（环境科学专业论文）基于陶瓷载体的生物膜脱氮效果的研究.pdf

摘要 上海师范大学硕士学位论文 膜的存在是实现反应器同步硝化反硝化的关键。 第三部分研究中，对比两种不同方法对喹啉废水的降解与脱氮处理。第一种 方法是紫外光照好氧污泥缺氧污泥分步法。结果表明，经过6 0 h 紫外光照，喹 啉完全分解，氨氮释放6 0 ，再经3 0 h 硝化可将氨氮完全转化为硝态氮，最后经 过3 0 h 反硝化过程可去除8 9 7 硝态氮，分步法总氮去除率为8 2 9 。第二种方 法是采用气升式内循环生物膜反应器直接处理喹啉废水。结果表明，不添加碳源 时，喹啉降解，释放的氨氮转变为硝态氮，总氮无法去除。在添加2 0 0 m g l 葡 萄糖碳源情况下，生物膜反应器经过4 8 小时反应，喹啉完全降解，总氮去除率 达8 5 ，生物膜反应器降解喹啉及脱氮效率优于活性污泥分步法。 关键词：生物膜、陶瓷、脱氮、微电极 论文类型：应用研究 i i 上海师范大学硕士学位论文 摘要 t h e s i st i t l e ：r e s e a r c ho nn i t r o g e nr e m o v a lo fb i o f i l mo nc e r a m i cc a r 一代 m m 嬲a j o 钯r r ：。e e n 畔v i r e o a n m p p e 。n i c t a 枷ls ：c i e c n u c 研eiiiihiiviiviihuiiiiii122111bhiizhang m a l s t e r d e g r e ea p p l i c a n t ：c u i y i vv v zb s u p e r v i s o r ：y o n g m i n gz h a n g ，p r o f e s s o r a b s t r a c t t h i st h e s i sc o m b i n e dr e s e a r c ho nn i t r o g e nr e m o v a lo fc e r a m i c c a r r i e rb i o f i l m r e a c t o r 、析t 1 1 i n v e s t i g a t i o n o nm i c r o s t r u c t u r eo ft h eb i o f i l m b ym e a n s o f m i c r o e l e c t r o d et e c h n o l o g ya n dm o l e c u l a r b i o l o g i c a la n a l y s i s ，t os t u d yt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nn i t r o g e nr e m o v a la n db i o f i l mp e r f o r m a n c e ，t h u sw a se x p e c t e dt op r o v i d e t h e o r a t i c a lb a s i sf o rf u r t h e rr e s e a r c ho nb i o f i l mt e c h n o l o g yo ns u r f a c ew a t e rt r e a t m e n t t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e do nt h r e ef o l l o w i n gp a r t s ： f i r s t l y , g l u c o s e ，m e t h y la n db e n z o i ca c i d , a st h r e ed i f f e r e n tk i n d so fc a r b o n s o u r c e s ，w e r er e s p e c t i v e l yu s e dt oc u l t u r eb i o f i l mb a s e do np o r o u sc e r a m i cc a r r i e r , t o b ec o m p a r e di nc o da n da m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lu n d e ra e r o b i cc o n d i t i o n t h e a v e r a g ec o da n da m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lo fb i o f i l mc u l t u r e db yg l u c o s ew a s r e s p e c t i v e l y7 8 ；o fb i o f i l mc u l t u r e db ym e t h y lw a s7 4 a n d7 8 ；a n do fb i o f i l m c u l t u r e db yb e n z o i ca c i dw a s6 8 a n d6 0 b ym e a n so fm i c r o e l e c t r o d e ，t h e m i c r o s t r u c t u r e so ft h eb i o f i l m sw e r ea n a l y z e da c c o r d i n gt ok i n e t i c st o g e tt h a t m a x i m u m o x y g e nc o n s u m p t i o nr a t ew a s8 0m 9 0 2 ( g v s s h ) i nt h eb i o f i l mc u l t u r e db y g l u c o s e ；4 0 m 9 0 2 ( g v s s - h ) i nt h eb i o f l i mc u l t u r e db ym e t h y l ；a n d2 0m 9 0 2 ( g v s s h ) i nt h eb i o f i l mc u l t u r e db yb e n z o i ca c i d t h en u m b e ro fm i c r o b i a l s p e c i e si nt h e b i o f i l mc u l t u r e db yg l u c o s ew a sa s1 5t i m e sa st h a tb yb e n z o i ca c i da c c o r d i n gt o m o l e c u l a rb i o l o g i c a la n a l y s i s s e c o n d l y , a na i r - l i f ti n t e r n a lb i o f i l mr e a c t o r , a e r a t i o ni n m i d d l eo ft h er e a c t o r , w a su s e dt or e a l i z es 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 ( s n d ) b ya d j u s t i n ga e r a t i o nt oc o n t r o ld i s s o l v eo x y g e n ( d o ) i nb u l ks o l u t i o na n dl e t a e r o b i ca n da n o x i cz o n ec o e x i s ti no n er e a c t o r 1 帅e na e r a t i o nw a sa t0 6a n d0 2 l m i n , c o r r e s p o n d i n gt od oo f5 8a n d2 5m g li nb u l ks o l u t i o n ，a m m o n i u m n i t r o g e nr e m o v a lp e r c e n t a g er e a c h e da b o u t8 0 a n d9 0 ，b u tt o t a lr e m o v a l p e r c e n t a g ew a sl o w e rt h a n2 5 w h i l et h ea e r a t i o nw a sf u r t h e rr e d u c e dt o0 1l m i n ， i i i a m m o n i u mn i t r o g e na n dt o t a ln i t r o g e nr e m o v a lp e r c e n t a g er e a c h e da t7 5 a n d5 0 r e s p e c t i v e l y , a l t h o u g hc o r r e s p o n d i n gd o i nb u l ks o l u t i o nw a sh i g h e rt h a n0 5m g l ， d u et oa e r o b i ca n da n o x i cz o n e se x i s t i n gs i m u l t a n e o u s l yi no n er e a c t o r b i o f i l m sw e r e r e s p e c t i v e l yt a k e nf r o m a e r o b i ca n da n o x i cz o n et ov e r i f yt h e i rf u n c t i o no f 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 , d u r i n gw h i c ha m m o n i u mn i t r o g e nw a st r a n s f e r r e d i n t on i t r a t ec o m p l e t e l yu n d e ra e r o b i cc o n d i t i o na n dn i t r a t ew a sr e m o v e dm o r et h a n 8 0 u n d e ra n o x i cc o n d i t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e dt h a ts n dc o u l db e r e a l i z e db ya d j u s t i n ga p p r o p r i a t ea e r a t i o n m i c r o e l e c t r o d ew a su s e dt om e a s u r et h e d od i s t r i b u t i o ni n s i d eb i o f i l m si na n o x i cz o n ec o r r e s p o n d i n gt o d i f f e r e n ta e r a t i o n w h e na e r a t i o nw a sa t0 6a n d0 2l m i n ，d oi n s i d eb i o f i l mw a sm o r et h a n1 5m g l ， b u tt h ed oi n s i d eb i o f i l md e c r e a s e dt oa n o x i c 、 ，i md e p t ho fb i o f i l mi n c r e a s i n g ， c o r r e s p o n d i n gt oa e r a t i o no fo 1l m i n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a ts n d c o u l db er e a l i z e dd u et os i m u l t a n e o u se x i s t e n c eo fa e r o b i ca n da n o x i cb i o f i l m si no n e r e a c t o r t h i r d l y , t w o d i f f e r e n t a p p r o a c h e s s e p a r a t e d u v 二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 ( u n d ) a n da i r - l i f ti n t e r n a lb i o f i l mr e a c t o r ( a i l b r 卜w e r e c o n d u c t e d r e s p e c t i v e l yt oc o m p a r et h ep e r f o r m a n c e o fq u i n o l i n ed e g r a d a t i o na n dn i t r o g e n r e m o v a l t h er e s u l to fs e p a r a t e du n ds h o w e dt h a ta f t e ru vp r o c e s so f6 0 h ，q u i n o l i n e w a sr e m o v e da n da m m o n i an i t r o g e n ，w h i c hw a sr e l e a s e df r o mq u i n o l i n e ，r o s eb y6 0 ， t h e na f t e rn i t r i f i c a t i o np r o c e s so f3 0 h ，a m m o n i an i t r o g e nw a st r a n s f o r m e di n t o n i t r a t e n i t r i t en i t r o g e nc o m p l e t e l y , a n df m a l l ya f t e rd e n i t r i f i c a t i o np r o c e s so f3 0 h ，t o t a l n i t r o g e nw a sr e m o v e db y8 2 9 t h er e s u l to fa i l b r s h o w e dt h a tw h e nn oc a r b o n s o u r c ew a sa d d e d ，q u i n o l i n ew a sr e m o v e dw i t h i n2 4 h ，a n da m m o n i an i t r o g e n ，w h i c h w a sr e l e a s e df r o mq u i n o l i n e ，w a st r a n s f o r m e di n t on i t r a t e n i t r i t en i t r o g e na n dt h e nr i o l o n g e rr e m o v e d ；w h e ng l u c o s e o f2 0 0 m g la sc a r b o ns o u r c ew a sa d d e da t2 4 h ， q u i n o l i n ew a sr e m o v e dw i t h i n2 4 h ，a n dn i t r a t e n i t r i t e ，w h i c hw a st r a n s f o r m e df r o m a m m o n i a , w a sf u r t h e rr e m o v e d t h et o t a ln i t r o g e nr e m o v a lo f8 5 a n do p e r a t i o nt i m e o f4 8 hb ym e a n so f a i l b rw e r eb e t t e rt h a nt h o s eo fu n d k e yw o r d s ：b i o f i l m ，c e r a m i cc a r t i e r , n i t r o g e nr e m o v a l ，m i c r o e l e t r o d e t h e s i st y p e ：a p p l i e dr e s e a r c h i v 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 废水处理的意义 水是人类赖以生存的自然资源，同时也是社会发展的宝贵资源。另一方面， 水资源极其有限，我国幅员辽阔，人口众多，人均水资源量非常稀缺。同时工业 发展密集导致水污染态势难以遏制，使得我国水资源十分紧缺。 我国水体污染主要包括两个方面。其一是工业生产超标排放产生的工业废 水，其二是城市生活污水未经集中处理直接排入地表水造成污染。近年来，随着 污水排放总量的不断增加，尤其是工业生产的含氮废水及化肥农药的广泛应用， 废水中氮营养物质对环境所造成的破坏也逐渐引起了人们的广泛关注。2 0 1 0 年 中国环境状况公告显剥1 1 ，全国七大水系( 长江、黄河、松花江、珠江、海河、 淮河、辽河等) 总体呈现轻度污染态势。在全国2 0 4 条河流4 0 9 个国控断面中， v 类水体占2 3 7 ，劣v 类水质的断面比例分别为1 6 4 。全国性范围内的地表 水污染依然不容乐观，湖泊及水库的富营养化问题依然严重，在监测营养状态的 2 6 个湖泊及水库中，富营养化状态的占4 2 3 。太湖、巢湖和滇池是中国三大重 度富营养污染湖泊。 水体富营养化对环境造成严重污染，并不断威胁到人类的生产生活活动。为 此，越来越多的国家和地区制定严格的氨、氮排放标准以控制含氮废水的污染排 放【2 】。例如英国不仅对废水处理出水中的c o d 、b o d 5 和s s 的排放指标做出了 严格规定，同时还对氮、磷排放也做出了严格的定量标准，对于人口当量在1 1 0 万的污水处理厂，其出水的总氮需低于1 5 m g l ，对于人口当量超过l o 万的污水 处理厂，出水中的总氮含量不得超过1 0 m g l 。我国对含氮废水的排放标准也不 断重视，除了氨氮，总氮也被纳入水体监测对象，意味着今后绝对大多数城市污 水和工业废水处理厂都需要考虑完整的脱氮处理工艺和体系。 综上可见，由氮素引起的水体污染问题已经越发突出，不断威胁到自然社会 的和谐和人类生产生活，越来越多引起人们的重视。因此，有效降低废水中氮含 量已经成为现代废水处理领域的研究热点和重点。 1 1 2 生物脱氮原理 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 ( 1 ) 传统硝化反硝化工艺 在微生物作用下，废水脱氮过程包括了三个过程：氨化、硝化、反硝化。 微生物氨化过程是指废水中的蛋白质、氨基酸、尿素等有机氮在微生物水解 酶和脱氨基酶的作用下转化为氨和含氮有机物，其反应如( 1 一1 ) 所示： r c h n h 2 c o o h + 0 2 氯化菌 r c 0 0 h + c 0 2 + n h 3 ( 1 - 1 ) 生物硝化反应是指亚硝酸菌、硝酸菌在好氧状态下将氨氮氧化为亚硝酸盐 氮、硝酸盐氮的过程。这个过程通过亚硝化反应和硝化反应两个步骤完成，分别 如( 1 2 ) 和( 1 3 ) 式所示： 5 5 n h 4 7 6 0 2 + 10 9 h c 0 s 亚硝酸菌 c 5 h 7 n 0 2 + 5 4n o x + 5 7h 2 0 + 1 0 4 h 2 c 0 3 ( 1 - 2 ) 4 口。n 0 2 + n h 4 - + 4 鹕+ h c 0 3 + 19 5 0 2 旦c s h 7 n 0 2 + 3 h 2 0 - , 4 。n 0 3 - 这两个过程都有能量释放，硝化过程的总反应式为( 1 - 4 ) n h ，+ 1 8 6 0 2 + 1 9 8 5 h c 0 3 啼o 0 2 1c 5 h 7 n 0 2 + 1 0 4 h 2 0 + 1 8 8 h 2 c 0 3 + 0 9 8 2 n o l f l - 4 ) 根据物料衡算，硝化过程中，每l m g 氨氮氧化为硝酸盐需要4 2 7 m g 氧，同 时消耗碱度7 m g ( 以c a c 0 3 计) 。 微生物的反硝化过程是指在缺氧条件下，将硝化过程产生的硝酸盐及亚硝酸 盐还原成气态氮( n 2 ) 或n 2 0 、n o 。参与反应的反硝化菌为异养型微生物，在 环境游离态氧和化合态氧同时存在时，优先选择游离态氧作为电子受体；在含碳 有机物存在时，利用这些有机物作为电子受体；在碳源有机物不足时，利用部分 无机物如氢、n a 2 s 作为反硝化电子受体，因此反硝化过程的产物受到参与反硝 化反应的微生物种类和环境因素等影响。硝酸盐的反硝化还原过程可表达为 ( 1 - 5 ) ： n 0 3 ：竺竺兰望里要n 0 2 垩竺竺兰望皇箩n o 氧化还原酶 n 2 0 苎兰垩墨至堡箩 ( 1 - 5 ) 1 1 3 生物脱氮工艺及其进展 ( 1 ) 传统生物脱氮工艺 传统三级活性污泥脱氮工艺的开发应用始于1 9 6 9 年，由美国科学家b a r t h 等 2 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 人【3 】提出。此工艺将氨化、硝化、反硝化分别置于不同的单元中进行，使得好氧 菌、硝化菌和反硝化菌在各自最适宜的环境条件下生长繁殖，反应速度较快。但 工艺存在流程较长、构筑物多、设备基建费及运转费用较高等缺点。 同年，o v e n 等人【4 】开发的s b r 技术，使得传统硝化反硝化技术得以走向工 业化。该工艺将进水、反应、沉淀、排放和闲置等5 个工序置于一个完整周期中， 工艺流程相对简单，反应效率较高，污泥沉降性能好。但s b r 由于是间歇进水， 存在工序繁杂、容积利用率等缺点。 之后，各种改良型s b r 工艺被相继开发，包括间歇式循环曝气活性污泥法 ( i c e a s ) 、循环式活性污泥法( c a s t ) 、周期循环活性污泥法( c a s s ) 等，在 工艺的处理效果和稳定性上做了各种改进。 随着水体氮污染的不断加重，传统生物脱氮工艺越发不能满足脱氮需要，使 出水水质不能得到保证，其存在的主要缺陷包括1 5 - 6 ：工艺流程长，基建投资费 用较高；硝化菌增殖速度较慢，导致在温度较低的冬季需增加水力停留时间及提 高曝气量来解决该问题；硝化与反硝化的过程分离使得处理水体难以在时间上和 空间上统一，脱氮效果差；需要额外投入碱度和碳源，同时污泥与硝化液的回流 增加了动力消耗及运行费用；系统抗冲击负荷能力较差，氨氮浓度和亚硝态氮浓 度较高时会抑制硝化菌生长。 ( 2 )同步硝化反硝化工艺 在传统脱氮工艺中，先进行充分硝化，随后再进行反硝化，其路线较长，能 耗较大，故新型工艺探索将硝化与反硝化放在同一反应器中进行，既缩短反应路 径，又节省药品投加量。同步硝化反硝化( s n d ) 最早在一些缺氧活性污泥工艺 中被观察到7 。10 1 ，如氧化沟、s b r 、间歇式反应器等，从此得到进一步开发应用。 同步硝化反硝化是指在同一反应器、相同操作条件下，硝化、反硝化反应同时进 行，利用反硝化过程中产生的碱度提供硝化过程的需要，同时可减少碳源的投入 量，提高反硝化效率，其反应方程式可表达为( 1 6 ) 和( 1 7 ) ： n h 4 十+ 1 8 6 0 2 + 1 9 8 5 h c 0 3 = 0 0 2 1 c s h t n 0 2 + 1 0 4 h 2 0 + 1 8 8 h 2 c 0 3 + 0 9 8 2 n 0 3 。( 1 - 6 ) n 0 3 + 1 0 8 c h 3 0 h + 0 2 4 h 2 c 0 3 = 0 0 5 6 c s h t n 0 2 + 0 4 烈2 + 1 6 8 h 2 0 + h c 0 3 。 ( 1 7 ) 对于同步硝化反硝化的认识，目前主要存在三种解释：宏观环境理论、微环 境理论和生物学理论，但对其机理的深入研究还处在探索阶段，没有达成统一。 第一章绪论 上海师范大学硕士学位论文 ( 3 ) 厌氧氨氧化工艺 该工艺作用是指在厌氧条件下，亚硝酸盐作为电子受体，被厌氧氨氧化茵利 用，氨氮经过生物反应，被氧化为氮气的过程。厌氧氨氧化工艺受到严格的外界 条件影响，包括温度、p h 值、溶解氧等。该工艺的优点是无需要氧气和有机物 的参与，其反应方程式可表达为( 1 8 ) 或( 1 9 ) ： 5 n h 4 + + 3 n o x = 4 n 2 + 9 h 2 0 _ 卜2 r ( 1 - 8 ) n h 4 + + n 0 3 。= n 2 + 2 h 2 0 ( 1 9 ) 常规厌氧氨氧化技术主要包括s h a r o n 法【1 1 1 和o r l a n d 法【1 2 】。s h a r o n 法是指在高温以及非常短的污泥龄的条件下，使用具有高脱氮活性的反应器进行 短程硝化反硝化。该反应只将氨的氧化过程控制在亚硝化阶段，然后利用缺氧条 件进行反硝化。为方便对亚硝化段的控制，即保证硝化菌的生长快于氨氧化细菌， 常控制反应温度温在5 2 0 摄氏度。o r l a n d 法由比利时c e n t 微生物生态实验 室开发的新型生物脱氮工艺。该工艺通过严格控制溶解氧，使硝化过程只进行到 n h 4 + 氧化为n 0 2 阶段。由于缺乏电子受体，由n h 4 + 氧化产生的n 0 2 氧化未反应 的n h 4 + 形成n 2 。 厌氧氨氧化工艺的优点包括：无需外加有机物作电子供体，可防止二次污染 并节省费用；产酸量下降，产碱量为零，可节省中和试剂的费用；污泥产量极少 且减少c 0 2 温室气体的排放。 1 1 4 生物膜脱氮技术的研究进展 与传统的活性污泥法相比，生物膜法处理废水具有以下优点【l3 】：经济节能， 易于维护管理；具有一定的硝化反硝化功能；对水质水量的变动具有较强的适应 能力；污泥沉降性能较好，无污泥膨胀问题；能够处理低浓度的废水。对于复合 型水质的地表水而言，用生物膜法进行水体修复已不断成为国内外科学家积极探 索的前沿领域。 生物膜代表了一种稳定的由微生物细胞构成的复杂混合物的微生物生态系 统，在生物膜中存在着各种细菌、原生动物、真菌和藻类等。不同环境条件下形 成的生物膜化学组成各不相同【l 钔。在污水中生长的生物膜，胞外聚合物可能由 细菌产生，可能为水解产物或是从废水中吸附的离子组成，也可能来自废水的有 4 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 机纤维物等。对于不同的化学组成，生物膜发育形成的条件和时间顺序都可大致 表达为i l5 j ：( 1 ) 在清洁的可用于聚居的固体表面迅速形成有机分子膜。( 2 ) 聚 结的细胞在固体表面，从松散附着到逐渐牢固附着。( 3 ) 形成为生物群落，产生 胞外聚合物。( 4 ) 微生物群落向各个方向延伸扩展，形成规则或不规则的结构。 ( 5 ) 生物膜不断成熟，新的菌种进入生物膜并不断生长，形成溶液梯度，使得 生物膜空间产生异相结构。( 6 ) 生物膜可能被噬细菌的原生动物捕食。( 7 ) 成熟 的生物膜可能脱落，新的生物膜不断生长，这种交替循环不断进行。( 8 ) 形成一 种顶级群落。 1 9 9 8 年挪威k a l d n e sm i j e c p t e k n o g i 公司与s i n t e f 研究机构联合开发了一种 新型生物膜反应器k m t 移动床生物膜反应器，从此生物膜反应器被不断运用 到各种废水处理中，尤其是印刷废水、造纸废水、含酚废水、市政废水等。 在使用生物膜法处理废水过程中，除了d o ，其他一些环境因素，包括水利 条件、载体类型、营养水平、光照等等会影响到微生物膜细胞的合成、生长和繁 殖，从而影响到生物膜反应器的处理效果海17 1 。j o h ne 、h e r m a n o w i c z 等人博1 9 】 的研究证明了反应器结构及底物组成都会对生物膜的结构产生较大影响。因此， 微生物的微观结构的研究对于探讨生物膜传质效果及水质处理效果有重要的意 义。 1 1 5 生物膜载体 运用生物膜法进行水质处理时，载体作为微生物栖息生长的场所，成为废水 处理的关键技术之一，性能优劣直接影响处理效果和投资费用。载体的性质对生 物膜的结构、氧的利用率、营养物质的传质和水力分布都起到重要作用，从而影 响生物接触氧化工艺的效果 2 0 - 2 2 】。常用载体按照安装方式，可分为固定式、悬挂 式、分散型生物载体等几种类型，其主要形式和特点如表1 1 所示。 5 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 1 1 6 微生物群落分析 对生物膜中微生物群落的类型和数量的及时、准确分析在生物膜研究中起到 重要作用。传统的生物膜分析测定方法包括使用显微镜对生物膜进行形态观察、 选择性培养基计数等，但这些方法都存在一定缺陷，不能准确反映微生物群落的 分布【2 3 1 。 随着近代分子生物学技术的发展，在环境微生物领域，各种分子生物学研究 方法得以建立用于生物学评价工作，以此更加精确的揭示和反映微生物种类和遗 传的多样性，现代分子生物学计数在水体修复、环境污染治理等方面也有更为广 泛的研究应用。用于微生物群落结构的分析技术主要有以下几种： ( 1 ) 克隆文库分析法 直接从生物中提取的核酸分子的量通常很少，不能直接用于分析核酸分子的 种类和数量，此时可通过p c r 扩增和构建克隆文库的方法进行分析。例如，运 6 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 用1 6 sr r n a d n a 为基础的分子生物学是利用不同微生物在1 6 s 核糖体及其基 因序列上的差异进行微生物种类鉴定和定量分析。微生物细胞中1 6 sr r n a 基因 通过这种方法特异扩增后，其核苷酸序列可被测定，随后将序列与已知的菌种 1 6 sr r n a 进行比较。通常情况下，使用这种方法进行微生物鉴定和微生物系统 学研究比较精确，却比较耗时且价格昂贵。 ( 2 ) 分子杂交技术 该技术的原理为：在一定环境下，两条序列相近或一样的核酸片段能够退火 结合，从而形成稳定的双链结构。因此，使用特异标记的核酸片段作为探针，即 可检测出另一条靶核酸序列，同时可以检测出样品中的微生物种类状况及其种群 水平的高低。常用的分子杂交技术包括荧光原位杂交( f i s h ) 、原位p c r ( i s p c r ) 和基因芯片( m i c r o a r r a y s ) 。 ( 3 ) 基于p c r 扩增的遗传指纹技术 遗传指纹技术是指通过凝胶电泳方法，将微生物结构的核酸分子区分开。在 凝胶电泳的过程中，代表着微生物结构的核酸分子发生的迁移，从而形成了该群 落特异的遗传指纹图谱。这种方法的准确性虽然会受到p c r 扩增过程中g c 含 量、t a q 酶活性等因素的影响，但优点在于能够同时对比大量的微生物种群和群 落样品。 1 1 7 国内外研究背景 在生物脱氮工艺中，同步硝化反硝化和厌氧氨氧化以其高效、节省投入等优 势成为近几十年来的研究热点和重点。b r u c ee 黜t t i l l 锄在工业规模的氧化沟 中，通过控制溶解氧浓度，使得反硝化反应可在絮体内部缺氧区内进行，从而实 现了s n d 脱氮效果。m i k eo n e i l l l 2 5 1 在o r b a l 氧化沟工艺中的反应池外道实现了 s n d 脱氮，存在降低成本和简化流程等优点。 但同步硝化反硝化对反应器内生物膜的生长也提出了较高的要求，其反应过 程也与很多因素有关，包括：生物膜内微生物浓度、污泥絮体结构、d o 、c n 比、p h 值等2 6 1 。对于s n d 的最佳d o 值，国内外研究存在一定出入。e l i s a b e t h vm u n c h 【2 7 】提出理想的d o 值为0 s m g l ，国内学者徐伟峰则认为最佳d o 在 2 m g l 左右。 7 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 厌氧氨氧化对于过程控制同样有着非常严格的要求，n h 4 + n 0 2 的比例需要 严格控制，才能保证厌氧氨氧化菌的正常生长。l i j i e 等人 2 9 1 通过培养厌氧氨氧 化菌进行脱氮处理实验研究发现，当n 0 2 - n ：n h 4 + - n = i 1 3 ：l 时，其氨氮浓度 适当时，反应器中的脱氮效果最为理想，若氨氮浓度过高，虽然厌氧氨氧化菌仍 然能够继续正常生长，但脱氮效果将急剧下降。p o n g s a k ( l e k ) n o o p h a r i a 等人【3 0 】 通过实验，得到的相应最佳氨氮亚硝氮比值为1 ：1 3 8 ，而v a nd o n g e n 等人【3 1 。3 2 】 实验结果数据也较为相似，为l ：1 3 2 。此外，厌氧氨氧化菌对碳源的选择同样要 求严格。g a r c i ae n c i n a 等人【3 3 】试验比较醋酸做碳源，以及醋酸、丙酸、乙醇做复 合碳源对脱氮效果的比较。结果表明，复合碳源能够提高水体c o d 降解能力， 但显微镜显示，复合碳源会使膜内生物形成不同生物群落，不同菌群的出现不利 于厌氧氨氧化菌的单独培养及生长，因此脱氮效果不佳。 与传统活性污泥工艺相比，生物膜法运行效果更稳定，且产生的剩余污泥较 少。当生物膜反应器处理废水的运行条件控制恰当时，能够起到同步硝化反硝化 或者厌氧氨氧化的效果。f r i j t e r s 等人1 3 4 】使用气升式流化床反应器发现反应器载 体上当生物膜生长成熟后，有好氧和缺氧两区，具有较高的c o d 去除以及脱氮 能力，其容积负荷可达4 1 0 k g c o d ( m 3 d ) 。r o b e r t oc a n z i a n i 等【3 5 】采用纯氧膜反 应器和m b b r 组合工艺处理垃圾渗滤液，发现在反硝化过程中节省了近4 0 的 碳源，同时当d o 保持在缺氧状态( o 5 m e j l 左右) 时，有9 0 的氨氮被氧化为 硝酸盐氮。 生物膜的形成的实质是微生物的生长，因此从生物学角度来看凡是影响微生 物生长与代谢的因素都会对生物膜的形态结构及其功能特性产生不同程度的效 应，其中底物负荷和水力学条件是影响生物膜结构的主要因素【3 刚。l a m o t t a 等人 的研究 3 7 - 3 8 1 表明，随着污泥量( m l s s ) 的增加，氧的传递明显减弱，而氧的传质 是影响同步硝化反硝化的主要因素。因此，生物膜内微生物量过大同样会造成处 理效果降低的不良影响。 碳源的选择同样对脱氮处理起到重要影响，找到能被微生物高效利用的碳源 对脱氮处理尤其是硝化过程起到至关重要的作用。胡宇华等人【3 9 】使用有机碳源 考察其对氨氮去除效果的影响，结果表明，当保持反应体系中c n 维持在微生 物所需的水平时，用较高有机碳源进行不断补料，可以很好的将出水氨氮维持在 8 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 较低水平。梁境等人【4 0 】通过实验发现，使用甲醇、醋酸钠和消化污泥上清液作 碳源，并间歇曝气时，有助于提高反硝化污泥的沉降性能，但在厌氧条件下，污 泥的沉降性能差。可见，除了保证生物膜内的最优传质效果外，最佳碳源的选择 同样成为提高同步硝化反硝化的攻克要点。 载体的选择对于生物膜的生长同样影响较大。一般对载体选择的要求包括 1 4 l 】：比表面积大、孔隙率高，使液相流动通畅；表面粗糙、亲水性好，使生物 膜更易附着；性质稳定，使之不与生物膜发生反应同时不产生二次污染；价格低 廉，便于运输安装等。本文实验过程中使用的是多孔陶瓷载体，比表面积交大、 机械强度较高、材料稳定耐用、表面粗糙容易生成活性较高的生物膜。张永明等 人【4 2 】使用多孔陶瓷制成的蜂窝状陶瓷载体置于气升式反应器中处理有机废水 2 ，4 d c p ，发现载体上生物膜生长状态良好，同时有机物2 ，4 d c p 得以完全降解。 对于载体上生物膜微观结构的分析，分子生物学方法由于可以清晰揭示生物 膜内部微生物群落的分布而受到青睐。p y n a e r t 等人1 4 3 】使用生物转盘反应器进行 高效自养生物膜脱氮系统的研究，发现与接种污泥相比，生物转盘上的微生物呈 现多样性的特点，生物膜中好氧氨氧化菌种群组成也发生了较大的变化，并发现 了优势菌种n i t r o s o m o n a ss p 。 但是，使用分子生物学方法研究生物膜，意味着破坏了生物膜的原有结构和 组成，不能精确还原生物膜原有特点，使对生物膜水质处理的机理研究受到一定 的限制。 1 2 微电极技术应用于生物膜的研究 1 2 1 数学模型的建立 生物膜是一个复杂的动力学系统m 1 。从7 0 年代后期开始，各种简单的生物 膜模型不断形成，即利用简单的数学模型来分析、描述或预测动力学系统中的行 为。动力学模型的研究不断进步，从起初研究生物膜反应器中有机物质的去除速 率，到之后生物膜稳态模型的建立，到混合培养生物膜模型，将生物膜厚度的发 育、基质和微生物种类随时间变化和空间分布转化为函数的表达。 s u i d a n 等人【4 5 】提出了基质通量、液相基质浓度与生物膜厚度三者的关系式， 但研究仅对生物膜的垂直方向做了一维描述。w a n n e r l 4 6 】对生物膜内的多种群微 9 第一章绪论 上海师范大学硕士学位论文 生物提出了动态模型，将生物膜模型从一维描述发展到三维描述。e b e r l l 4 7 】运用 3 d 模型分析了生物膜内孔隙通道的液相流量对生物膜传质效果的影响。但总的 来说，在深入研究生物膜内部结构时容易破坏生物膜的整体结构，使得模型的可 靠度存在局限性。 1 2 2 微电极应用于生物膜的研究进展 为了真实、定量地描述生物膜原位生长的有关特征参数等以建立更可靠的数 学模型来描述生物膜的生长机理，需要对生物膜在形成过程中其活性的变化、生 物膜活性做出更加准确的监测，但是这些问题又受到生物膜内部情况较难精确监 测的限制。近年来，随着材料科学和微电子技术，尤其是微电极的发展，生物膜 活性以及生物膜在水处理过程中的一些机理问题通过微电极分析的应用而得到 阐述。 微电极技术的发展为表征生物膜中微观传质过程和反应动力学原理的研究 提供了重要的研究手段和方法。微电极尖端直径通常小于l l x r n ，在检测过程中不 对生物膜造成太大影响，从而较为有效准确的反应生物膜内微环境中特征参数的 浓度分布曲线。而特征参数又和微生物的种类、活性、分布以及外部环境影响因 素等紧密相关，从而为研究生物膜结构和功能提供了新的方法。其中，以氧微电 极技术为手段研究生物膜生长条件、外部环境因素、营养基质等条件对生物膜内 氧传质过程的影响受到了科学家的重视【铝- 4 9 1 。 第一根溶解氧电极由c l a r k ( 5 0 l 在1 9 5 3 年制作而成，用来检测血液中的溶解氧 浓度。在c l a r k 型电极中，使用铂丝作为阴极的工作电极，使用银丝作为阳极的 参比电极，将它们平行组装在同一玻璃管中，尖端覆盖一层溶解氧选择性通透膜， 以避免铂丝与被检测血液直接接触，同时减少电磁干扰。 s c h r a m m 等1 5 1 1 利用f i s h 技术，并联合了0 2 、n 0 3 n 0 2 微电极技术，研究 了滴滤池生物膜中的硝化细菌的活性和层化现象。研究中，在距离生物膜表面 1 0 0 l a m 处，观察到硝化细菌在该位置成为优势菌种，同时形成了一层致密结构。 在2 0 0 t m 处，实验检测出微量的氮氧化物，作者认为这是由该区域反硝化引起 的。因此，生物膜内不同区域及不同深度处生长的菌种都是不一样的。 目前，溶解氧微电极主要应用在生物膜微观结构及生物膜生长模型建立的研 1 0 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 究中，对于其在实际废水处理的应用研究甚少。本文将运用微电极技术对生物膜 微观结构做出监测，并结合废水脱氮效果，深入探讨生物膜脱氮过程中的机理问 题。 1 3 研究目的、研究内容和创新技术 1 3 1研究目的 科学研究表明，生物膜的微观结构对生物膜的水体脱氮影响重大。近年来， 随着材料科学及微电极的发展，生物膜的活性以及在水处理过程中的一些关键机 理有望得以阐述。本课题运用三种不同的生物膜反应器，运用陶瓷载体进行挂膜， 对水体进行脱氮处理，研究氮素脱除效果。同时，运用微电极及分子生物学等方 法研究生物膜的微观结构，为生物膜的脱氮过程与机理提供理论支持，这对生物 膜脱氮技术的进一步运用具有重要意义。 1 3 2 研究内容 本课题主要将水体脱氮处理与生物膜微观结构结合在一起，开发三种不同的 生物膜反应器，考察脱氮效果与生物膜微观结构之间的关系。三部分试验主要包 括以下内容： ( 1 ) 运用陶瓷板生物膜反应器研究不同碳源生物膜去除氨氮能力与生物膜结 构的差异。试验通过以葡萄糖、苯甲酸、甲醇三种不同碳源培养的生物膜， 对模拟废水进行氨氮去除效果的研究，同时运用溶解氧微电极考察三种碳 源生物膜膜内溶解氧的变化，以此拟合扩散反应模型，并结合分子生物 学分析生物膜内微生物群落分布，为不同碳源的生物膜脱氮效果优劣提供 依据和解释。 ( 2 ) 运用气升式内循环生物膜反应器研究不同曝气条件下反应器的脱氮能力 与生物膜结构的差异。试验通过调节不同的曝气量来调节反应器溶液的不 同溶解氧浓度，观察其对反应器脱氮效果的影响并最终得