（环境工程专业论文）固定化微生物去除废水中氨氮及固定化载体的研究.pdf

摘要 摘要 在闭合循环系统的水体中，氨氮对水体环境的影响最为突出的是水体的富营养化。 例如，在渔业资源和可养殖水面有限的情况下，必然要在水产养殖上寻求渔业的可持续 发展，如增加养殖密度来提高单位水体产量。养殖密度的增加，对养殖系统及排放废水 的附近水域都会产生负面影响。由于鱼类排泄物和残饵直接进入水体，导致氨氮浓度升 高，特别是集约化养殖水体，有机物和氨氮污染尤为严重。过高的氨氮可引起鱼类中毒 死亡和水体富营养化，因此，消除氨氮污染对改善养殖环境和保护水资源都具有重要 作用。 在闭合循环系统的水处理中，利用固定化微生物能够有效地去除水体中氮、磷、 c o d 及富集重金属，从而取得水质净化的功效。本文主要探讨固化硝化细菌去除水体中 氨氮的工艺，同时提出并进行高分子材料作为固定化吸附载体的研究。 本文主要论述了固定化微生物技术、固定化载体、固定化技术中的包埋法、包埋 载体以及硝化细菌的硝化机理，并以聚乙烯醇( p v a ) 为骨架载体，活性碳为吸附剂， 采用包埋法固定硝化细菌。通过实验，发现1 的海藻酸钠，3 s i 0 2 ，0 3 c a c 0 3 作为 添加剂，p v a 包埋硝化细菌的成球效果较好，小球表现有较佳的机械强度以及传质性能。 同时，本文采用了正交实验法，以固定化硝化细菌对水中的氨氮去除率为主要指标， 颗粒的强度作为辅助指标，确定了最佳包埋条件为p v a 浓度为9 ，包菌量为1 ：2 ，交 联时间为3 2 h ，活性碳含量为1 7 。 同时我们提出了用高分子材料作为吸附剂的载体，我们考查了高分子材料作为吸 附载体的性能和对硝化细菌的活性影响，这更是在国内研究较少的课题。 关键词：固定化微生物，硝化细菌，聚乙烯醇( p v a ) ，氨氮，高分子材料 查三些奎兰三兰竺圭耋堡鎏兰 a b s t r a c t a m m o n i u mn i t r o g e nr e s u l 乜i no v e r _ n u n u r eo ft h eo b d u r a t ew a t e l f o re x 锄p l e ，o nt 1 1 ec o n d i t i o no f l i m i t e d n s h e r yr e s o u r c e sa n dc u l t i v a b i ew a t e l 血es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ff i s h e r i e sd e p e n d so n a q u a c u l t i l r es u c ha si n c r e a s 访gi n t e l l s i 哆o f c u i t i v a b l e w a t e rt oe l e v a t et h eo u t p u to f p e ru n i tw a t e lt h e h i g hi n t e n s 畸o fc u l n l r e c a na d v e r s e l ya 雎c tn o t0 n l yt h e a q u a c u l t u r ei t s e l fb u ta l s ot h ea c c e p t e d w a t e r s f o re x a m p l e ，t h eh g hc o n c e n t r a t i o no ft o 诅1a r l l m o n i an i t m g e nd e r i v e df r o mh i g hr a t e so ff i s h e x c r e t i o na n df e e d l o a d i “g i sah a r m 如lf k t o rt h a tc a nr e s t r i c tn s hp r o d u c t sa n dc a u s ew a t e r s e u 仃i ) p h i c a t i o n s oi tb e c o m e sm o r ei m p o n a mt 0r e m o v et h ea m m o n 啪n i 仃o g e nf 而mw a s t e w a t e l i m m o b i l i z e dm i c r o b e sc a nb eu s e dt or e m o v ee 伍c i e m l yn i 仃o g e n ，p h o s p h o m u s ，c o da i l dh e a 、7m e t a l i nm ew a t e r 协e a t m e mo fc l o s e dr e c i r c u l a t i n gs y s t e m s t h i sp a p e rs t i l d y sat e c h n i c sw a su s e dt 0r e m o v e e f f i c i e n n yn h 4 + ni nm ew a l e rt r e 咖e ma n dt h ec a p a b i l 时o f m a c r o m o l e c u l em a t e r j a lf o r i m m o b 订i z e dc a r r i e r s i tw a sm a i n l yi n 仃o d u c e di m m o b i l i z e dm i c r o o 唱a n i s m st e c h n o l o g yi nt h ep 印e lt h em e t h o d si l s e df o r i m m o b i l i z e dm i c r o o 曙a n i s m sa n di m m o b i l i z e dc a r r i e r s a r e rc o m p a r e ds o m ei m m o b i l i z e dm e a n sa n d c a r r i e r s ，p o l y v i n y la l c o h o l ( p v a ) m i x e dw i t ha d d i t i v e sa se n t r a p m e n ta g e n tw a sc h o s ef o re n t r 印p i n g n i n d b a c t e n at or e m o v en h 4 + 一ni nt h ee x p e r i m e n t b yp 、，ac m s s i i n k e dw i t h b o f i ca c i dm e t h o di tw a sf o u n d 廿1 a t1 s o d i u ma l g i n a t e ，4 s j 0 2 ， 0 - 3 c a c 0 3w e r et h eg o o da d d i t i v e sf o rp v ab e a d si m m o b i l i z e dn i t r i 母i n gb a c t e a t h eb e a d sh a dw e l l m e c h a n i c a li n t e n s i t ya n dd i 曲s i o nc h 觚a c t e r i s t i c t h eo p t i m a le n t r 印m e n tc o n d i t i o n sw e r ee n s u r e db y u s i n gc r o s s t e s t ，n h 4 + nr e m o v a le 币c i e n c ya sm a i nf k t o ra n di n t e n s i t ya ss u p p l e m e n t a r yf a c t o lt h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a t1 0 p v a ，3 2 hc r o s s l i n k e dt i m e ，1v 0 1 n i 仃j 母i “gb a c t e r i ai n2 v 0 1 g e l a t i n ，3 a c t i v e c a r b o n 、e r et h eo d t i m a lc o n d i t i o n s i na d d i t i o n ，i no r d e r t oe n h a l l c et h es t a b i l i t ya n dn i n 曲a c t e r i ac o n c e n 仃a t i o no fm m o b i l i z e dp e l l e t s ， w em a d ei m m o b i l i z e dc 枷e rw i 廿lm a c r o m o l e c u l em a t e r i a li n s t e a do ft h ea c t i v ec a r b o n w es t u d i e dt h e c a p a b i l i t yo f m a c r o m o l e c u l em a t e r i a la i l dt h ee 仃b c tt on i t r o b a c t e r i aa c t i v a t e k e y w o r d ：i m m o b i l i z e dm i c r o o 唱a n i s m ， n i t m b a c t e r i a ，p 0 1 y v i n y la l c o h o l ( p v a ) ， n h 4 + - n ， m a c m m o l e c u l em a t e r i a l i l 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 长期以来，城市污水的处理均以去除有机物和悬浮固体为目标，并不考虑对氨氮 等有机营养物质的去除。随着污水排放总量的不断增加以及化肥、合成洗涤剂和农药 的广泛应用，废水中氮营养物质对环境所造成的影响越来越被人们所重视“1 。 氮对水体环境的影响最为突出的是水体( 特别是封闭承体) 的富营养化，表现为藻类 的过量繁殖及继而引起的水质恶化以至湖泊退化；其次是氨氮的耗氧特性会使水体的 溶解氧降低，从而导致鱼类死亡和水体黑臭；还有，当水体的p h 值较高时，氨对鱼类 等水生生物也具有毒性；此外，当饮用水中硝化氮超过1 0 m g l 时便会引起婴儿的高铁 血红蛋白症”1 。水环境污染和水质富营养化问题的尖锐化迫使越来越多的国家和地区制 定严格的污水氨、氮排放标准。我国新颁布实施的污水综合排放标准( g 8 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 也明确规定了适用于所有排污单位的较严格的氨氮排放标准，这就意味着今后绝大多 数城市污水和工业废水处理要考虑氨氮的硝化处理或脱氮处理。因此，研究开发经济、 高效的脱氮污水处理技术己成为水污染控制工程领域的研究重点和热点。 1 2 固定化方法的简介 1 2 1 固定化方法 固定化微生物技术是利用化学的或物理的手段将游离的细胞定位于限定的空间区 域，并使之成为不悬浮于水仍保持生物活性、可反复利用的方法1 3 】。 目前，固定化微生物的方法多种多样，国内外没有统一的分类标准，根据对各种 方法的分析，可将其分为物理固定法和化学固定法两大类。物理固定法主要有吸附法 和包埋法、包络法；化学固定法包括共价结合法和交联法等。 广东丁业大学工学硕士学位论文 1 2 1 1 包埋法 包埋法又可以分为高分子合成包埋、离子网络包埋及沉淀包埋。该法操作简单， 可以将细胞锁在特定的高分子网络结构中，这种结构紧密到足以防止细胞渗漏，而允 许底物渗透和产物扩散。这种固定方法对细胞活性影响较小，固定化颗粒的机械强度 较高，是目前研究最广泛的固定化方法。本文主要研究并应用包埋法来进行细胞固定 化。 1 2 ，1 2 吸附法 吸附法又叫载体结合法。此法是微生物细胞通过自然附着力( 物理吸附、离子结合) 等方式，固定在载体表面和内部形成生物膜，故载体( 填料) 的选择是关键。该法制各 简单，对生物活性影响较小，但在单位重量的成品固定化小球中的细胞量较少。 1 21 3 交联法 交联法是利用两个功能团以上的试剂，直接与微生物细胞表面的反应基团进行反 应，形成共价键以固定细胞。但此法化学反应激烈，对细胞活性影响很大，而且交联 剂的价格也较高，这些都限制了其在废水处理中的广泛应用。 1 2 2 固定化微生物载体 载体是细胞固定化包埋技术的关键。因此，理想的细胞固定化载体应该具备的条件 是：( 1 ) 对生物无毒；( 2 ) 性质稳定，不易被微生物分解，并能耐受由于生物繁殖引起 的破裂：( 3 ) 传质性能良好、透气性和透光性良好；( 4 ) 强度高，寿命长；( 5 ) 固定 化操作简单：( 6 ) 对其他生物的吸附小；( 7 ) 价格低廉等。固定化微生物的载体可分为 无机载体、有机高分子载体和复合载体三大类“1 。 第一章绪论 1 2 2 1 常规材料的选择 包埋载体种类很多，大致分为两大类。一类是天然高分子凝胶载体，如海藻酸钠、 琼脂、角叉莱胶等；另一类是有机高分子凝胶载体，如聚乙烯醇( p v a ) 、聚丙烯酞胺、 聚矾、硅胶、光硬化树脂等。其中，天然高分子凝胶载体以海藻酸钠为代表，有机合 成高分子类则以p v a 为代表。天然高分子载体一般对生物无毒，传质性能良好，但强 度较低，在厌氧条件下易被微生物分解。由天然海藻提取的海藻酸钠温和无毒，适合 于固定活细胞或敏感细胞，它的价格较低，是应用比较广泛的细胞固定化载体。用海 藻酸钠与氯化钙交联生成海藻酸钙固定包埋的微生物活性较高，但其缺点是在含有多 价阴离子以及高浓度电解质溶液中不稳定，钙离子容易脱落，包埋强度随着钙离子的 脱去而逐渐变弱，时间一长还有破裂现象。 在有机合成高分子载体中，聚乙烯醇( p v a ) 因无毒、价廉、抗微生物分解和机械强 度高等特点受到重视，被认为是目前最有效的固定化载体之一。蒋宇红等。1 比较了以海 藻酸钙、琼脂、聚乙烯醇、丙烯酰胺、明胶为材料载体的性能，结果表明聚乙烯醇为 材料的固定化小球比海藻酸钙与琼脂、明胶和丙烯酰胺等的具有明显的优点。所以本 课题以p v a 为主要骨架，添加其它有利于载体效果的添加剂来固定硝化细菌去除养殖 废水中的氨氮。 1 2 2 2 高分子材料的应用 高吸水材料是一种具有三维网络结构的接枝共聚物，具有很强的吸水性和保水性， 现在应用范围越来越多。1 “。高吸附树脂的材料和生产工艺越来越多，本文用淀粉作为 主要的框架去接枝共聚物，来研究做为固定化载体材料的性能。 淀粉接枝共聚高吸水性材料因原料淀粉的来源丰富，价格低廉，为其合成提供了 优越的供应条件，另外，其独有的吸水性能，优异的保水性能，及良好的加工性能， 为其应用奠定了好的基础。把高吸水材料应用到固定化载体这方面的研究还没有见到 报道，但是，有资料在理论提出了这个领域的可行性，可以代替p v a 和活性炭的混合 吸附硝化细菌时，在水体中存活时间比较短以及吸附量比较少的不足之处。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 3 固定化微生物技术的应用 1 3 1 含氨、氮、磷废水的处理 微生物去除氨氮需经好氧硝化，厌氧反硝化两阶段。而硝化菌、反硝化菌的增殖 速度慢，要想提高去除率，就要求反应器有较长的固体停留时间( s r t ) 的和较高的细菌 浓度，采用固定化微生物技术可做到这点，故有利于去除氨氮。赵兴利等“”利用p v a h 。b o 。包埋粉末活性炭和驯化硝化菌，以流化床为生物反应器，采用s b r 运行方式， 固定化硝化菌n r 。一n 去除率维持在8 0 以上。v a n o t t i 等“用p v a 冷冻法把硝化污泥 固定在3 5 眦的聚乙烯醇小球里用来处理养猪废水，当h r t 为4 h 时，n h 二一n 的硝化率 为5 6 7 m g d 。曹国民等“”人用海藻酸钠包埋硝化菌和反硝化菌，在好氧条件下同时进行 硝化和反硝化的脱氮研究，系统至少可稳定操作2 2d ，其脱氮速率约为0 1 lk g ( m 3 d ) 。 席淑琪“采用厌氧、好氧环境交替出现的培养条件，富集培养以假单胞菌为主的 除磷菌，使用p v a 一硼酸法固定以假单胞菌为优势微生物的活性污泥，制成的固定化污 泥经过活化，可以保持细胞活性并略有提高，具有明显的除磷能力和较好的抗酸、碱 冲击能力。该法起始浓度为8 7 5 m g l 时，6h 可去除4 9 5 的磷；在酸性条件下，菌 体会释放磷，而氨氮的存在有利于提高固定化污泥的除磷效果，2 4h 除磷率为8 8 2 ； 在好氧条件下，固定化污泥还具有明显的脱氮能力。 1 3 2 含酚废水的处理 含酚类物质属于环境优先控制的污染物，固定化细胞对废水中酚类等有毒物质的 降解能力远大于游离细胞。 a n s e l m o 等“7 1 研究了用琼脂、海藻酸钙、卡拉胶和聚丙烯酰胺等载体包埋固定化微 生物降解苯酚，又以聚氨脂泡沫为载体固定镰刀菌( f u s a r i u ms p ) 菌丝体，在完全混 合器中降解酚。结果表明，与游离菌相比，固定化微生物降解苯酚的速率要大得多， 且固定化微生物生物产量低。 p a i 等“8 1 用含1 颗粒活性炭、4 海藻酸钙、1 湿菌体的海藻酸钙颗粒降解苯酚， 同时将该载体在聚乙烯亚胺溶液中浸泡，以提高该颗粒的机械强度。结果表明：与活 性炭相比，海藻酸钙颗粒具有更高的苯酚去除率。 第一章绪论 l o h “”等研究了用聚砜纤维膜固定假单胞菌( p s e u d o m o n o sp u t i d a ) 处理高浓度苯酚 废水，浓度为1 2 0 0 m g 几的苯酚在9 5 h 内可完全降解。 1 3 3 印染废水及脱色的处理 王孔星等”利用多孔陶珠作为吸附材料固定混合脱色菌，经过吸附、固定和增殖 培养后处理印染废水，其脱色率达7 5 。刘志培等人“利用聚乙烯醇固定化混合细菌 细胞，进行了印染废水脱色的研究。实验结果表明：固定化细胞对印染废水的脱色活 性与其自然的细胞相比，最适宜的温度为3 0 一4 0 ，p h = 7 0 ，在p h = 6 o 8 0 ，温度为 2 5 4 0 范围内具有较高的脱色活性，并且热稳定性增加。在连续运行一个月的试验 中，水力停留时问大多在2 5 2 9 h 范围内，脱色率可维持在7 0 8 0 ，达到了对印 染废水脱色处理要求，具有较高的实用价值。 1 3 4 含重金属废水处理 由于微生物经固定化后，其稳定性增强，抗生物毒性物质的能力大大增强。因此， 可被广泛地用于有机废水中重金属离子的去除。 严国安等”2 1 采用海藻酸钙凝胶包埋普通小球藻，对人工废水进行静态模拟净化试 验，比较了固定化和悬浮态小球藻对重金属2 + 的去除率。结果表明，固定化小球藻 的去除率明显高于悬浮藻。在h 9 2 + 的浓度为o 2 、o 8 、1 4ug l 的污水中，静态停留 5 d ，固定藻对h 的去除率分别9 4 7 、9 4 5 和9 7 5 ，而悬浮藻分别为7 9 7 、 8 8 1 和7 6 9 。 m i c h e l ，l j 等”3 3 利用聚丙烯酰胺包埋固定化柠檬酸细菌( c i t r o b a c t e rs p ) ，用 于富集废水中的金属c d 。在最优条件下，使用单级固定化细胞反应柱，金属去除达l o o 。这种固定化细胞不仅可用于去除金属c d ，同样也适用于去除金属p b 、c u 以及其它 金属。 杨芬。4 1 同样采用海藻酸钙包埋普通小球藻进行c u ( i i ) 吸附研究，结果表明固定化 细胞在c u 2 + 浓度较低时，吸附率可达9 5 ，再生后的固定化细胞吸附率在8 0 以上。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 3 5 处理h ：s 及s 0 ：气体 同济大学的邵立明”等采用海酸钠包埋，c a c l 。交联法，利用滴滤塔反应器净化含 h 。s 气体，最大有效处理h 。s 的体积负荷可达6 0 0 0 一6 5 0 0 9 ( m 3 d ) ，净化效率保持在8 7 以上。 曹桂萍。6 3 采用5 海藻酸钠溶液包埋l o m l 菌种液和o 3 9 活性炭，在4 氯化钙溶 液中固定1 4 h 后，再用o 0 6 o l l 已二胺溶液交联一定时间，固定床生化反应器净化 s o 。气体的试验表明，在无喷淋、气体停留时间为5 s 、s 0 2 气体的人口浓度低于5 9 m 3 时，其净化效率可达9 8 。固定化微生物对s o 。具有较强的吸附净化能力，其吸附容 量可达8 1 9 m g g ，系统的净化能力可通过喷淋冲洗并通人空气的方法得以恢复。上述 结果说明利用固定化微生物净化低浓度s o 。气体是可行的。 1 3 6 处理恶臭废气 同济大学的马红等。”进行了固定化微生物处理含n h 。臭气的研究，他们用海藻酸钙 包埋活性污泥制得固定化细胞，利用多孔板固定床反应器处理含n h 3 臭气的研究表明： 该系统的脱臭、硝化效果较好，气相n h 3 的去除率在9 2 以上，固定化生物颗粒的硝 化能力很强，固定化湿颗粒对n 的硝化速度大于o 6 3 9 n ( k g d ) ，最高可达 2 9 3 9 n ( k g d ) ，远高于土壤及生物膜n h 3 气脱臭法。 袁志文。”等采用固定化微生物处理含甲硫醇恶臭气体，颗粒填充床生物脱臭塔运 行试验表明：在空塔停留时间不大于1 3 s 时，对低浓度甲硫醇气体( 2 1 4 m g m 3 ) 去除率在9 9 o 以上；当空塔停 留时间减少到6 5 s 时，对低浓度甲硫醇气体的去除率仍可维持在8 0 o ，脱臭塔对 由于浓度和进气量升高造成的冲击负荷具有较强的缓冲能力。 第一章绪论 1 4 国内外水体中生物脱氨氮的研究现状 1 4 1 常用去除水体中氨氮的方法 废水生物脱氨氮目前较为普遍采用的是活性污泥法和生物膜发。但活性污泥法。” 主要存在4 个方面的问题：( 1 ) 硝化细菌是自养细菌，生长缓慢，在混合培养的活性污泥 系统中无法与异养细菌竞争，难以维持较高的细胞浓度。为避免其流失，以取得较好的 脱氮效果，往往要保持较长的污泥停留时间，即需要很大的曝气池，从而限制了该工艺 的处理能力；( 2 ) 硝化细菌易受外界环境影响，对环境冲击尤其是毒物冲击非常敏感，而 系统重新启动又相当困难；( 3 ) 硝化和反硝化过程难以在时间和空间上统一，脱氮效果 差，造成生物脱氮这一多步骤生物催化反应受基质传递速率、底物和产物抑制等限制； ( 4 ) 对c n 比较小的废水，需外加碳源进行生物脱氮，导致处理工艺中必须增加后曝气装 置以处理剩余有机物，从而增加了处理成本。 生物膜法脱氮系统”自7 0 年代才发展，目前，大多数处于小试、中试及半生产性 试验阶段。一些学者对此进行了广泛的研究与探讨，开发了诸如能在低温下有效脱氮 的浮动床生物膜反应器、浸没式生物膜反应器脱氮系统，以及三级生物滤池脱氮系统。 相对于活性污泥法脱氮系统，生物膜法具有更好的稳定性，且污泥浓度高、产泥量少， 但能耗较大，其反冲洗后恢复时间长及外加碳源增加了运行费用。 1 4 2 利用固定化技术去除水体中氨氮情况 为了克服常用去除水体氨氮的缺点，人们逐渐把目光转移的固定化微生物去除氨氮 技术上。1 。站培荣等”7 1 用不同的固定化材料包埋光合细菌。研究结果表明，p v a 一沸石 固定化光合细菌的水质净化效果较好。于芬等。”用p v a 作为载体包埋光合细菌，鱼池氨 的去除率高达9 0 ，与采用游离光合细菌相比，氨去除率有了明显的提高。黄正等1 富集、培养硝化细菌污泥，选用p v a 作为载体，添加适量粉末活性炭包埋固定硝化细菌 污泥，处理养殖废水( c o d = 2 4 3m g l ，n h ；+ 一n = 4 5m g l ) ，经处理2 4h 后c o d 去除率为 7 4 9 ，n h 。+ 一n 去除率达8 2 5 。h i s a s h i 等”比较了p v a 和海藻酸盐两种材料固定化 光合细菌对鱼池水质净化与反硝化的效果。结果表明固定化p v a 球比海藻酸盐固定化球 的水质净化能力强。s h a n 等“”用固定化的硝化细菌去除对虾养殖池中高浓度的氨氮。 广东工业大学工学硕士学位论文 结果表明固定化细胞能有效去除养殖池中的总氨氮，即使投入的固定化颗粒密度较小， 也能获得较高的总氨氮去除率。目前固定化微生物技术在水产养殖中的应用主要集中 在室内模拟阶段。由于养殖废水成分复杂再加上环境因素的影响，把固定化微生物技 术应用于水产养殖生产中还需作进一步的研究。 硝化细菌是生物硝化脱氮中起主要作用的微生物，直接影响着硝化的效果和生物 脱氮的效率，但在废水中硝化细菌的含量较低，因此开发硝化细菌的富集技术，提高 硝化细菌的产率，在废水处理方面具有重大意义“2 “3 。传统的生物脱氮一般包括硝化和 反硝化两个阶段，分别由硝化细菌和反硝化细菌作用完成。但由于硝化菌( 严格好氧) 和反硝化菌( 兼性厌氧) 具有不同的生理特性，硝化和反硝化作用难以在空间和时间上 统一，脱氮效果较差：而目前采用的固定化微生物载体，其内部空间具有氧扩散能力， 可以自然形成由外向内的好氧区、缺氧区和厌氧区，实现了好氧条件下的同时硝化和 反硝化( s 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 ) ，从而实现单级生 物脱氮。s n d 与单纯的硝化与反硝化的传统污水处理过程相比，减少了反应容器的体积， 缩短了反应时间，提高了氨的转化率。固定化载体根据包埋方式和碳源供给方式不同， 可分为硝化菌和反硝化菌分层包埋、硝化菌和反硝化菌混合包埋和碳源循环单级生物 脱氮。但目前报道较多的为硝化菌和反硝化菌混合包埋“。s n d 使硝化和反硝化同时 发生，为简化生物脱氮工艺和设施提供了新思路，在废水生物脱氮中显示出了良好的 应用前景，但具体的实际应用还有待于深入研究。 1 5 生物脱氮基本原理 生物硝化反应是将氨氮转化为硝酸盐氮的过程。第一阶段是由亚硝酸菌将氨氮( n h 。) 转化为亚硝酸盐( n o 。一) ，称为亚硝化反应。亚硝酸菌包括亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆 菌属和亚硝酸球菌属等。第二阶段则由硝酸菌将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐( n o 。) ， 称为硝化反应。硝酸菌包括硝酸杆菌属、硝酸螺菌属和硝酸球菌属等。亚硝酸菌和硝 酸菌统称为硝化菌，均是化能自养菌。 反应式如下： 2 n h 。+ 3 0 。一2 n o _ 。十2 h _ + 2 h 。o( 亚硝化细菌) 2 n 0 2 - + o 。一2 n 吁( 硝化细菌) 第一章绪论 1 6 本课题的主要研究内容 由于p v a 无毒、价廉、抗微生物分解和机械强度高等优点，所以本文选择以p v a 为固定化载体，但是，由于p v a 包埋时存在易破碎、易粘连、强度低等缺点，因此， 本文寻找新的添加剂作为辅助载体克服p v a 单独包埋时的缺点。 本课题主要研究内容有以下几点： 1 探索有利于p v a 包埋效果的添加剂，克服p v a 本身包埋时存在的缺点。 2 利用正交实验优化技术，以多因素分析法，找到固定化小球去除氨氮的最佳条件。 3 讨论并提出固定化载体优劣的主要评价方法 4 提出一种新的固定化载体：高分子材料作为固定化载体的使用。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章固定化小球的制备与物性 聚乙烯醇( p v a ) 作为固定化载体制作固定化硝化细菌小球来处理含氮废水。由于单 独用p v a 作为固定化载体，固定化小球存在粘连、易破碎、强度不够等缺点。所以， 本章主要研究选用添加剂作为辅助材料来提高小球的成球效果以及讨论活性炭含量、 凝胶浓度、硼酸浓度等对小球成球的影响。 2 1 实验材料 硼酸：分析纯( a r ) ，广州化学试剂厂 聚乙烯醇：进口分装( a r ) ，汕头市光华化学厂 海藻酸钠：化学纯( a r ) ，天津市福晨化学试剂厂 无水氯化钙：化学纯( c p ) ，广东台山化工厂 活性炭：分析纯( a r ) ，广州化学试剂厂 碳酸钙：分析纯( a r ) ，上海化学试剂采购供应站经销 二氧化硅：分析纯( a r ) ，青岛海洋化工厂分厂 硝化细菌：珠江水产研究所微生物制剂厂 2 2 实验仪器 电热恒温水浴锅( h h s 2 ) ， 7 2 1 分光光度计， 电子天平 上海沪南科学仪器联营厂 上海第三仪器厂 北京赛多利斯天平有限公司 第二章固化小球的制备与物性 2 3 固定化小球的制备流程 1 ) 制备p v a 凝胶：称取一定量的p v a 加入l o l 水在8 0 0 c 下完全溶解，然后加 入一定量的添加剂( 海藻酸钠、s i 0 。、c a c o 。、c a f 。) 混合均匀。 2 ) 制备菌体：在5 m l 硝化细菌( 每毫升含硝化细菌l o ”个左右) 加入一定量活性 炭，混合吸附1 0 m i n 。 3 ) 固定化硝化细菌小球的制备( 以下简称小球) ：把上述两种溶液混合均匀后用 滴管滴加入含2 的c a c l 。的硼酸溶液( p h = 6 7 ) 中，在1 0 。c 固定化交联一定 时间，制作固定化小球，取出，用去离子水沈2 3 次，待用。 固定化小球颗粒的制各工艺流程图如图2 1 。 活性炭( g 混合吸附1 至p v a 爿 加入各利 分钟 并冷却至 按比例混合 把混合物用滴管滴入硼酸溶液中 l 1 0 固定化交联数小时( h ) i 取出，用去离子水洗2 3 次，待用 图2l 固定化小球的制备流程 f i g 2 1t h ep r e p a r a t i o np r o c e s so f i i n m o b i l i z e dp e l l e t s m 1 ) 广东工业大学工学硕士学位论文 2 4 固定化小球成球效果的研究 不同的实验配方对小球的成球效果影响很大，主要影响因素有添加剂的百分含量 ( 占p v a 凝胶的百分含量) 和成分，以及活性炭的含量( 占p v a 凝胶的含量) 等都直 接影响固定化小球颗粒的成球效果。 2 4 1 添加剂对小球成球的影响 我们研究了不同添加剂的占p v a 凝胶的含量和添加剂成分对小球成球效果有很大 的影响。我们试验了在p v a 凝胶中加入不同的添加剂来改善小球的成球效果。表2 1 是试验结果，图2 2 至2 4 是小球成球的效果图。 表2 一l 实验配方与现象 t a b 2 一le x p e r i m e n t a 王p r c s 谢p t i o na n dp h e n o m e n o n 海藻酸钠c a f 。 c a c o 。s i 0 ： 小球成球效果 添 o o o o小球很难成球，粘连很严重。 加 1 0o0 小球漂浮容易裂开扩散成膜，难以下沉，粘 剂 连现象减轻，很难成球状。 的 0 5 3 0 3 o强度不够，粘连现象较严重，有c a f 2 外渗现 自象。 分 1 3 0o 颗粒漂浮易裂开，粘连现象减轻，有c a f ： 外渗现象。 量l o 0 3 3 成球良好，小球略下沉，球形较好，粘连现 象减轻，强度提高 第二章固化小球的制各与物性 图2 2 溶涨的固定化小球颗粒 f i g 2 - 2t h ed i f f l u e n c eo fi n l m o b i l i z e dp e l l e t s 图2 3 易粘连的固定化小球颗粒 f i g 2 - 3t h ec o n 9 1 u t i n a t i o no fi m m o b i l i z e dp e l l e t s 1 3 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 4 成球效果好的固定化小球颗粒 f i g 2 4t h ep u r p o s eo f i m m o b i l i z e dp e l l e t s 从表2 1 可以看出：海藻酸钠的含量太低，p v a 凝胶小球的粘连比较严重，难以成 球，故海藻酸钠的量不宜太低，说明海藻酸钠可以改善固定化颗粒的成球质量；当添 加剂中加入有c a f ：时，凝胶在交联剂中成球时，有c a f ：外渗现象，故不用此添加剂； 加入s i 0 。做为添加剂，由于s i o ：具有较高的表面积、多孔，所以可以提高颗粒的强度、 传质性能；加入c a c 0 3 也可增加颗粒的通透性。所以，本文拟采用1 海藻酸钠，o 3 c a c o ，3 s i o 。作为添加剂，研究固定化小球去除氨氮的情况。 2 4 2 交联剂对包埋硝化细菌p v a 成球的影响 包埋硝化细菌所使用的交联刘是硼酸溶液( 含2 的无水c a c l 2 ) 。由于硼酸的溶 解度不高，当浓度达到4 后，较难再继续溶解。考虑到实验的效率因素，本实验在上 述最佳添加荆的情况下以及在p v a 凝胶：硝化细菌：活性炭= 1 0 0 ：5 0 ：2 条件下，考 察浓度分别为3 、3 5 、4 的硼酸溶液对包埋硝化细菌的p v a 的成球情况进行比较， 发现4 浓度的硼酸溶液是p v a 的成球较好。 第二章固化小球的制备与物性 2 5 固定化小球强度的影响因素 由于实际废水成分的复杂性、多样性和水质的稳定性，保持固定化颗粒的强度成 为固定化微生物处理废水的关键。通过测定固定化微生物颗粒的强度，可以间接反映 出固定化颗粒承受水压的情况以及固定化颗粒的稳定性。因此本文先讨论建立简易的 小球强度的测试方法，再研究载体浓度和活性炭含量对小球强度的影响。 2 5 1 固定化小球强度的测试 随机抽取同一种配方的4 粒小球( 各种小球的形状大小都差不多) ，在水平玻璃 面上摆成正方形，再在小球上放上一个玻璃皿，然后在玻璃皿上慢慢加上砝码( 砝码的 质量由小到大) ，用肉眼仔细观察，直至p v a 小球出现变形，计算小球所能承受的最大质 量：每个小球承受的质量= ( 玻璃皿的重量+ 砝码重量) 4 。 2 5 2 载体浓度对小球强度的影响 本实验分别选择p v a 浓度是7 5 ，1 0 和1 2 5 做为实验研究，发现不同的载体浓 度，对固定化小球的强度有一定的影响。表2 2 是在不同载体浓度下的固定化小球颗 粒的强度情况。 表2 2p v a 浓度对小球强度的影响 t 曲2 2e f r e c to fp v ac o n c e m r a t i o no nt 1 1 ep e l l e t s i n t e n s i t y p v a 浓度( )手感强度 7 5 很软，有弹性良好 1 0 弹性弱，比较硬强 1 2 5 很硬很强 从表2 2 上可以看出，p v a 的浓度越大，固定化小球颗粒的强度越大。但是从p v a 浓度太大时，小球的颗粒又很硬，可能影响其传质性能，所以，p v a 的浓度又不能太大， 因此，综合考虑，要选择合适的载体浓度。 三至三些奎兰三兰堡圭兰堡篁兰 2 5 3 活性炭含量对固定化小球颗粒强度的影响 除p 、，a 浓度影响小球强度外，活性炭含量也会影响小球的强度，表2 3 是在其 它条件不变的情况下，活性炭含量对小球承载力的大小，表2 5 是它的趋势图。从表 2 3 可以看至活性炭含量占p v a 凝胶的2 的情况下制备的小球强度最大。 表2 3 活性炭含量和小球颗粒强度的关系图 t a b 2 3t h er e l a t i o n s h i p b e t 、v e e np e l l e t s i n t e n s 蚵a 1 1 da c t i v ec a r b o nc o n t e n t o152o25 30354 0 活性炭占p v a 凝胶的含量( ) 图2 5 活性炭含量和小球颗粒强度的关系图 f i g 2 5t h er c l a t i o n s h i pb e “v e e np e l l e t si n t e n s i t y 锄da c t i v ec a r b o nc o n t e n t 6 第二章固化小球的制各与物性 2 6 固定化小球传质性能的影响 在小烧杯中加入等量的经稀释过的墨水，再数出相同数量的小球( 大小适中) ，放 入烧杯内，放置1 8 小时，取四个烧杯中的溶液于波长为4 0 6 n m 下，以去离子水调零， 使用l o m m 的比色皿，进行分光光度测定，比较测得的吸光度值大小，通过测定的吸光 度值可以间接的反应固定化小球的传质性能的好坏。吸光度大，说明固定化小球吸收 墨水物质就少，所以传质性能就差，反之亦然。 为了对不同配比制作的p v a 小球进行传质性能测试，我们配制了不同配方的小球。 表2 4 中是在添加剂组成最优( 1 0 p v a ，1 的海藻酸钠，3 s i o ，o 3 c a c o 。) 的情 况下，改变活性炭的量的配方下制备的小球；而表2 5 小球是把2 5 第一个配方中 s i o ：换成纳米级s i o ：。 先在4 个小烧杯中加入等量的经稀释的墨水，再称量出相同重量的4 种小球，放 入烧杯内，分别放置1 8 h 及3 2 h 后，取5 个烧杯中的溶液于4 0 6 n m 的波长下，以去离 子水调零，使用l o m m 的比色皿进行分光光度测定，测得其吸光值以比较传质性能如表 2 4 和表2 5 。 表2 4活性炭含量对其吸光度的影响 t a b 2 4a b s o r p t i o no fd i 旋r e n tb e a d s 活性碳含量( )吸光度值 1 8 h3 2 h 2 0 1 1 80 0 7 l 3o 1 0 00 0 3 9 4o 0 9 9o 0 0 1 广东工业大学工学硕士学位论文 表2 5 不同s i 0 2 对吸光度的影响 t a b 2 5a b s o r p t i o no fd i 腩r e n tb e a d s 添加剂吸光度 1 8 h3 2 h s i o 。 o 1 1 8 o 0 7 1 纳米级s i 0 。o 0 9 5o 2 0 9 通过以上实验可以看出这样一个趋势：在其它成分不变的情况下，活性炭的量越 多，其吸附性能就越强。也就是说活性炭能改善p v a 小球的传质性能，使p v a 小球传 质更易。从表2 5 中还可以看出在放置较短时间后，采用纳米级二氧化硅的p v a 小球 的传质性能较强，但在放置较长时间后，其传质性能下降。 2 7 本章小结 通过本章实验可以看出在其它成分不变的情况下，活性炭的量越多，其传质性能 就越强，也就是说活性炭能改善p v a 小球的传质性能，使p v a 小球传质更易。同时， 活性炭对固定化小球成球情况也有一定的影响，活性炭在2 时，固定化小球的强度最 好。 同时，添加海藻酸钠可以改善固定化颗粒的成球情况，可以改善它的粘连现象； 由于s i 0 。具有较高的表面积、多孔，所以可以提高颗粒的强度、传质性能以及比重； 加入c a c 0 3 也可增加颗粒的通透性。 第三章p v a 小球去除氨氮特性的研究 第三章固定化小球去除氨氮特性的研究 固定化小球最后就是用来去除废水中的氨氮，不同比例因素制各的固定化小球去 除氨氮的效率差别很大。影响他的主要因素有p v a 浓度报、硝化细菌溶液与包埋剂溶 液的重量比( 即相对包菌量) 、固定化小球在交联剂硼酸里的交联时间和活性炭含量占 p v a 凝胶的百分含量。本文使用正交试验，找出固定化小球去除氨氮的最佳因素水平值。 3 1 实验主要药剂 硝化细菌珠江水产研究所微生物制剂厂 n o 。一n 标准溶液；n h ；+ 一n 标准溶液； 纳氏试剂( 碘化汞+ 碘化钾+ 氢氧化钠) ： 酒石酸钾钠溶液； 其它的都是一些市售的化学纯和分析纯： k 2 h p 0 4 ； 4 9 s 矾7 h p o ； n a c l ：m n s 0 4 ： f e s 0 4 7 h 2 0 ；n h 。c 1 ： 葡萄糖；n a h c o 。 3 2 实验仪器 电热恒温水浴锅( h h s 2 ) 7 2 1 光栅分光光度计 7 5 2 紫外光栅分光光度计 上海沪南科学仪器联营厂 上海第三仪器厂 上海实立仪器技术服务有限公司 1 9 广东工业大学工学硕士学位论文 3 3 模拟废水的配制 本实验模拟生活污水的一般成份，配制人工合成废水。 模拟废水的配制：将k t h p 0 45 2 m g ，m g s 0 4 7 h 。o 2 5 m g ，n a c l1 2 5 m g ，m n s o 。2 5 m g ， f e s o 。7 h 。o2 5 g ，n h 。c l2 9 7 m g ，葡萄糖5 0 m g 溶于l l 去离子水中，并用n a i c 魄调 节p h 值为7 5 。此时氨氮的浓度是1 0 m g l 。 3 4 实验分析方法 3 4 1 氨氦的测定纳氏试剂比色法 原理：碘化汞和碘化钾的碱性溶液与氨反应生成淡红棕色胶态化合物，此颜色在 较宽的波长范围内具有强烈吸收。通常测量用波长在4 1 0 一4 2 5 n m 范围。 测定方法：取2 5 m l 水样于5 0 m l 比色管中，稀释到刻度。加入1 m l 酒石酸钾钠溶 液，摇匀，再加入纳氏试剂1 o m l ，摇匀。放置l o i n 后，用7 2 1 分光光度计在4 2 0 n m 波长处，用光程2 0 m 比色皿，测其吸光度。从标准曲线上查得氨氮含量。测定过程中 水样稀释及试剂制备用水均为去离子水。 3 4 2 亚硝化盐氮的测定q 一萘胺分光光度法 原理：对氨基苯磺酸与a 一萘胺在酸性介质中可同亚硝酸根反应，生成一种红色 偶氮染料，色度与亚硝酸根的浓度成正比。 测定方法：取2 5 m 1 水样于5 0 m l 比色管中，稀释到刻度。加入1 0