（环境工程专业论文）固定化硝化细菌对氨氮的去除效果.pdf

青岛理工大学硕士学位论文 摘要 当前，水质污染问题已越来越受到人们的关注。固定化微生物技术作为一种新的废 水处理方法，是当今生物工程领域中一个十分活跃的研究方向。氨氮是养殖系统的主要 污染物，目前多采用生物法进行处理。生物脱氮的核心是硝化细菌。由于硝化细菌是一 种化能自养细菌，硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高生物浓度，对环境因子变化敏感， 抗重金属及有机物冲击的能力不强，高浓度氨氮及亚硝酸盐进水会抑制硝化菌生长，使 其在与异养菌的竞争中处于劣势，极易被系统淘汰。硝化细菌的固定化对解决菌体流失， 提高硝化细菌抗冲击负荷能力，维持系统稳定运行有重要作用。 本论文主要研究同定化脱氮技术，主要内容如下： l 、采用改进的海藻酸钠、聚乙烯醇2 种包埋方法固定化硝化细菌，通过研究发现： 海藻酸钠+ 活性碳法和海藻酸钠+ 戊二醛法可以提高固定化颗粒的机械强度，延长固定化 小球的使用寿命；聚乙烯醇+ 添加剂( 1 海藻酸钠，4 s i 0 2 ，0 3 c a c 0 3 ) 法固定化 硝化细菌，固定化颗粒硝化性能较高，耐曝气强度大，对氨氮的处理效果好。 2 、对可能影响聚乙烯醇+ 添加剂( 1 海藻酸钠，4 s i 0 2 ，0 3 c a c 0 3 ) 固定化小 球活性的多种理化因子进行试验分析，确定其应用的最佳条件是p h 8 5 ，温度2 5 ，好 氧，对氨氮的去除效果随着供氧量增加而增强。 3 、考察了聚乙烯醇+ 添加剂( 1 海藻酸钠，4 s 1 0 2 ，0 3 c a c 0 3 ) 固定化硝化细 菌在脱氮实验装置中对氢氮的去除效果，当体积填充率为1 0 ，反应器的硝化停留时间 为8 h ，经过1 2 个周期的运行，对人工配制含氨氮废水的去除率达9 6 7 。 关键词：氨氮；硝化细菌；固定化；包埋法 青岛理工人学硕士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t l y , t h ew a t e rp o l l u t i o np r o b l e mh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yc o n c e m e d i m m o b i l i z a - t i o no fm i c r o o r g a n i s mi sav e r ya c t i v er e s e a r c hi nt h eb i o - e n g i n e e r i n gf i e l da san e ww a s t e w a t e rt r e a t m e n tm e t h o d n i t r o b a c t e r i ai sat y p eo fb a c t e r i af r o mo x y g e n i th a st h ec h a r a c t e r s o fp o o rg r o w t h ，d i f f i c u l tt om a i n t a i na r e l a t i v e l yh i g hc o n c e n t r a t i o n hc a n tr a s i s t eh e a v y m e t a l sa n do r g a n i cc o m p o u n d s h i g hc o n c e n t r a t i o n so f a m m o n i a n i t r o g e ni n f l u e n tw i l li n h i b i t t h eg r o w t ho fn i t r o b a e t e r i a s oi t sr e c e s s i v ei nt h ec o m p e t i t i o nt ot h eh e t e r o t r o p h yb a c t e r i a a n dc a l lb ew a s h o u tb yt h es y s t e me a s i l y , t h e nr n z k et h en i t r o b a e t e r i al e a n n e s si nt h ew a s t e w a t e r s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt oi n c r e a s et h ec o n c e n t r a t i o no f n i t r o b a c t e r i ai nt h ep r o c e s ss y s t e r n t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h em e t h o do fn i t r o b a c t e r i af i x a t i o n a sf o l l o w i n g i ti st h e c o n c l u s i o na c c o r d i n gt ot h es t u d y ： l 、u s i n gi m p r o v e ds o d i u ma l g i n a t ew i t l la c t i v ec a r b o na n ds o d i u ma l g i n a t ew i t hg l u t a r a l d e h y d et h i s2e m b e da g e n tt oi m m o b i l i z e dn i t r o b a c t e f i ai n d i v i d u a l l y w eg e tt h ef o u n d t h r o u g hr e s e a r c h ：s o d i u ma l g i n a t ew i t ha c t i v ec a r b o na n ds o d i u ma l g i n a t ew i 廿lg l u t m li r a - m o b i l i z a t i n gn i t r o b a e m q ac a ne x h a n e et h ep a r t i c l e s m e c h e n i c e a ls t r e n g t ha n de x t e n dt h ep a r - t i t l e s l i f e p v aw i t l la d d i t i v e sh a st h ec h a r a c t e r so f h i g hn i t r i f i c a t i o na n db e a r i n ga e r a t i o ni n - t e n s i t y i th a sah i g l lr e m o v a lr a t e 2 、w ec a r r yo nt h ee x p e r i m e n ta n a l y s i st om a n yk i n d so f p h y s i c sa n dc h e m i s t r yf a c t o r s w h i c hw i l la f f e c tt h ea c t i v e n e s so fp v aw i 血a d d i t i v e si m m o b i l i z a t i n gn i t r o b a c t e r i aa n dd e - t e r m i n ei t sb e s ta p p l i c a t i o nc o n d i t i o n s n mb e s ta p p l i c a t i o nc o n d i t i o n so f n i t r o b a c t e r i ac u l t u r e a r ep h = 8 5 ，t e m p e r a t u r e2 5 1 2 ，a e r o b i c 3 、s e tt h en i t r o g e nr e m o v a le x p e r i m e n td e v i c ea n du s ep o l y v i n y ln l c o h o l ( p v a ) c r o s s l i n k e dw i t l lb o r i cw i t he f f e c t u a la d d i t i v et op a c kt h em 协o b a e t e f ip e l l e t ( 1 s o d i u mn l g i n a t e 、 4 s i 0 2 、0 3 c a c 0 3 ) n p e l l e t ss t u f f m gr a t i oi s1 0 i nv o l u m e 1 1 1 0r e a c t i o ns o j o u r n t i m eo ft h et u b u l a re x p e r i m e n td e v i c ei s8h o u r s 1 1 r e m o v a lr a t eo fa m m o n i an i t r o g e ni s 9 6 7 k e yw a r d s ：a m m o n i an i t r o g e n ；n i t r o b a e t e r i a ；i m m o b i l i z a t i o n ；i n v e s t m e n t 青岛理工大学硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 长期以来，城市污水的处理均主要以去除有机物和悬浮固体为目标，不考虑氮、磷 等营养物质的去除。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也逐渐引起了人们的关注l l j 。 氮对水体环境影响最为突出的是导致水体( 特别是封闭水体) 富营养化，表现为藻类 的过量繁殖从而造成水中溶解氧急剧变化。藻类死亡后，藻体的微生物分解作用又会使 水体严重缺氧，造成鱼类的大量死亡；某些藻类及蓝细菌的蛋白类毒素，可富集在水产 生物体内，并通过食物链使人中毒：大量藻类的残体可使湖泊变浅，最终变为沼泽地； 水源水的富营养化会使加氯量成倍增加，并生成卤代烃之类的有毒物质；为了脱色、除 臭、除味而使化学药剂投加量增加，滤池的反冲洗增加，从而增加处理的成本；此外， 化合态的氨对人及生物有毒害作用，饮用水中硝化氮超过l o m g l 会引起婴儿的商铁血红 蛋白症【2 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 格的氨氮排放标准。在我国，污水未经适当处理或未处理就排放所造成的富营养化问题 已到了较为严重的地步，许多湖泊水体己不能发挥其正常功能而严重地影响工农业和渔 业生产。我国自2 0 世纪8 0 年代以来，也开始了污水脱氨除磷的研究工作，并取得了一定 的进展。但由于近2 0 年来，我国污水处理厂工艺技术改进的速度发展并不快，加之民营 企业如雨后春笋般的迅猛发展，实际上水体的富营养化问题还在加重，越来越严重地阻 碍着我国国民经济的发展p t 4 j 。 因此，如何经济有效地控制氨氮废水污染已成为当前环保工作者研究的重要课题， 研究氨氮废水的处理技术对水环境保护意义重大。 1 2 水体中氮的形态 进入水体中的氮主要有无机氮和有机氮之分。无机氮包括氨态氮( 简称氨氮) 和 硝态氮。氨氮包括游离氨态氮n 也一n 和铵盐态氮n 凡+ 一n 。硝态氮包括硝酸盐态的氨n o 。- n 和亚硝酸盐态的氮n o ：。n 。亚硝态氮不稳定可以还原成氨氮，或氧化成硝态氮。有机氮 有尿素、氨基酸、蛋白质、核酸、尿酸、脂肪胺、有机碱、氦基糖等含氮有机物。可溶 性有机氮主要以尿素和蛋白质形式存在，它可以通过氨化作用转化为氨氮。在好氧和厌 青岛理工大学硕士学位论文 氧条件下有机氮均可矿化为氨氮。由于氨氮是植物和微生物的主要营养物质，水体中氨 氮含量的增加会造成水体的富营养化，使水体发黑发臭并引起水质恶化。因此水体中氨 氮的浓度是评价水体污染程度的一个重要指标。目前我国水域污染中氨氮指数已成为除 高锰酸盐指数外的第二项主要污染物了，水体中的氨氮指标被列为必测指标，并控制其 排放，相继出台了氨氮超标排污的方法。 1 3 水体中氮的来源 进入水体的氮的来源是多方面的，包括自然过程和人类活动两个方面。自然来源主 要包括大气降水降尘、非市区径流和生物固氮作用等。人类活动造成的氮来源主要有以 下几个方面： 1 、工业或生活污水未经处理直接进入河道或水体 部分工业废水( 如制药废水、制革废水、屠宰废水、化肥厂排放的污水等) 的氮磷 含量比较高，如果进入江湖和海洋，会造成藻类过度生长。生活污水中的氮主要以有机 氮和氨态氮两种形态存在，其主要来自食物中蛋白质代谢的废弃物，新鲜生活污水中有 机氮约占6 0 ，氨氮约占4 0 ，硝态氮微量或没有。城市污水和工业废水经过污水处理厂 生化处理后，虽然有一部分氨、磷被同化合成，构成微生物细胞，剩余的大部分氮、磷 随出水排入河道，成为城市附近河道中氮、磷的主要来源。 2 、污水处理厂出水 采用常规处理工艺的污水处理厂( 包括生活污水和工业废水) ，其排放水都含有相当 数量的氰、磷和硫。这是因为有机物被微生物氧化分解产生的氨氮、硝酸盐、硫酸盐和 磷酸盐，部分都随出水排入河道，成为藻类合适的营养原料。这是城市污水经过常规二 级处理但城市河道依然出现水质富营养化和黑臭的重要原因之一。 3 、面源性的农业污染物 面源性的农业污染物，包括肥料，农药和动物粪便等：人工合成的化学肥料和农药 是水体中氮磷营养元素的主要来源。施入农田的氮肥只有一部分被农作物吸收，未被农 作物吸收的氮肥超过5 6 ，有的甚至超过8 0 。为了取得高额农作物产量，农田用肥量越 来越大，加上科学施肥及其推广问题尚未得到有效的解决，进入水体的流失肥料数量也 必然越来越多。有机肥料也可能经微生物分解，成为可溶性无机盐，然后进入地下水或 江河湖泊。此外畜禽养殖业肥料和水中野生动物的排泄物，氮磷含量也相当高，也会大 量进入水体。 2 青岛理工大学硕士学位论文 4 、城市固体废弃物填埋产生含高浓度氨氮的垃圾渗滤液 随着城市规模的扩大、城市人口的增加和居民生活水平的提高，城市垃圾的产量与 日俱增，目前垃圾处置方法常用的有简单堆放法、堆肥发酵法、卫生填埋法、焚烧发电 法等。其中，卫生填埋法以其成本低廉、适用范围广、无二次污染、环保效果显著和处 置彻底等优点，被世界各国普遍采用。卫生填埋处理垃圾，伴随而来的就是垃圾渗滤液 的产生，垃圾中所含的水份、有机物分解产生的水份以及大气降水、径流等由地表渗入 填埋场区的水，除一部分被蒸发外，其余的将储存在填埋层中，当垃圾填埋层含水量达 到饱和后，便形成了垃圾渗滤液。垃圾渗滤液中的氨氮通常高达1 0 0 0 m g l 以上，随着垃 圾填埋年龄的增长，垃圾渗滤液中的氨氮含量还将逐渐上升。 1 4 水体中氮的危害性 1 4 1 造成水体的富营养化 氮是植物和微生物的主要营养元素，当水体中的氮 o 2 m g l ，水体就会导致富营 养化。水体中所含的氨氮，特别是封闭水体中的氨氮最突出的危害是会造成水体的富营 养化。水体富营养化后会引起某些藻类的过量繁殖，一方面某些藻类本身有藻腥味会引 起水质惩化使水变得腥臭难闻；另一方面有些藻类所含的蛋白质毒素会富集在水产物体 内，并通过食物链影响人体的健康，甚至使人中毒。 水体中的大量藻类死亡的同时会耗去所含的氧气，从而引起水体中鱼虾类等水产 物的大量死亡，致使湖泊退化、淤泥化，甚至变浅、变成沼泽地甚至消亡。据统计，我 国平均每年有2 0 个天然湖泊消亡。我国广东珠江沿海、厦门沿海、长江口近海域，渤 海湾曾多次发生藻类过度繁殖而引起赤潮，导致鱼类等水产物大量的死亡，造成海洋渔 业资源的破坏，经济损失严重。 1 , 4 2 降低水体的观赏价值 通常l m g 氨氮氧化成硝态氮需耗4 6 m g 溶解氧。水体中氨态氮越多，耗去的溶解 氧也越多，水体的黑臭现象就越发严重。这就影响了水体中鱼类等水产物的生存，使其 易因缺氧而死亡。富营养的水质不仅又黑又臭且透明度也差，从而影响到江河湖泊的 观赏和旅游价值。 青岛理工大学硕士学位论文 1 4 3 危害生物的生存 当水体中的p h 较高时，氨态氮往往呈游离氨的形式存在，游离氨对水体中的鱼及 水生物皆有毒害作用。当水体中的n h 。- n 1 m g ，l ，就会使生物血液结合氧的能力下降； 当。一n 3 m g l ，在2 4 - 9 6 小时内金鱼等大部分鱼类和水生物就会死亡。人体若饮用 n o 。- n l o m g l 或n o s - n 5 0 m g l 的水，则可使人体内正常的血红蛋白氧化成高铁血红 蛋白，失去血红蛋白在体内输送氧的能力，出现缺氧的症状。 1 4 4 增加污水的处理成本 污水中氨氮的增加会增加污水的处理成本。以氯气处理法计，每增加1 9 氨氮则需 增加8 - 1 0 9 的氯气量。若以化学中和法、沉淀法处理，也会增加化学沉淀剂的投入量。 除此之外，氨还会与含铜及铜合金设备中的铜组分反应引起相关设备的腐蚀。 1 5 脱氮技术的现状和进展 目前含氮废水的处理技术可分为物理化学法和生物脱氮法，其中物理化学法中有化 学沉淀法、离子交换法、吹脱法、折点氯化法等。 化学沉淀法是使氨离子与化学沉淀剂进行反应，生成沉淀物，从而把氨氮从废水中 去除的高浓度氮氮废水处理方法。该方法首先将沉淀剂加入高浓度氮氮废水，然后进行 搅拌、混合，最终使氮生成沉淀，从而把氮从废水中去除。该方法的优点是生成的沉淀 物是一种复合肥料，可用于农业。因此，用该法可达到废物回收利用的目的。缺点是药 剂消耗量较大。该法适用于不含有毒污染物、沉渣可再利用的高浓度氨氮废水。 吹脱法是近几年来逐渐受到人们重视的一种处理高浓度氮氮废水的方法，已有应用 于制药、焦化、垃圾渗滤液等高浓度氨氯废水处理的研究。吹脱法作为垃圾渗滤液的预 处理技术，近年来逐渐得到了人们的重视和研究。空气吹脱法的原理是污水中的氢氮存 在着解离平衡；n h 3 + h 2 0 - - - n i - g + 旧 r ，当水体p h 值升高，水体中的氨氮向游离念氨转 化。吹脱法采_ f j 提高污水口h 值、反复形成水滴和通入大量循环空气以增加气水接触的办 法来促使氨从水中向大气转移，当水中的p h 值升高到1 1 左右时，水中的氢氮几乎全部以 n h 3 的形式存在，若加以搅拌、曝气等物理作用可促使氨气从水中向大气转移。这种工 艺的优点是：除氨效果好、运行稳定、操作简便，容易控制。缺点是：逸出的氨气会造 成二次污染；使用石灰易生成水垢；水温低时脱氨效率降低；易堵塞喷孔。 4 青岛理工大学硕士学位论文 离子交换法是利用离子交换树脂对各种离子所表现的不同的亲和力或选择性，去除 水中的离子态氨，对污水进行除氨处理。 折点氯化法，是将足够的氯气或次氯酸钠投入到废水中，当投入量达到某一点时， 废水中所含的氯含量较低，而氨氮含量趋向于零；当氯气通入量超过此点时水中的游离 氨含量上升，此点常称为折点，在此状态下的氯化称为折点氯化，废水中的氨氮常被氧 化为氮气而被脱去。此法通常可使出水中氨氮浓度小于0 i m g l 物理化学法由于存在运行成本高、对环境易造成二次污染等问题，实际运用中受到 一定的局限i 习。微生物脱氮技术具有处理效果好、处理过程可靠、处理成本低、操作管 理方便、能较彻底的脱除废水中的氨，并且不会造成二次污染，能耗低等优点而得到广 泛运用，为水体中氮的去除提供了有效手段。 微生物脱氮技术按微生物在系统中的不同状态，可分为悬浮污泥法( 活性污泥法) 和 生物膜法【6 l ，其分别采用活性污泥反应器与生物膜法反应器作为好氧缺氧反应器，实现 硝化反硝化以达到脱氮的目的。 常见的生物脱氮流程可以分为三类：( 1 ) 多级污泥系统；( 2 ) 单级污泥系统；( 3 ) 生物 膜系统。其中多级污泥系统常被称为传统的生物脱氮流程。目前，应用较多的污水处理 工艺属于单级活性污泥法，脱氮系统有a o 工艺、a 2 o 工艺、氧化沟工艺、s b r 工艺 等1 7 , q ，大多数具有脱氮功能。 a o 生物脱氮工艺流程见图i - i ，a ot 艺即缺氧好氧工艺，缺氧区、好氧区分别 在同一构筑物中被分隔的两个部分或两个独立的构筑物中。反硝化反应器在前，反硝化 在缺氧条件下完成；含碳有机物的去除、含氮有机物的氧化和氨氮的硝化反应的综合反 应器在后，此三项反应在好氧条件下运行。该工艺占地面积少，流程简单，不需外加碳 源，又能充分反硝化且易于控制污泥膨胀。不足之处在于：( 1 ) 处理水来自硝化反应器， 处理水中含有一定浓度的硝酸氯，若沉淀池运行不当，不及时排泥，池内能发生反硝化 反应，污泥上浮，影响出水水质；( 2 ) 欲提高脱氮率，必须加大内循环回流比，这样一 是增高运行费用，二是内循环液带入大量的溶解氧，使反硝化反应器内难以保持理想的 缺氧状态，影响反硝化进程；( 3 ) 脱氮率低，易受冲击。 青岛理工大学硕士学位论文 进水 出水 图1 - 1 4 0 i 艺流程 f i g 1 - 1t h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s so f a o a ：o 是a n a e r o b i c a n o x i c o x i e 的简称，该工艺是在a oi 艺前增加设置了厌氧区。 在厌氧区，废水中的部分难降解有机物得以降解去除，改善了废水的可生化性，为后 续的缺氧段提供适合反硝化的碳源。到好氧区，此时有机物浓度己相当低，也有利于 自养硝化菌的生长。由于厌氧区的设置，可促进菌胶团的细菌繁殖并抑制丝状菌在缺 氧池和好氧池中繁殖，从而有利于生物脱氮。该工艺的缺点( 1 ) 占地面积大；( 2 ) 由 于脱氨效果取决于混合液回流比，而a 2 o 工艺的混合液回流比又不宜太高，因此脱氮 效果不能满足较高要求。该工艺流程见图1 2 混合液回流 图1 - 2a 2 o a ：艺流程 f | g 1 - 2 t h et e c h n o l o g i c a lp so f a 2 o c a r r o u s e l 氧化沟和三池式氧化沟工艺是利用空间的好氧、缺氧变化达到硝化脱氮的 目的。在环状的氧化沟中一点或多点设置曝气机，污泥沿氧化沟循环流动，在曝气机的 下游为好氧区，进行除碳和硝化反应，远离曝气机的硝酸盐进行反硝化反应，c a r r o u s e l 氧化沟节省能源且运行成本低，但占地面积较大。 s b r 法作为一种较早的污水活性污泥处理系统，随着自动化技术的提高加上其自 身的许多独到之处而愈发受到重视。s b r 工艺可以通过限制曝气或半限制曝气等运行方 式在时间上实现缺氧好氧的组合，并对每一部分的时间比例作合适的控制，以达到脱氮 的目的。相对于a o 系统，能省去混合液回流和污泥回流，大大降低了运行费用。但其 自动化程度高，费用高，给其广泛应用带来限制。 常规的活性污泥脱氮系统虽然有一定去除氮氮的处理效果，但总的来说仍然存在着 青岛理工大学硕士学位论文 诸如硝化茵群增殖速度慢且难以维持较高生物浓度，因而造成系统总水力停留时问较 长，氨氮负荷较低，增加了基建投资和运行费用；同时系统抗金属及有机物冲击的能力 不强、动力费用高、脱氮效率不高等缺点。 生物膜法脱氮系统1 9 j 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。三级生物滤池脱氮率高，反硝化速率最高可达1 0 k g n ( m 3 d ) ，出水n 0 2 1 0 m g l ，且出水t s s 1 o m l ，其不需增加反应器容积能达到很好的脱氮效率。但其 反冲洗后恢复时间长及外加碳源增加了运行费用，不太适合我国国情。 近年来国外出现了一些新的工艺。如荷兰d e f t 大学开发了s h a r o n 工艺和厌氧 氨氧化( a n a m m o x ) i 艺以及s h a r o n a n a m m o x 联合工艺【。s h a r o n 工艺主要是 将硝化反应控制在亚硝化阶段，然后在缺氧条件下，以有机物为电子供体，将亚硝酸盐 反硝化生成氮气。该工艺实际上是一种短程生物脱氮工艺。厌氧氨氧化( a n a m m o x ) - r 艺则是在厌氧条件下，以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体，将氨氮氧化为氮气，这是一种 全新的生物脱氮工艺，完全突破了传统生物脱氮工艺的基本概念。比利时g e m 微生物 生态实验室研发了氧限制自养硝化反硝化( o l a n d 工艺) 工艺，该工艺的关键是控制 溶解氧，使硝化过程仅进行到n h 4 + 氧化为n 0 2 阶段，由于缺乏电子受体，由n 地+ 氧化 产生的n 0 2 一氧化未反应的n h 4 + 形成n 2 。这些新的工艺涉及的机理较复杂，目前主要处 在实验研究阶段，在一定程度上代表了今后生物脱氮研究趋势。 1 6 硝化细菌的概述 硝化细菌( n i t r i f y i n gb a c t e r i ao rn i t r i f i e r ) 是一类好氧细菌，能在有氧气的水中或沙 砾中生长，并在氮循环水质净化过程中扮演着重要的角色。它们包括形态互异类型的一 些杆菌、球菌以及螺旋型细菌，属于绝对自营性微生物的一类，是历史上最早发现的表 现为化能无机自养型的微生物。 1 6 1 硝化细菌的分类 目前，已知的化能无机自养型硝化细菌均不能将氨直接氧化成硝酸盐。将氨氮氧化 为硝态氮的过程是2 类不同的细菌连续作用的结果。一类是氢氧化菌，即亚硝酸细菌， 7 青岛理工大学硕士学位论文 它们把氨氢转化为亚硝酸盐；另一类是亚硝酸氧化菌，即硝酸细菌，它们将亚硝酸盐氧 化为硝酸盐。 1 6 2 硝化细菌的特征 硝化细菌是化能白养菌类群中的主要生理类群之一，其主要特征如下： l 、硝化细菌的大多数种类都是专性化能的自养菌，除了维氏硝化杆菌中的某些菌 株能同化乙酸盐，进行兼性自养生长外，其它的种类几乎都不能在有机培养基上生长， 也不需要外源生长因素。并且亚硝酸细菌与硝酸细菌这两个生理亚群对底物的要求非常 专一，亚硝酸细菌阻氨作为能源，硝酸细菌以亚硝酸盐作为能源。 2 、硝化细菌的所有种类均生长缓慢。平均世代时间在l o l l 以上。 3 、硝化细菌均为专性好氧菌，以0 2 为最终电子受体。 4 、无芽抱，都是g 一细菌。 5 、对溶解氧、温度、p h 等外界因素的变化反应灵敏，易受外界环境的影响。 1 6 3 脱氮原理 废水生物脱氮的基本原理是在传统二级生物处理过程中，污水中的含氮有机物首先 被异养型微生物转化为氨氮，然后在好氧条件下，通过好氧的自养型硝化和亚硝化菌的 作用，将废水中的氨氮氧化为亚硝酸盐氮或硝酸盐氮，最后在缺氧条件下，利用反硝化 细菌将亚硝酸盐和硝酸盐转化为氮气从废水中逸出，从而达到从废水中脱氮的目的。 1 6 4 影响硝化过程的外界因子 由于硝化细菌化能自养的特殊性，导致硝化细菌易受外界因素的影响，其影响因 子主要有以下几点： 1 、溶解氧 硝化细菌正常代谢需要溶解氧，溶解氧的浓度影响硝化反映的快慢。在硝化阶段 由于反应必须在好氧条件下进行，因此溶解氧应维持在2 0 - 3 0 m g l 为宜。当其低于 0 5 - 0 7 m g l 时，氨氮转化为硝态和亚硝态氮的硝化反应将受到抑制。研究表明，较低的 溶解氧浓度将影响硝化细菌的生物代谢。 2 、温度 温度对硝化细菌的生长和硝化速率有较大的影响。一般的硝化细菌是中温生长菌， 其适宜的温度范围为2 0 3 0 ( 2 。若温度低于1 0 ( 2 以下，硝化细菌的生长显著减慢。若温 3 青岛理工大学硕士学位论文 度高于3 5 c ，则对硝化细菌的酶系具有破坏作用，硝化细菌的生命将受到潜在的威胁。 硝化细菌能承受最高温度的上限为4 0 c ，所以在任何情况下，都应注意保持硝化反应 器温度的稳定性，以避免极端温度和瞬变温度给硝化作用带来的不良影响。 硝化反应的最适宜温度为3 0 3 5 ( 2 。当温度在5 - 3 5 ( ? 之间由低至高逐渐过渡时， 硝化反应的速率将随温度的升高而增快；当温度低于5 时，硝化反应几乎停止。 3 、c n 呵比 在生物脱氮的反硝化过程中，c n 比是控制脱氮效果的一个重要因素。其比值越低， 反硝化过程除去的氮越少。据计算其理论值为2 8 6 ，也就是转化l g n 0 3 - n 为n 2 所需的 碳源有机物为2 8 6 9 ，实际工程运行操作时此比值应大于3g 以上。 4 、污泥龄 对于活性污泥系统，由于硝化菌比增长速率低，世代期长，如果泥龄较短，将使硝 化菌来不及大量增殖，就从系统中排出。为使活性污泥系统得到良好的硝化效果，就必 须有较长的泥龄。一般生物脱氮工艺中的污泥龄在2 - 4 d ，有的可高达1 0 1 5 d ，甚至3 0 d 。 较长的泥龄可增加生物硝化的能力，并可减轻有毒物质的抑制作用；但过长的泥龄将降 低污泥的活性而影响处理效果。 5 、p r l 值 酸碱度也是影响硝化作用的重要环境因子之一。硝化细菌喜欢偏微碱性环境，适宜 的p h 值范围为7 5 8 5 。对于亚硝酸细菌会选择此范围的上限，其最佳p h 范围为 7 88 0 。而硝酸细菌的最佳p h 范围为7 3 7 5 。当p h 7 时，亚硝酸细菌的生长缓慢； 若p h 6 5 时，其生长将受到抑制；当p h 6 0 时，系统中硝化作用就会停止。 6 、有机物 硝化细菌属于典型的自养细菌，有机物对于硝化细菌是否具有毒害作用是人们普遍 争论的问题。近年来，越来越多的研究表明，有机物对硝化细菌的影响并非是毒害作用， 更为可能的是有机物的存在使异养细菌迅速生长，从而与硝化细菌竞争溶解氧、氨和微 量营养物质，使得硝化细菌的生长受到限制，而有机物本身并不直接影响硝化细菌的生 长与硝化作用。 7 、有毒有害物 一些重金属、氰化物、砷化物等有害物质在一定浓度下对硝化作用有抑制作用，因 此在废水的生物脱氮过程中必需注意对这些有毒有害物质的浓度的控制。 9 青岛理工大学硕士学位论文 1 7 固定化细胞技术 固定化细胞技术是用化学或物理的手段将游离细胞定位于限定的空间区域，并使 其保持活性，反复利用的方法，是六十年代发展起来的新技术。最初主要用于微生物的 发酵生产。固定化细胞有细胞密度高，反应速度快，微生物流失少，产物分离容易，反 应过程控制较容易等优点，与游离细胞相比，明显的显示出优越性。七十年代后期，由 于水污染问题日趋严重，迫切要求开发高效废水处理新技术。利用固定化细胞技术，可 以将选择性地筛选出的优势菌种加以固定，构成一种高效的废水处理系统。八十年代初， 国内外开始应用这种具有独特优点的新技术来处理工业废水和分解难生物降解的有机 污染物，并取得了令人瞩目的成就。正如t r a m p e r 所言，固定化细胞技术用于废水生物 处理，其技术长处体现在：高效率地保留催化活性、防止抑制性物质对细胞产生毒害、 以及有助于中间体的形成，提高基质矿化效率。因此该技术在废水处理，尤其是特种废 水处理领域中，具有广阔的应用前景 1 1 , 1 2 1 。 1 7 1 固定化细胞的制备方法 固定化微生物技术是将微生物固定在载体上使其高度密集并保持其生物活性功能， 在适宜的条件下还可以增殖以满足应用之需的生物技术。这种技术应用于废水处理，有 利于提高生物反应器内的微生物浓度，有利于反应后的固液分离，缩短处理所需要的时 间。此外还可以有效的实施对氮及其它重金属离子的去除。 固定化细胞的制备方式是多种多样的，任何一种限制细胞自由流动的技术，都可以 用于制备固定化细胞，国内外不同的研究工作者用不同的分类方法，因此，很难对此作 出精确的分类。一般来说大致可以分成吸附法、共价结合法、交联法和包埋法等四大类， 其中以包埋法使用最为普遍1 。 1 7 1 1 吸附法 很多物质都有吸附到固体物质表面，或其他细胞表面的能力，这种吸附能力可以 是天生就有的，也可以是经过处理诱导产生的，依靠这种吸附能力，人们发展起很多廉 价而又有效的固定化方法吸附法。 吸附法可以分为物理吸附法和离子吸附法，前者使用具有高度吸附能力的硅胶、活 性炭、多孔玻璃、石英砂和纤维素等吸附剂将细胞吸附到表面上使之固定化。这是一种 最古老的方法，操作简单，反应条件温和，载体可以反复利用，但结合不牢固，细胞易 脱落。后者是根据细胞在解离状态下可因静电引力( 即离子键合作用) 而固着于带有相异 1 0 青岛理工大学硕士学位论文 电荷的离子交换剂上，如d e a e 一纤维素、d e a e s e p h d c x c m 一纤维素等。 从本质上来看，吸附固定法是微生物自我固定，它在废水生物处理中已广泛应用， 如生物塔滤池、生物接触氧化法、厌氧滤器、厌氧流化床等生物膜，以及上流式污泥床 内厌氧颗粒污泥，都是依靠微生物吸附于载体( 填料) 表面或自聚凝而成，尽管成膜过程 或颗粒化过程的机理不甚清楚，但技术工艺已非常成熟i l “。 1 7 1 2 共价结合法 共价结合法是细胞表面上功能团和固相支持物表面的反应基团之间形成化学共价 键连接，从而成为固定化细胞。该法细胞与载体之间的连接键很牢固，使用过程中不会 发生脱落，稳定性好，但反应条件激烈，操作复杂，控制条件苛刻。 1 7 1 3 交联法 交联法和共价结合法一样，都是靠化学结合的方法使细胞固定化，但交联所采用的 载体是非水溶性的。如采用戊二醛或偶联苯胺等带有两个以上的多能团交联剂与细胞进 行交联，可形成固定化细胞，但反应条件激烈，对细胞性影响大。千烟一郎曾用此法制 得具有天门冬氨酸活力的固定化大肠杆菌细胞i l m 。 1 7 1 4 包埋法 包埋法是细胞固定化最常用的方法。按照包埋系数的结构可分为凝胶包埋和微胶囊 法，即将细胞包裹于凝胶的微小格子内或半透明膜聚合物的超滤膜内，该方法操作简单， 对细胞活性影响小，制作的细胞球的强度较高，目前广泛应用于废水处理。 尽管固定化方法多种多样，但没有一种理想的、普遍适用的方法。各种固定化方法 比较总结如表1 - 1 所示： 表1 - 1 固定化方法的比较 t a b 1 - 1t h ec o m p a r eo f t h ei m m o b i l i z a t i o nm e t h o d s 青岛理工大学硕士学位论文 上述固定化技术均在某些方面存在一定的不足，如交联法的突出优点是可以获得很 高的细胞密度，但由于缺乏良好的机械强度而不能得到广泛的应用；吸附法的固定操作 简单，条件温和，而且载体可以再生，但是细胞与载体之间的结合力较弱，因此操作的 稳定性不好；包埋法有较好的综合性能，催化活性保留和存活力都比较高，成为整个固 定化生物催化剂技术中应用最广泛的固定化方法，但是包埋法的扩散阻力较大，使细胞 的催化活性受到限制，且不适用于涉及大分子物质的反应。为获得较高固定化强度和较 高的微生物活性的固定化微生物，通常采用“两法结合”的改进方法，如先用结合固定 化方法将微生物吸附到载体上，再利用交联法将微生物交联起来形成“细胞网”结构； 或可以先用结合固定化方法处理后再用高分子聚合物进行包埋等。这样可以克服结合固 定化方法强度低和交联固定化方法影响微生物活性的问题。此外还可以利用载体置换的 方法来提高固定化的强度和微生物的活性，如将固定后的海藻酸钠置换成海藻酸铝，用 聚丙烯酰胺溶液来处理海藻酸凝胶等，均可提高固定化的强度。 在实际应用过程中，如何固定、选择何种载体才能使固定化微生物能较长时间的保 持一定强度和活度，才能降低固化的成本，延长固定微生物的使用寿命，是该技术在污 水处理中得到广泛应用的关键。载体的选择要考虑以下原则：( 1 ) 具有足够的机械、物 理和化学稳定性；( 2 ) 具有惰性，不能干扰生物分子的功能；( 3 ) 具备一定的容量；( 4 ) 价廉易得。应用中，有载体的单独使用，也有它们的结合使用。各研究工作者还是应根 据自己所选择的菌种和使用的情况，进行固定化方法、固定化载体及固定化条件的选择 和改进。 1 7 2 固定化细胞载体的特性及研究状况 1 7 2 1 固定化细胞载体的特性 一种比较理想的固定化载体需要具有以下特点：& 具有高的载体活性，固定化酶或 微生物的活性回收率要高；b 材料要容易获得；c 价格便宜；d 操作制备方便，能适用于 大规模生产；e 有较高的机械强度，能较长时间使用和重复使用。 固定化细胞的载体归纳起来可以分为两大类1 1 6 1 ：一类是天然高分子凝胶载体，如琼 脂、角叉莱胶、海藻酸钙等；另一类是有机合成高分子凝胶载体，如丙烯酰胺( 简称 a c r m ) 凝胶、聚乙烯醇( 简称p v a ) 凝胶、光硬化树脂、聚丙烯酸凝胶等。天然高分子 凝胶一般对生物无毒，传质性能较好，但强度较低，在厌氧条件下易被生物分解【1 ”。有 机合成高分子凝胶一般强度较好，但传质性能稍差，在进行细胞包埋时有时对细胞活性 青岛理工大学硕士学位论文 有影响。目前，所采用的载体主要有以下几种：琼脂、明胶、海藻酸钙( 简称s a ) ，聚乙 烯醇( 简称p v a ) 和丙烯酰胺( 简称a c g m ) 。在这五种包埋剂中，琼脂机械强度极差， 无实际工程应用；a c r m 凝胶中未聚合的单体对生物有毒，且在聚合过程中发热，对细 菌杀伤大，传质性能较差，固定化细胞小球内的微生物增殖不好，但是固定化操作容易； 明胶强度较低，内部结构密实，传质性能较差；s a 凝胶和p v a 凝胶的机械强度较好， 电镜观察表明内部呈多孔结构，对生物的毒性小，固定操作容易。对s a 凝胶和p v a 凝 胶进一步的研究表明，p v a 凝胶的机械强度优于s a 凝胶，但s a 凝胶的传质性能比p v a 凝胶好。 1 7 2 2 固定化细胞载体的研究状况 以海藻酸盐、琼脂等为代表的天然高分子凝胶虽然有价廉易得、对生物无毒、传质 性能好的特点，但强度低、厌氧条件下易被生物分解，有不少改善研究报道。为了克服 海藻酸钙凝胶在使用过程中不能抵抗细胞生长必需的高浓度的磷酸盐和m g ”、k + 、n a + 等阳离子，不耐热、凝胶强度不够及易破碎溶解的不稳定性质，杨连栋”等用聚丙烯酰 胺溶液来处理海藻酸钙凝胶，中野【l9 】将固定成型后的海藻酸钙凝胶置换成海藻酸铝，段 俊英口0 1 等通过加入淄醇、不饱和脂肪酸及改变c a c l ：浓度等均可达到提高凝胶粒子的机 械强度，改善固定化细胞稳定性的目的。琼脂化学性质稳定，但强度低、透过性差，添 加聚丙烯酰胺一类聚合物可加强琼脂强度。用海藻酸钙浸泡使琼脂珠成为多孔状不仅可 提高其强度，还能提高其扩散性能。 合成高分子凝胶一般比天然高分子的强度好，但其传质性能较差，在进行细胞包埋 时有时会影响其活性。为此，围绕最常用的聚丙烯酰胺( p a m ) 及聚乙烯醇( p v a ) 的改性 有很多报道。周定1 2 i l 采用冷冻p a m 聚合方法包埋黑曲霉生产柠檬酸，包埋的微生物活 性高，适应期短，可重复使用1 5 批次，使用3 0 0 小时后活性无明显下降。在p a m 固定 葡萄糖异构酶时，在聚合过程中添加葡萄糖可保护酶活性不变。采用p a m - p v a ，p a m - 琼脂等复合固定的方法均有良好效果。还有在聚合过程中添加木屑、多孔硅或纤维素等 成形助剂的专利报道 2 2 1 。p v a 凝胶常用冷冻法及硼酸法 2 3 , 2 4 来制备，其强度较高、价格 低廉、对生物的毒性比p a m 小，是通用的固定化载体之一。据报道，在p v a - 硼酸法中， p v a 的最适浓度为7 5 1 0 。为克服交联不彻底导致使用中少量成份溶出及高温时强度 下降的缺点，据报道，在p v a 凝胶制各过程中加入少量粉末活性炭，可提高凝胶强度， 同时，这种复合凝胶制成的固定化细胞在进水不稳定，难降解组分突然进入处理系统的 情况下与单一p v a 凝胶相比显示出优势 2 5 , 2 6 1 。 青岛理工大学硕士学位论文 现阶段，有学者成功地运用了以p v a 为载体主要成分，适量添加少量海藻酸钠和 活性炭【2 7 ，其优点是町以克服两液滴粘连现象，有助于颗粒成型，改善通透性，增加 固定化颗粒的空隙，达到吸附和包埋的双重效果。另有学者采用无纺布p v a 复合载体 对优势菌种进行包埋同定降解有机物，取得了理想的效果【2 9 】。 l 7 2 3 固定化细胞在脱氮领域的应用 s h a n 等3 0 1 用固定化硝化细菌去除对虾养殖池中高浓度的氨氮。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。 s u m i n o 等人以1 1 种人工合成的高聚物为载体，研究了载体性质对固定化硝化菌活 性的影响，发现用p e g m 为载体固定化硝化菌的相对活性高于p e g a , 并且随载体分子 量增加，固定化细胞活性增大；固定化细胞在较高的负荷( 1 1 4 k g n m l d ) 下处理人工合成 的氨氨废水，可使出水n h 4 + - n 2 m g l ，氮去除率达9 0 附”】。 w i l l k e 和v o d o p 用p v a 包埋硝化菌，以n h 2 。为底物，研究y p h 、温度对固定化细胞 机械强度和稳定性的影响。运行5 个多月固定化细胞的机械强度和活性没有改变，固定 化细胞在很宽的p h 范围( 4 5 1 0 ，0 ) 内具有催化活性，特别是对低p h 显示出很强的适应 性，温度低至1 仍显示出明显的硝化活性1 3 2 】。v a n o t t i 等”3 悃p v a 冷冻法把硝化污泥固 定在3 5 m m 的聚乙烯醇小球里用来处理养猪废水，当i i r t 为4 h 时，n 时- n 的硝化率为 5 6 7 m g d 在日本，研究人员把固定化硝化菌投加到a o 工艺的曝气池