（环境工程专业论文）全程自养生物脱氮基础研究及其污泥颗粒化培养.pdf

博上学位论文 摘要 水环境中氮元素的大量积累导致了水环境质量的严重恶化，采用有效的防治 措施化解这一危害，是目前亟待解决的问题。用传统硝化一反硝化工艺处理高浓 度氨氮废水时，由于该工艺硝化时需要氧气，反硝化时需要有机碳源，不满足废 水处理可持续发展的要求。近几年发现一种新型生物脱氮工艺一全程自养脱氮， 它通过亚硝化菌将废水中部分氨氮( 5 5 ) 氧化为亚硝酸氮，然后再在厌氧氨氧化菌 的作用下，利用剩余的氨氮为电子供体，生成的亚硝酸氮为电子受体，转化为氮 气，达到脱氮的目的。该工艺至少节省2 5 的氧气和4 0 的有机碳源，是一种很 有应用前景的脱氮工艺。 本课题立足于国内外生物脱氮研究的最新研究成果，对自养脱氮中的亚硝化、 厌氧氨氧化及其二级联合全程自养脱氮进行基础研究，同时考察了单级全程自养 脱氮污泥颗粒化的可行性。 采用悬浮生长式( c s t r ) 生物体系研究限制型亚硝化和完全亚硝化，限制型亚 硝化和完全亚硝化的区别在于：限制型亚硝化是指废水中的氨氮只部分( 约5 5 ) 转化为亚硝酸氮；而完全亚硝化是指废水中的氨氮全部转化为亚硝酸氮。试验结 果表明，限制型亚硝化反应器运行的最佳条件是d o 控制在0 5 o 8m g l ，p h 值 为7 5 8 3 ，温度3 0 ，进水氨氮浓度为3 5 0 4 0 0m g l ；对于完全亚硝化反应， 实现进水氨氮1 0 0 亚硝化的最佳条件为d o 控制在0 8 1 om g l ，p h 值为 7 5 8 3 ，温度3 0 ，进水氨氮浓度为3 0 0 3 5 0m g l ，最大的亚硝酸积累率能达 9 0 左右。 d o 浓度是亚硝化选择的一个重要参数，污泥驯化期，反应器的d o 浓度为 1 5 2 0m g l 时，限制型亚硝化和完全亚硝化反应器都出现较强的硝化作用，硝 酸氮的产量大，而亚硝化积累量小；亚硝化选择期，降低d o 浓度到o 5 0 8m g l 可以实现限制型亚硝化，而完全亚硝化溶解氧浓度可以在d o 浓度范围o 5 1 5 m g l ，说明控制完全亚硝化对d o 浓度的要求没有限制型亚硝化严格。 采用悬浮生长式s b r 反应器富集培养厌氧氨氧化微生物并对其进行分子生 物学鉴定。利用厌氧颗粒污泥作为种泥，控制h i 汀在3 0d ，初期颗粒污泥以反硝 化作用占优势；驯化5 4d 后，反应器中出现厌氧氨氧化作用，反硝化和厌氧氨氧 化共存；到第9 0d ，成功培养出具有厌氧氨氧化活性的颗粒污泥，氨氮和亚硝酸 氮的最大容积去除速率分别达到1 4 6gn h 4 + n ( m 3 d ) 和6 6 7gn 0 2 。n ( m 3 d ) ， 这说明由于厌氧氨氧化菌生长缓慢，在驯化初期，较长的h r t 对富集厌氧氨氧化 微生物是至关重要的，同时说明厌氧颗粒污泥作为培养厌氧氨氧化微生物的种泥 全程自养生物脱氮基础研究及其污泥颗粒化培养 是合适的。从t = 1 1 0d 开始逐步缩短h i 汀，提高基质负荷来促进厌氧氨氧化菌的 生长。到t = 1 5 6d ，h r t 降到5d ，氨氮和亚硝酸氮的去除率分别达到6 0 6 和 6 2 5 ，亚硝酸氮氨氮的比率为1 1 2 ，反应器中的颗粒污泥已经具有相当高的厌 氧氨氧化活性，总氮负荷达到3 4 3g ( m 3 d ) 。在厌氧氨氧化反应器启动过程中， 通过测定n h 4 + n 去除量与n 0 2 一n 去除量的比值、反应器内c o d 浓度变化及反 应器内污泥颜色的变化，可了解厌氧氨氧化反应器的启动进程。 由于厌氧氨氧化菌为化能自养微生物，它们以无机碳源为能源，因此本文研 究了进水无机碳浓度对厌氧氨氧化的影响。当进水无机碳浓度从1 og l 增加到 1 5g l ，厌氧氨氧化的活性随之增强，但是当进水无机碳浓度增加2 om g l 后， 厌氧氨氧化活性受到抑制，脱氮性能降低。无机碳对厌氧氨氧化的抑制作用是可 逆的，当反应器在低进水无机碳浓度下运行一段时间，其厌氧氨氧化活性得以恢 复。在最佳进水无机碳浓度条件下，最大厌氧氨氧化速率达到6 6 4m gn ( l d ) 。 借鉴前期利用好氧颗粒污泥直接培养具有全程自养脱氨氮能力污泥的失败经 验，本文采用厌氧颗粒污泥为种泥，培养全程自养脱氮颗粒污泥的方式也是先在 厌氧条件下富集厌氧氨氧化微生物，然后控制反应器中d o 为o 3 0 5m g l ，实 现厌氧氨氧化颗粒污泥向全程自养脱氮颗粒污泥的转化。试验过程发现进水 c a c l 2 的含量过高会使反应器生物系统中的无机组分增加，相应生物量减少，使 脱氮效率变低。降低进水中的c a c l 2 的含量，经过驯化，可使污泥脱氮性能得到 恢复，污泥也会由白色转变为灰色或棕红色。 关键词：全程自养脱氮；颗粒污泥；硝化；亚硝化；反硝化；厌氧氨氧化；序批 式反应器 i i 博七学位论文 a bs t r a c t t h ea c c u n l u l a t i o no fa m m o n i ai nw a t e re n v i r o n m e n th a sr e s u l t e di ns e r i o u s d e t e r i o r a t i o ni nt h eq u a “t yo fw a t e re n v i r o n m e n t t h ep r o b l e mt h a ts h o u l db es o l v e d u r g e n t l yi sh o wt ot a k ep r o p e rm e a s u r e st op r e v e n tt h ed e t e r i o r a t i o n t h et r e a t m e n to f w a s t e w a t e rw i t hh i g h n i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n sa n dl o wc 厂nr a t i oi nc o n v e n t i o n a l m e t h o di sr a t h e rc o s t i n t e n s i v e ，a sb o t ht h eo x y g e nd e m a n dd u r i n gn i t r i f i c a t i o na n d t h ed e m a n df o ro r g a n i cs u b s t r a t e sd u r i n gd e n i t r i f i c a t i o nd e p e n do nt h er e s p e c t i v e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o ni nt h ew a s t e w a t e r ，w h i c hg o e sa g a i n s tt h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t o fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t r e c e n t l y an e w p r o c e s s n a m e da s d e a m m o n i f i c a t i o ni sp r o p o s e d ，w h i c hd e s c r i b e st h eo x i d a t i o no fn e a r l y5 0 o ft h e n h 4 + t on 0 2 a n ds u b s e q u e n tc o n v e r s i o no fn h 4 + a n dn 0 2 。t om o l e c u l a rn i t r o g e n ( n 2 g a s ) t h em a i na d v a n t a g e so ft h i sp r o c e s sa r el o w e ro x y g e nd e m a n d ( u pt o2 5 e n e r g ys a v i n g sd u r i n ga e r a t i o n ) a n dt h er e d u c t i o no f4 0 o r g a n i c s u b s t r a t e r e q u i r e m e n t sf o rh e t e r o 仃o p h i cd e n i t r m c a t i o n ，s oi tb e c o m e st h eh i g h l i g h ti nt h e b i o l o g i c a ld e - n i t r o g e ns t u d y b a s e do nt h e1 a t e s tr e s e a r c hf i n d i n g so nb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a li nb o t h d o m e s t i ca n da b r o a d ，s h o r t _ c u tn i t r i f i c a t i o n ，a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o na n dt h e c o m b i n e dn i t “t a t i o n a n a m m o xp r o c e s sa r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r i na d d i t i o n ，t h e c u l t i v a t i o no fd e a m m o n i f i c a t i o ng r a n u l a rs l u d g ei ss t u d i e di ns b rr e a c t o r i w oi d e n t i c a l s u s p e n d e dg r o w t hs y s t e m s( c o n t i n u o u ss t i r r e d t a n kr e a c t o r ， c s t r )a r ec o n d u c t e dt os t u d yt h er e s t r a i n e dn i t r i t a t i o n( r 1 )a n dt h ec o m p l e t e n i t r i t a t i o n ( r 2 ) t h ed i f k r e n c eb e t w e e nr e s t r a i n e dn i t r i t a t i o na n dc o m p l e t en i t r i t a t i o n i s ：t h ef o r m e rm e a n st h a to n l yp a n i a la m m o n i u mi nt h ew a s t e w a t e ri sc o n v e n e dt o n i t r i t e ( a b o u t5 5 ) ，o t h e r w i s e ，t h el a t t e rm e a n st h a ta l la m m o n i u mi nt h ew a s t e w a t e r a r ec o n v e r t e dt on i t r i t e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e o p t i m a lo p e r a t i o n o fr1a r e d i s s 0 1 v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o nc o n t r o l l e db e t w e e n0 5m g l a n d0 8m g l ，p hv a l u e 7 5 8 3 ，t e m p e r a t u r e 3 0 a n di n f l u e n ta m m o n i u mc o n c e n t r a t i o n3 5 0 4 0 0m g l ； f o rr 2 ，t h eo p t i m a lo p e r a t i o na r ed i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o nc o n t r o l l e db e t w e e n o 8 m g la n d 1 0 m g l ，p hv a l u e7 5 8 3 ，t e m p e r a t u r e3 0 a n di n f l u e n t a m m o n i u mc o n c e n t r a t i o n3 0 0 3 5 0m g l ，t h em a x i m u mn i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t e r e a c h e da b o v e9 0 d 0c o n c e n t r a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r sf o rp a r t i a ln i t r i t a t i o n d u r i n gt h ei n i t i a ld o m e s t i c a t i o np e r i o d ，b o t hr 1a n dr 2r e a c t o r sa r eo p e r a t e di nt h e i i i c o n d i t i o no fd oc o n c e n t r a t i o no f1 5 2 o m g l a f t e r3 d a y s c u l t i v a t i o n ， n i t r i f i c a t i o na c t i v i t yi n c r e a s e si nb o t hr e a c t o r sa ss h o w n b ym a s sp r o d u c t i o no fn i t r a t e a n dl o wc o n c e n t r a t i o no fn i t r i t e d u r i n gt h ep h a s eo fn i t r i n e r sc o n l p e t i t i o n ，r e s t r a i n e d n i t r i t a t i o ni so b t a i n e di nr 1r e a c t o rw h e nd oc o n c e n t r a t i o ni sc o n t r o l l e db e t w e e n o 5 m g la n d0 8m g l f o rc o m p l e t en i t r i t a t i o n ，t h ed oc o n c e n t r a t i o ni nr 2v a r i e s b e t w e e n0 5 m g la n d1 5m g l t h e s es h o wt h a tc o m p l e t en i t r i t a t i o ni se a s i e r c o n t r 0 1 l e dt h a nr e s t r a i n e dn i t r i t a t i o n e n r i c h m e n to fa n a m m o xm i c r o o f g a n i s mi sc a r r i e do u ti nas u s p e n d e dg r o w t h s b r s y s t e m m e t h a n o g e n i cg r a n u l a rs l u d g ei su t i l i z e dt oc u l t i v a t ea n a m m o xg r a n u l a r b i o m a s s i n i t i a l l y ，t h em i n e r a lm e d i u m ( 7 0m g la m m o n i u m ，7 0m g ln i t r i t e ) i s s u p p l i e dt os b rw i t hah i t to f3 0d a y s a f t e r5 4d a y s o p e r a t i o n ，t h ea n a m m o x a c t l v i t yp r e s e n t s i nt h er e a c t o r ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h e m e t h a n o g e n i cg r a n u l a r s l u d g e i sas u i t a b l ei n o c u l u ma n dt h eh r ti s a ni m p o n a n tf a c t o rf o re n r i c h i n g a n a m m o xb a c t e r i a a tt 2 9 0d a y s ，a n a m m o xg r a n u l e sa r ec u l t i v a t e d s u c c e s s f u l l v n h 4 + na n dn 0 2 一na r er e m o v e ds i m u l t a n e o u s l ya n dm a x i m u mv o l u m e t r i cr e m o v a l r a t e sr e a c h14 6gn h 4 + - n ( m 3 r e a c t o r d ) a n d6 6 7g n 0 2 。一n ( m 3 r c a c t o r d ) r e s p e c t i v e ly f r o mt 211od ，i no r d e rt of u r t h e re n r i c ha n a m m o xb a c t e r i a ，t h es u b s t r a t el o a db e g i n t oi n c r e a s eb yr e d u c i n gt h eh r t a tt = 15 6d ，t h eh i 乇ti sd e c r e a s e dt o5d a v s a n n a l c o n c e n t r a t i o no fe n r i c h e db i o m a s so f4 5gv s sd m 3w a so b t a i n e d ，a n dt h er e a c t o ri s a b l et ot r e a tn i t r o g e nl o a d i n gr a t e su pt o3 4gn m 3d t h ea m m o n i u ma n dn i t r i t e r e a c ti nt h es t o i c h i o m e t r i c a lo fl ：1 12 d u r i n gt h ee x p e r i m e n tp e r i o d ，t h ec o u r s eo f t h es t a r t 。u po fa n a m m o xr e a c t o rc a nb em o n i t o r e db yt h em e a s u r i n go ft h er a t i oo f n i t r i t e a m m o n i u ma n dt h eo b s e r v a t i o no ft h ec h a n g e so fs l u d g ec o l o u ri nt h er e a c t o r i ti sc o m m o nk n o w l e d g et h a tt h ec h e m 0 1 i t h o a u t o t r o p h sm a i n l yu t i l i z ei n o r g a n i c c a r b o na sc a r b o ns o u r c e s ot h ei n f l u e n tb i c a r b o n a t ec o n c e n t r a t i o ni sa ni m p o r t a n t f a c t o ri nt h ea n a m m o xe n r i c h m e n t t h ea n a m m o xa c t i v i t yi n c r e a s e sa st h ei n f l u e n t b l c a r b o n a t ec o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e df r o m1 o g lt o1 5g la n dt h e ni si n h i b i t e da s t h eb i c a r b o n a t ec o n c e n t r a t i o na p p r o a c h e d2 0g l h o w e v e r ，t h ea c t i v i t yr e s t o r e sb y t h er e d u c t i o no fb i c a r b o n a t ec o n c e n t r a t i o nt o1 0 g l ，a ss h o w nb yr a p i dc o n v e r s i o n o fa m m o n i u ma n dn i t r i t ea n dn i t r a t ep r o d u c t i o nw i t h n o r m a ls t o i c h i o m e t r y t h e o p t i m i z a t i o no ft h eb i c a r b o n a t ec o n c e n t r a t i o ni nt h er e a c t o ri m p r o v e st h ea n a m m o x r a t eu pt o6 6 4m gn ( l d ) b a s e do nt h e p r o p h a s e u n s u c c e s s f i u l e x p e r i m e n l so nt h ec u l t i v a t i o no f d e a m m o n i f i c a t i o ng r a n u l a r s l u d g ef r o ma e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ，i n t h i s p a p e r a n a e r o b i cg r a n u l a r s l u d g e i su s e da s s e e d i n gs l u d g e ， a n dt h e p r o c e s so ft h e 博十学位论文 c u l t i v a t i o no fd e a m m o n i f i c a t i o ni sa l s oa d j u s t e da sf o l l o w s ：t h e6 r s ts t e pi st oe n r i c h a n a m m o xb a c t e r i au n d e ra n a e r o b i cc o n d i t i o ni nt h es b rr e a c t o r ；t h es e c o n ds t e pi st o c o n t r 0 1d oc o n c e n t r a t i o n ( o 3 0 5m g l ) t or e a l i z et h ec o n v e r s i o no fa n a m m o x s l u d g e t od e a m m o n i 行c a t i o n i ti so b s e r v e dt h a tt h eh i g h e ri n f l u e n tc a c l 2 c o n c e n t r a t i o nr e s u l t si nt h ei n c r e a s i n go fi n o r g a n i cm a t t e r si nt h es l u d g ea n dt h e d e c r e a s i n go fr e l a t i v eb i o m a s s h o w e v e r ，w h e nd e c r e a s i n gc a c l 2 c o n c e n t r a t i o ni nt h e i n f l u e n t ，a f t e ra b o u t30d a y s c u l t i v a t i o n ，t h es l u d g eb e c o m e sb r o w ng r a d u a l l ya n d t h en i t r o g e nr e m o v a lr a t ei sr e s t o r e d k e y w o r d s ： d e a m m o n i n c a t i o n ； g r a n u l a r s l u d g e ； n i t r i f i c a t i o n ； n i t r i t a t i o n ； d e n i t r i f i c a t i o n ：a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ；s e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o r ( s b r ) v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 伊镓符 日期：沙d5 年6 月2 日 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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密韵。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：) 肋子年衫月乙日 日期：础年6 月日 博士学位论文 第1 章绪论 氮素是所有生物的必需营养元素，任何生物的生存、延续和发展都离不开氮 素。氮素主要以n h 3 、n 2 、n 2 0 、n 0 2 。、n 0 2 和n 0 3 等形式存在，生物作用可使 氮素在这些形态之间相互转变，构成氮循环。但是随着国民经济的快速发展，污 水排放量增大，氮素循环遭到破坏，使中间产物积累，不少水源受到氮素污染物 污染，引起水体环境恶化及相当普遍的水体富营养现象，危害人类和整个生态系 统。恢复正常的氮素循环是控制氮素污染的根本措施。 硝化作用和反硝化作用是氮素循环的重要组成部分，以工程手段强化硝化作 用和反硝化作用是人类平衡氮素循环，控制氮素污染的伟大创举。在上个世纪， 人们以硝化作用和反硝化作用为基础，构建了废水生物处理体系【2 】。近十年来， 氮素生物转化理论的重大进展又为废水生物脱氮技术的创新提供了难得的机遇。 1 1 氮的生物循环 氮是生物的重要营养源，活生物体的大概化学分子式是：c h 2 0 0 5 n o 5 。从微 生物的角度看，氮素转化主要由生物反应所致( 表1 1 ) 【3 1 。n 循环包括5 个分解代 谢反应( 亚硝化、硝酸化、反硝化、硝酸氮的异化降解及厌氧氨氧化) 、三个合成 反应( 氨氮的吸收、硝酸氮的同化减少和n 的固定) 及氨化作用( 生物食物链中的重 要组成部分) 【钔。 表1 1 氮素循环的生物反应【3 】 1 a b l e1 1t h eb i o r e a c t i o n so ft h en i t r o g e nc y c l e f 3 1 就总体而论，尽管自然界中氮和有机氮数量很多，但是不能被植物直接利用。 大气中氮进入生物体主要是通过固氮作用将氮气转变成有机氮，包括生物固氮( 即 根瘤菌和固氮蓝藻可以固定大气中的氮气，使氮气进入有机体) 和工业固氮( 通 全程自养生物脱氮基础研究及其污泥颗粒化培养 过工业手段，将大气中的氮气合成氨或氨盐，供植物利用) ；另外，岩浆和雷电都 可以使氮转化为植物可利用的形态。大气中的分子氮被根瘤菌固定后可供给豆科 植物利用，还可被固氮菌和固氮蓝藻固定成氮，固定的氮被硝化细菌氧化成硝盐， 被植物吸收，无机氮就转化成植物蛋白，食草动物将植物蛋白转化成动物蛋白。 植物和动物死亡后，其尸体受到细菌的分解和氧化还原、生化反应而转变为氨、 亚硝酸盐和硝酸盐，亚硝酸盐的还原使氮重返大气层。某些细菌和藻类也能从大 气中固定的氮中产生植物蛋白，在微生物、植物和动物三者的协同作用下将三种 形态的氮相互转化，构成氮循环( 如图1 1 ) j 。 图1 1 氮的循环 f i g 1 1t h eb i o i o g i c a ln i t r o g e nc y c i e 到上世纪末，除了厌氧氨氧化，整个生物n 循环过程都得到较为深入的研究。 在1 8 8 2 年由于g a y o na n dd u p e t i t 的著名研究，人们开始了解反硝化茵的微生物 学p j ；z a v a z i n e 提出反硝化菌可能对农作物有害这一有争议的论题，这促使 w i n o 铲a d s k y 从1 8 8 0 s 开始研究具有硝化作用的微生物【6 】。b e y e r i n c k 在1 8 8 8 年 分离了第一种固氮微生物【7 j 。 氮素循环的基本知识提出后，在n 循环的研究方面进展很慢，其限制因素主 要是发展新的试验方法【5 丌。一些里程碑式的研究如：1 9 6 0 年使用电子显微镜研 究硝化菌的特殊结构【8 】；m i t c h e l l 的化学渗透假说吲；利用气相色普定量分析含氮 物质的氧化率及n 2 的产生量【5 】；放射性标记研究反硝化和硝化机制【5 ，1 0 】；利用分 子标记研究细菌发展史【l l ，1 2 】。 在早些时候，对氮素生物循环研究主要是研究如何将其运用到农业中。再后 些时候，直到1 9 6 0 s 硝化菌和反硝化菌对废水中氮素营养物质的去除潜力才得到 2 博士学位论文 认同，也开始了直接研究利用氮素循环去除废水中的氮。到1 9 8 0 s ，n o x 对大气 臭氧层的破坏和引起温室效应重新得到认识，硝化反硝化所产生的化合物再次成 为n 循环研究的重点【13 1 。 1 2 传统生物脱氮的原理 随着环境污染日益严重，富营养污染问题突出。世界各国都制订了严格的氮 素排放标准，例如1 9 7 4 年意大利规定排入城市污水管网的氨氮为5 6m g l 以下【m 】； 8 0 年代英国的氮素排放标准为低于1 0m g l 【h 】；1 9 8 3 年美国e p a 在其颁布的工业废 水污染物最大允许排放浓度中规定，氨氮不得超过1 0m g l 【1 4 】；1 9 9 8 年荷兰也将 含氮化合物的出水标准从2 0m gt k n l 降至1 0m gt k n l 【 j 。我国也不断严格了 氨氮的出水排放标准，1 9 9 6 年制定的污水综合排放标准中氨氮的最高容许排 放标准：一级排放标准为1 5m g l ，二级排放标准为2 5m g l 【1 6 】。 污水中的氮主要以氨氮和有机氮( 胺基、氨基、硝基化合物及其它有机含氮化 合物) 两种形式存在，有时也含有少量的亚硝酸盐和硝酸盐形态的氮，在未经处理 的污水中，氮有可溶性的，也有非溶性的。一部分非溶性的有机氮在初沉池中可 以去除。在废水处理过程中，大部分的非溶性的有机氮转化成氨氮和其他有机物， 却不能有效的将氮从污水中分离而将其去除。废水采用生物脱氮的基本理论在于， 废水中有机氮转化为氨氮，然后通过硝化反应将氨氮转化为亚硝态氮和硝态氮， 再通过反硝化反应将硝态氮还原成气态氮从水中逸出( 图1 2 ) ，从而达到从废水中 脱氮的目的卜j 。 厌氧、好氧状态好氧状态 厂1 广_ 1 d o 碱度增大d o 碱度减少d o 有机氮兰至n h 。+ n 兰兰一n 0 2 - n 兰兰n 0 3 ( 脱氨反应) 异养性细菌 ( 亚硝化反应) 亚硝酸菌 ( 硝酸化反应) 硝酸菌 有机物吣i 磊暴 捌藿喜 f i g 1 2c o n v e n t i o n a in i t r o g e nr e m o v a lp r i n c i p i e 全程白养生物脱氮基础研究及其污泥颗粒化培养 r 一 一c o o h 寻卜枷+ c o 。 r b 。h 寺r 一乙 1 2 2 1 硝化反应原理 硝化反应是指由硝化菌将氨氮氧化成硝酸盐的过程，这个过程必须在好氧条 件下才能进行。硝化菌为自养菌，它们以c 0 2 为碳源，通过氧化氨获得能量【2 1 1 。 硝化过程可分为两个阶段，分别由亚硝酸菌和硝酸菌完成，第一步是由亚硝酸菌 ( f f r d 5 d 垅o ，z 口s ) 将氨氧化为亚硝酸盐，亚硝酸菌包括亚硝酸盐单胞菌属和亚硝酸盐 球菌属等；第二步是由硝酸菌( m f 加6 口c 陀，) 将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐，硝酸 菌包括硝酸盐杆菌属、螺旋菌属和球菌属等。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌， 这类菌利用无机碳化合物如c 0 2 扣，h c 0 3 ，c 0 2 作为碳源，从无机物的氧化中获取 能量。两步反应均需在有氧条件下进行【2 ”，反应式可表示为 n h 4 + + 1 3 8 20 2 + 1 9 8 2h c 0 3 一垩堕堕堕o 9 8 2 n 0 2 + 1 0 3 6h 2 0 + 1 8 9 1h 2 c 0 3 + o 0 1 8c 5 h 7 0 2 n ( 1 1 ) 硝酸菌 n 0 2 。+ 0 4 8 80 2 + 0 01h 2 c 0 3 + 0 0 0 3h c 0 3 + 0 0 0 0 3n h 4 ：- n 0 3 。+ 0 0 0 8h 2 0 + o 0 0 3c 5 h 7 0 2 n ( 1 2 ) 总反应式： n h 4 + + 1 8 70 2 + 1 9 8 5h c 0 3 i 堂o 9 8 2n 0 3 + 1 0 4 4h 2 0 + 1 8 8 1h 2 c 0 3 + o 0 2 1c 5 h 7 0 2 n ( 1 3 ) 4 博士学位论文 1 2 2 2 硝化细菌种类及生理学特征 一般把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 化细菌和亚硝酸盐氧化细菌；根据产物，硝化细菌分为亚硝酸细菌和硝酸细菌。 氨氧化细菌有自养型与异养型之分，一般认为自养型氨氧化菌是硝化作用的 主要菌群。所有的自养型氨氧化菌都是革兰氏阴性细菌，自养生长时，以氨为唯 一能源，以c 0 2 为唯一碳源；混合培养时，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 h7 5 8 0 ，氨浓度2 1 0m m o l l ，倍增时间 8 小时至数天i lj 。 在伯杰氏系统细菌学手册第一版中，氨氧化细菌被划分为五个属，即亚 硝化单胞菌属( f 打d s d m d 门口s ) 、亚硝化球菌属( m ，r d s d c d c “s ) 、亚硝化螺菌属 ( m f ，d s d 印护口) 、亚硝化弧菌属( f 护d s d v 汤r 幻) 和亚硝化页菌属( m f 厂d s o ，d 6 甜s ) 】，各 属氨氧化细菌的主要形态特征见表1 2 。 表1 2 各属氨氧化细菌的形态特征【2 4 】 t a b l e1 2t h ec b a r a c t e r i s t i c so fa m m o n i u mo x i d i z i n gb a c t e r i a 【2 4 】 亚硝酸盐氧化细菌( 硝酸细菌) 为革兰氏阴性细菌，自养生长时以亚硝酸盐为 唯一能源，以c 0 2 为唯一碳源；混养生长时，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 范围7 5 8 0 ，亚硝态氮浓度2 3 0 m m o l l ，倍增时间1 0 小时至数天i 。 根据菌体形态和细胞内膜的排列方式，伯杰氏系统细菌学手册第一版将 亚硝酸盐氧化细菌划分为四个属，即硝化杆菌属( f 肛d 6 口c 地，) 、硝化球菌属 ( 衙d c d c c 甜s ) 、硝化刺茵属( f 护d 印f ，z 口) 和硝化螺菌属( f 护d 印f r 口) j 。各属亚硝酸 盐氧化细菌的主要形态特征见表1 3 。 全程自养生物脱氮基础研究及其污泥颗粒化培养 表1 3 各属亚硝酸盐氧化细菌的形态特征【2 4 】 t a b l e 1 3t h ec h a r a c t e r i s t i c so fn i t r i t eo x i d i z i n 2b a c t e r i a l 上叶j r 1 1 2 2 3 硝化过程的生化反应 从生物化学的角度看，硝化过程并非仅仅是氨氧化细菌将氨氧化成亚硝酸、 亚硝酸氧化细菌将亚硝酸进一步氧化成硝酸的过程。它涉及多种酶和多种中间产 物，并伴随着复杂的电子( 能量) 传递f l 】。在氨氧化为亚硝酸的过程中存在两个非 常关键的酶：氨单加氧酶( a m m o n i am o n o o x u g e n a s e ，a m o ) 和羟氨氧化还原酶 ( h y d r o x y l a m i n eo x i d o r e d u c t a s e ，h a o ) ，它们在氨的氧化过程中负责能量的转化和 电子的传递。催化亚硝酸盐转化为硝酸盐的酶为亚硝酸氧化还原酶( n i t r i t e o x i d o r e d u c t a s e ，n o r ) 。在专性自养硝化过程中，氨氧化细菌进行的氨的氧化是 限速步骤。 氨氧化菌对氨的转化过程为： am oh a on o r n h 4 - 一n - 专n h = ! o h n 0 2 - 一n 。n 0 3 一n 其生化反应可表示为： 氨转化为羟氨：n h 3 + 0 2 + 2 【h 】狐o h + h 2 0 ( 1 4 ) 羟氨氧化为亚硝酸：m 2 0 h + e _ e _ n o + + 3 一+ 4 e e n 0 + + h 2 0 专e + n 0 2 - + 3 一 m 2 0 h + h 2 p 一n 0 2 + 3 一+ 4 e ( 1 5 ) 催化氨转化为羟氨的是氨单加氧酶25 1 ，氨单加氧酶a m o 是膜内酶，关于其 结构、催化活性和作用机理的资料，都是通过间接试验而间接获得的。h y m a n 等 6 博士学位论文 人【：5 1 研究发现a m o 含铜，对硫脉等金属鳌合剂敏感。他们还发现，用1 4 c 兰1 4 c 培养p 甜，- d p p 口，可使1 4 c 共价结合至一个分子量为3 1 8k d a 的膜内蛋白( a m o a ) 上。这个被标的蛋白可能是a m o 的活性部位，因为它被乙炔共价修饰的程度越 高，保留氨氧化活性越低；反之，当a m o 的氨氧化活性完全丧失时，被1 4 c 兰1 4 c 标记的蛋白也不再增多【2 6 j 。a m o 能催化多种基质。除氨以外，p “，d p 口p 口还可 将甲烷氧化成甲醇，乙烯转化成环氧丙烷，环己烷转化为环己醇，苯转化为苯酚， c o 转化为c 0 2 ，酚转化为醌【27 | 。这些基质既可与氨竞争a m o 的活性部位，也 可与氨竞争还原剂，因而对氨的生物氧化有抑制作用。乙炔是一种自杀性基质， 可被a m o 转化为不饱和的环氧化物；这种环氧化物作用于一个或多个与铜结合的 氨基酸侧链，可致使a m o 结构破坏而永久失活【25 1 。a m o 是由3 个不同亚基组成 的三聚体膜结合蛋白【2 8 】，3 个亚基的分子量m r 分别为2 7 1 0 3 ( a m o a ) ，3 8 1 0 3 ( a m o b ) 和3 1 4 1 0 3 ( a m o c ) 。a m o 只能催化非离子氨( n h 3 ) 氧化，而不能催化离 子氨( n h 4 + ) 氧化，而在环境中n h 4 + 与n h 3 的动态平衡中，倾向于n h 4 + 的方向， 使得n h 3 的浓度