t u r eo f35 ct o4 0 c ，t h ep hv a l u eo f7t o9 ，c h 3 c o o n a a n d s u c c i l l i ca c i ds o d i u ma st h ec a r b o ns o u r c ea n dt h ec nr a t i oo f 6 ：1 t h ed e n i t r i f i c a t i o n r a t ew a sl o w e rw h e nt h en i t r a t ec o n c e n t r a t i o nw a sa b o v e8 0 0m g l 1 a tt h es a m et i m e ， 1 , 5 d i c h l o r o a n t h a q u i n o n ew a su s e dt oi n v e s t i g a t et h ea c c e l e r a t i n ge f f e c ta n dm e c h a n i s m o ft h ed e n i r i f i c a t i o n r e s u l t ss h o w e dt h a t1 , 5 d i c h l o r o a n t h a q u i n o n ep l a y e dt h es i m i l a rr o l e o f n a d ho rc o e n z y m eqd u r i n gt h ea c c e l e r a t i n gd e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s e s t h es t u d ye x p l o r e dag r e a ti m p r o v e m e n to ft h er e d o xm e d i a t o ra p p l i c a t i o na n dt h e n e wb i o t r e a t m e n tc o n c e p tf o rt h ed e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s e s k e yw o r d s d e n i t r i f i c a t i o n ；r e d o xm e d i a t o r ；q u i n o n e ；i m m o b i l i t y ；o x i d a t i o n 。r e d u c t i o n p o t e n t i a l i v 目录 目录 摘要”i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 氮污染现状1 1 2 含氮废水处理技术研究现状1 1 2 1 物理化学法脱氮技术1 1 2 2 传统生物脱氮技术2 1 2 3 生物氮素转化新途径和工艺5 1 3生物脱氮技术存在的问题及解决方法7 1 4 醌类介体研究现状7 1 5 课题内容及意义8 1 5 1课题意义一“8 1 5 2 课题内容8 第2 章反硝化污泥驯化及反应条件优化9 2 1实验材料和方法9 2 1 1 实验材料9 2 1 2 实验方法1 0 2 2 实验内容1 1 2 2 1 污泥驯化1 1 2 2 2 碳源实验”1 3 2 3 结果与讨论1 4 2 3 1 污泥驯化1 4 2 3 2 碳源实验1 4 2 4 本章小结1 8 第3 章醌类介体加速反硝化作用研究一1 9 3 1 实验材料和方法1 9 3 1 1 实验材料1 9 3 1 2 实验方法2 1 3 2 实验内容一2 3 3 2 1 醌类固定化方式选择2 3 v 河北科技大学硕士学士论文 3 2 2 蒽醌加速反硝化作用研究2 3 3 2 3 其它几种醌类加速反硝化2 3 3 3 结果与讨论2 3 3 3 1 固定化方式选择：一2 3 3 - 3 2固定化葸醌小球结构2 4 3 3 3 葸醌加速反硝化2 4 3 3 4 1 ，5 二氯蒽醌加速反硝化作用研究2 8 3 3 5 l ，8 二氯葸醌加速反硝化作用研究3 1 3 3 6 1 , 4 ，5 ，8 四氯葸醌加速反硝化过程研究”3 4 3 3 74 种不同醌类介体加速反硝化作用对比3 6 3 4 本章小结3 7 第4 章反硝化细菌分离筛选及特性研究3 9 4 1 实验材料：3 9 4 1 1实验仪器3 9 4 1 2 实验药品“：4 0 4 1 3培养基4 0 4 2实验方法4 2 4 2 1反硝化细菌分离筛选4 2 4 。2 2 菌种保存4 2 4 2 3 革兰氏染色4 2 4 3实验内容4 3 4 3 1 菌种分离和筛选4 3 4 3 2 初筛菌反降解硝酸盐筛选4 3 4 3 3反硝化细菌形态观察和鉴定4 3 4 3 4 反硝化细菌生长条件研究4 3 4 3 5 菌株反硝化特性研究4 5 4 3 6 醌加速细菌反硝化过程研究4 7 4 4 实验结果与讨论- 4 7 4 4 1反硝化细菌分离筛选4 7 4 4 2 反硝化初筛菌硝酸盐降解筛选4 8 4 4 3 反硝化细菌g w l 形态观察和鉴定4 8 4 4 4 反硝化细菌g w l 生长条件研究5 l 4 4 5 菌株g w l 反硝化特性研究5 6 目录 4 4 6 醌加速细菌反硝化过程研究6 3 4 5 本章小结6 7 结论6 9 参考文献7 1 攻读硕士期间取得成果7 6 致谢7 7 v i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 氮污染现状 氮污染是目前国际上普遍关注的议题。氮素产品作为肥料，是提高农产品产量 最重要的营养元素之一，化石燃料的使用更是促进了工业化的发展。但随着工农业 生产的发展和人口的增长，化肥和化石燃料的不合理使用，大量的氮污染排放到外 界环境中，自然界原有的氮素循环被严重扰乱，失衡的氮索循环过程中产生了一些 氮氧化物和氮氢化物，严重的危害了大气和水体的良好环境。过多的氮化合物进入 天然水体不仅会使水环境质量恶化，影响饮水质量和森林生态系统，还会对人体健 康以及动、植物的生存产生严重的危害。首先，氮是引起水体富营养化的主要因素， 大量含有氮营养盐的污水直接排入受纳水体后，会导致藻类和其它水生植物的异常 增长，消耗水中的溶解氧，造成水体质量恶化和水生态环境结构破坏；其次，水体 中氨污染物可在微生物的作用下继续氧化成硝酸盐氮，消耗水体中的溶解氧，严重 时使鱼类窒息死亡；再次，供饮用的地表水和地下水中硝酸盐浓度过高，可能在人 体中被还原为亚硝酸胺，而亚硝酸胺己被确认为致癌、致畸、致突变的物质，对人 体健康有严重的潜在威胁。面对如此的严峻的氮污染形势，控制大气水体中氮污染 物的排放量，减少人类环境氮污染程度己成为当今重要议题。 1 2 含氮废水处理技术研究现状 目前国内外含氮废水的处理方法主要可分为物化法和生物法两大类，在生物脱 氮法中，除了传统的生物脱氮法外，还涌现出了很多新的生物脱氮理论和工艺【1 5 】。 1 2 1 物理化学法脱氮技术 物化法是普遍认为脱除氮污染最为迅速和直接的方法，尤其针对含氮浓度较高， 水量较大的废水。废水物化脱氮技术主要是采用物理和化学手段，将废水中的氮去 除达到预定的效果，废水处理工艺中常用的物化脱氮技术有空气吹脱法、折点加氯 法、选择性离子交换法、化学沉淀和化学中和法、乳化液膜分离法等 2 1 。 1 1 空气吹脱法 废水中的氨氮，大多以铵离子( n h 4 + ) 和游离氨( n h 3 ) 的形式存在，并在水中保持 如下平衡： n h 3 十h 2 0 n h ：+ o h 一 r 1 - 1 3 空气吹脱法即利用废水中所含氨氮的实际浓度和平衡浓度之间存在的差异，在 碱性条件下用空气吹脱，使废水中氨氮不断地由液相转移到气相中，从而达到去除 1 河北科技大学硕士学位论文 氨氮的目的。 在工程应用中一般用石灰乳提高污水p h 值。水经氨吹脱塔，通过c 0 2 使生成的 c a c 0 3 沉淀下来，并使p h 值下降，沉淀物经脱水后回收，c a o 和c 0 2 可重复使用， 残留污泥进行处理。空气吹脱法除氮的主要问题是水温低时氨的溶解度增加，影响 吹脱；p h 过高易结垢形成c a c 0 3 沉淀；不能处理硝态氮，容易产生二次污染。 2 ) 折点加氯法 折点加氯法是将氯气或次氯酸钠投入污水，将废水中的氨氮转化为n 2 的脱氮工 艺。折点加氯法脱氮反应迅速，设备费用低，但液氯的安全使用和贮存要求高，运 行中加氯量大，增加了运行管理成本。该法不适合大流量高浓度含氮废水的处理。 3 ) 离子树脂交换法 选择性离子交换树脂去除效率高，设备简单易控制。但离子交换剂用量大，再生 频繁，对废水预处理要求高，导致成本增加。 4 ) 化学沉淀法 向废水中投加m 9 2 + 和p 0 4 3 + ，氨氮与之反应生成难溶复盐m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0 ( m a g n e s i u ma m m o n i u mp h o s p h a t e ，m a p ) 沉淀，从而达氨氮去除目的。化学沉淀脱氮 法可以处理各种浓度的废水，尤其适用于高浓度的氨氮废水。某些高浓度氨氮废水 不适合生物法处理是可采用该方法。但该法沉淀剂药量大，运行成本比较高。 5 ) 化学中和法 含氨碱性废水浓度大于2 到3 时可考虑回收加以综合利用，制成硫铵等加以 回用。该法简单实用，以废制废经济合理。但废水水质水量变化大时，酸碱难以平 衡，必须进行调节。 1 2 2 传统生物脱氮技术 由于物理化学法再脱氮中一般运行费用较高，容易造成二次污染，而且在脱氮 过程中存在选择性，主要去除氨氮，不能同时对其它形式的氮去除等缺点，在实际 废水处理中的应用有一定局限性。生物脱氮技术解决了物化中选择性较高的问题， 它不仅能够脱除氨氮，对硝酸盐和亚硝酸盐也有去除效果，而且运行费用较物化法 低，在废水处理中发挥了重大作用。 传统的生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态氮转化为n 2 和n 。o 气体 的过程，包括氨氧化、硝化和反硝化三个反应过程，有机物的降解碳化过程亦伴随 这些过程同时完成【1 1 。 1 2 2 1 氨化反应 废水水中的有机氮化合物在微生物( 氨化细菌) 的作用下，分解产生氨的过程称脱 氨基作用，即氨化作用，主要发生反应如( 1 2 ) 和( 1 3 ) 所示，所有的氨氧化细菌均为 第1 章绪论 专性好氧、革兰氏阴性菌，在低氧下能生长，最适温度为2 5 。c , - - , 3 0 c ；最佳p h 范 围为7 5 8 0 。高光强度和高氧浓度都会抑制该菌的生长。 i r c j - - c o o h + 心o _r 一c o o h + n h 3( 1 - 2 ) i o 、- ， n h l o h h。 o r f c o o h + 0 2 叶 r c i i c o o h+ n h 3 ( 1 3 ) i 。、 一 。一j n 鸨 1 2 2 2 硝化反应 硝化反应是在好氧状态下，将氨氮转化为硝酸盐氮的过程。硝化反应是由一群 自养型好氧微生物完成的，它们利用无机碳化合物如c 0 2 、c 0 3 2 ，h c 0 3 等作为碳 源，通过与n h 3 ，n i - 1 4 + ，n 0 2 的氧化反应来获得能量。硝化反应包括两个基本反应 阶段。第一阶段是由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐，称为亚硝化反应，其反应式 如式1 - 4 ；第二阶段则由硝酸菌将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐，称为硝化反应，其反 应式如式( 1 5 ) 第一阶段亚硝化反应 5 5 n h4 4 - + 7 6 0 2 + 1 0 9 h c o _ c 5 h7 n o2 + 5 4 n o ；+ 5 7 h2 0 + 1 0 4 h2 c 0 3 ( 1 - 4 ) 第二阶段硝化反应 4 0 0 n o ；+ n h ：+ 4 h 2 c 0 3 + 1 9 5 0 2 一c 5 h 7 n 0 2 + 3 h 2 0 + 4 0 0 n o ； ( 1 - 5 ) 第一阶段反应放出的能量多，该能量供给亚硝酸菌，将n h 4 + 转化为n 0 2 ，维持 反应的继续进行，第二阶段反应放出的能量较少。 硝化过程总的反应式如下： n h ：+ 1 8 3 0 2 + 1 9 8 h c o ；j 0 0 2 1 c 5 h 7 n 0 2 + 1 0 4 1 i - 1 2 0 + 1 8 8 h 2 c 0 3 + o 9 8 n o ；( 1 - 6 ) 硝化细菌是自养菌，世代周期较长，在工程应用中需要足够长的停留时间，在微 生物反应器中泥龄要大于硝化细菌的世代时间。除此之外影响硝化细菌的环境影响 因素还有： 1 ) 溶解氧和p h 值 由硝化反应方程式得知，硝化反应以氧气为电子受体，环境中必须保持一定的 溶解氧浓度，才能使硝化反应正常进行：硝化细菌的适宜p h 值是7 5 到8 ，由于硝 河北科技大学硕士学位论文 化反应产生h + ，在处理体系中必须要有一定的碱度来维持系统的p h 。 2 ) 有机碳浓度 因为硝化细菌是自养微生物，废水中有机碳浓度过高后，会导致其它异氧微生 物的生长，从而使硝化细菌受抑制。 3 ) 温度 硝化细菌的生长温度为2 0 3 0 c ，1 5 以下硝化细菌生长缓慢，5 c 几乎停止 生长。 1 2 2 3 反硝化反应 反硝化反应就是将硝化过程中产生的硝酸盐或亚硝酸盐还原成n 2 的过程。参与 这一生化反应过程的微生物多数是兼性细菌，有分子态氧存在时，反硝化菌氧化分 解有机物，利用分子态氧作为最终电子受体。在无分子态氧条件下，反硝化菌利用 硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体进行缺氧呼吸，0 2 。作为受氢体生成h 2 0 和o h 碱 度，有机物则作为碳源及电子供体提供能量，并得到氧化稳定。 反硝化过程中亚硝酸盐和硝酸盐的转化是通过反硝化细菌的同化作用和异化作 用来完成的。异化作用就是将n 0 2 。和n 0 3 还原为n o ，n 2 0 ，n 2 等气体物质，主要是 n 2 。异化作用去除的氨一般占总去除量的7 0 7 5 。而同化作用是反硝化菌将n 0 2 + 和n 0 3 还原为n + ，供新细胞合成使用，使氮成为细胞质的成分。 反硝化反应式： 2 n o ；+ 6 h + ( 氢供给体) _ n2 + 2 h2 0 + 2 0 h ( 1 - 7 ) 2 n o ；+ 1 0 h + ( 氢供给体) _ n2 + 4 h2 0 + 2 0 h 。( 1 - 8 ) 此外，少数专性和兼性自养细菌也能还原硝酸盐，当污水中缺乏有机物时，无机 物如氢、n a 2 s 等也可以作为反硝化反应的电子供体，而微生物则可以通过消耗自身 的原生质进行内源反硝化，反应式如( 1 9 ) 所示。 c 5 h7 n o2 + 4 n o ；一5 c o2 + n h3 + 2 n2 个+ 4 0 h 。( 1 - 9 ) 由此可见，内源反硝化的结果将导致细胞物质的减少，同时还生成n h 3 ，因此， 为了不让内源反硝化占主导地位，而应向污水中提供必需的有机碳源。使用最普遍 的有机碳源是较为廉价的甲醉，但甲醇有毒，现在常使用乙醇作为外加有机碳源。 同时由于反硝化过程中产生o h ，在微生物反应其中必须维持一定的碱度。溶解氧 也是影响反硝化的重要因素之一，当溶解氧的浓度过大时，反硝化细菌将进行有氧 呼吸，以氧气为电子受体。 反硝化是有多种酶参与并伴随着电子传递和能量产生的复杂反应过程。大量研究 表明，反硝化主要有四个步骤，有四种不同的酶参与：硝酸盐还原酶( n i t r a t er e d u c t a s e ， 4 第1 章绪论 n a g ) 、亚硝酸盐还原酶( n i t r i t er e d u c t a s e ，n i r ) 、一氧化氮还原酶烈oo x i d o r e d u c t a s e ， n o r ) 、一氧化二氮还原酶州2 0r e d u c t a s e ，n 2 0 r ) ，在这四种酶的作用下最终将硝酸 盐转化为氮气。硝酸盐还原酶主要有两种：一种与细胞膜相连接，称为膜结合酶； 一种位于周质空间称为周质酶，该两种酶在蛋白质结构、基因组成和生物化学性质 上都存在差异。 影响微生物反硝化的因素有很多，如温度、p h 、溶解氧、碳源有机物、碳氮比 ( c n ) 和有毒物质等。 1 ) 温度 反硝化细菌的适宜温度为2 0 3 8 ，当温度低于1 5 时，反应速率明显下降， 温度小于3 时，反应几乎停止，完全无法实现反硝化反应。 2 ) p h 反硝化细菌的适宜p h 值为6 5 7 5 ，p h 过高或过低都会影响反硝化速率。 3 ) 溶解氧 反硝化细菌属兼性厌氧菌，在有氧存在时以氧气为电子受体进行好氧呼吸；在无 氧而有硝酸根或亚硝酸根离子存在时，则以硝酸根或亚硝酸根离子为电子受体，以 有机碳为电子供体和营养源进行反硝化反应。 4 ) 碳源 由于大部分反硝化细菌是异养型细菌，在微生物生命过程中需要外加碳源，以 有机碳源为电子供体和营养源完成反硝化反应，不同的有机碳将导致反硝化速率的 不同。 5 ) 碳氮比 有机碳源的多少和其可生化程度是影响反硝化反应的关键问题，一般认为当污水 中的b o d 5 t k n ( 总凯氏氮) 3 - - 5 时，可认为碳源充足。 1 2 3 生物氮素转化新途径和工艺 经典的水处理理论认为生物脱氮需经硝化和反硝化两个过程( 图1 中 _ 一_ ) ，因此传统生物脱氮工艺多采用序列式硝化反硝化模式运行。最近 的一些研究表明自然界中存在着多种新的氮素转化途径，如：短程硝化反硝化( 如图1 中_ ) ，将硝化过程控制在n 0 2 阶段，然后直接进行反硝化，厌氧氨氧化( 如图1 中) ，n h 4 + 在厌氧条件下以n 0 2 为电子受体直接被氧化为n 2 。同时硝化反硝化( 图 1 中、和) ，氮的去除在氨、亚硝酸盐和硝酸盐同时存在条件下发生。基 于新的氮素转化途径提出多种新型生物脱氮工艺，如短程硝化反硝化( s h a r o n ) 、同 时硝化反硝化工艺( s n d ) 、厌氧氨氧化工艺( a n a m m o x ) 、s h a r o n a n a m m o x 组 合工艺、限氧自养硝化反硝化工艺( o l a n d ) 、完全自养脱氮工艺( c a n o n ) 等。 河北科技大学硕士学位论文 生物氮循环见图1 1 。 反硝化 固氮 岔旷丁蕊， n o ； 图1 - 1 氮生物循环 f i g 1 1 t h en i t r o g e nc y c l eo f b i o l o g y 硝化 1 2 3 1 短程反硝化 短程硝化一反硝化( s h o r t c u t 。n i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n ) 生物脱氮的基本原理就是 将硝化过程控制在亚硝酸盐阶段，阻止n 0 2 的进一步硝化，然后直接进行反硝化。 在短程硝化一反硝化脱氮途径中，n 0 2 为仅有的中间过渡形态，对氧化( n h 4 + - - - , n 0 2 ) 和还原( n 0 2 训2 ) 均起到最小量化的作用，意味着0 2 和c o d 的双重节约。 1 2 3 2 同时硝化反硝化 同时硝化反硝化现象就是硝化反应和反硝化反应在同一反应器和相同操作条件 下同时发生。s n d 可以从物理学( 微环境理论) 、微生物学( 异养硝化和好氧反硝化菌 种理论) 和生物化学( 中间产物理论) 三个方面予以阐述和解释。目前研究表明s n d 确 实存在于城市污水生物处理系统中，如氧化沟、生物膜、s b r 反应器和间歇曝气等 工艺中。从已有的研究看来，s n d 必须严格控制溶解氧，一般适宜d o 浓度在2 5 m g l 1 以下，在较低d o 条件下，氧化还原电位( o r p ) 可作为可靠的控制手段。s n d 具 有能耗低、投资省、池容小以及易保持稳定的p h 值等优势，有相当的实用价值【6 1 。 1 2 3 3 厌氧氨氧化 厌氧氨氧化( a n a m m o x a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ) 即在厌氧或缺氧条件 下，微生物直接以n h 4 + 作为电子供体，以n 0 3 - 或n 0 2 为电子受体，将n m + 、n 0 3 或n 0 2 转变为n 2 的生物氧化过程。厌氧氨氧化直接以氨为电子供体，免去了外加碳 源物质，既节约成本又减少了二次污染，同时由于厌氧氨氧化的条件是厌氧或缺氧 条件，使水处理中供氧大大削减，而且实现了同时去除氨氮和亚硝酸盐氮的问题， 是当今新生物脱氮技术研究热点之一。 6 第1 章绪论 1 3 生物脱氮技术存在的问题及解决方法 生物处理较物化处理价格低廉，但还存在一定问题。生物脱氮的速率较低，致 使水力停留时间较长，基建投资较高，结合当前国家标准对废水出水的高要求，高 效率，有效地改变生物脱氮速率提高生物脱氮是目前人们研究的热点问题之一。 针对提高生物脱氮效率目前解决的方法有两大类，第一类是利用新的生物脱氮机 理研究和开发新生物脱氮工艺，提高脱氮效率，比如短程硝化反硝化、厌氧氨氧化 和同时硝化反硝化等( 见1 2 3 介绍) ，但目前关于这些方法的大多数实际工程应用只是 停留在实验室和中试阶段，影响工艺参数较多，进行工艺条件的控制比较复杂，目 前在大型工程上实现有一定困难；第二种方法，提高生物本身的反应速率解决效率 问题，即寻找促进生物脱氮反应的特种物质，促进生物脱氮过程中的氧化还原速率， 称该类物质为氧化还原介体