（环境工程专业论文）固定化微生物处理低浓度含氮废水的研究.pdf

硕士论文固定化微生物处理低浓度含氮废水的研究 摘要 本文通过控制外在条件如温度、p h 值、溶解氧等，从而达到富集硝化菌以及亚硝 化菌的目的。同时通过对固定化微生物在低氨氮浓度时的亚硝化作用的研究，从氨氮的 去除率和亚硝酸盐的累积率来看，在低浓度的情况下亚硝化反应是可以发生的，即在低 浓度的情况下将硝化反应控制在亚硝化阶段是可行的。 本文用包埋法对硝化菌进行包埋固定，并讨论了固定化硝化菌处理低浓度含氮废水 的影响因素研究，通过单因数实验看出，在进水氨氮浓度在1 5 m g l 以下的废水中，当 反应器内的填充率为1 0 时，溶解氧控制在8 - 4 - 0 3 m g l ，p h 值控制在7 5 8 之间，温度 应控制在2 8 + 2 左右时，硝化反应得到最佳反应效果。在此条件下进行反应，氨氮去 除率达8 7 左右，硝酸盐累积率也可以达到8 5 。 另外试验还进行固定化硝化菌与电极生物法联用的实验研究，通过控制反应条件， 整个系统有着较好的脱氮效果。 关键词：固定化，硝化菌，低浓度含氮废水，电极生物法 a b s t r a e t 硕士论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ee n r i c h m e n to fn i t r i f y i n gb a c t e r i aa n da m m o n i ao x i d i z i n g b a c t e r i ab yc o n t r o l l i n gt h ee x t e r n a lc o n d i t i o n ss u c ha st e m p e r a t u r e ，p h ，d i s s o l v e do x y g e n ， e t c a tt h es a m et i m e ，t h eb a l lo ff i x e da m m o n i ao x i d i z i n gb a c t e r i ai nl o wc o n c e n t r a t i o na tt h e t i m eo ft h e s t u d yw a sr e s e a r c h e d t h ea c c u m u l a t i o no fn i t r i t ei n t r e a t m e n to fl o w c o n c e n t r a t i o na m m o n i aw a s t e w a t e rc o u l db eo c c u r r e d ，a c c o r d i n gt ot h er a t eo fa m m o n i a n i t r o g e nm o v i n ga w a ya n de f f l u e n ta c c u m u l a t i o no fn i t r i t t h i sp a p e rd i s c u s s e dam e t h o dt oi m m o b i l i z en i t r i f y i n gb a c t e r i ae m b e d d e dp r o c e s s i n g w a s t e w a t e rc o n t a i n i n gl o wc o n c e n t r a t i o n so ft h e i n f l u e n c i n gf a c t o r s ，as i n g l e f a c t o r e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i ai nt h e15 m g lb e l o w ，w h e naf i x e d i m m o b i l i z em i c r o c e l lo ft h ef i ur a t e10 ，d i s s o l v e do x y g e nc o n t r o l l e da t8 士0 3 m g l ，p h v a l u ec o n t r o l l e da tb e t w e e n7 5 - 8 ，t e m p e r a t u r es h o u l db ec o n t r o l l e da ta r o u n d2 84 - 2 ，t h e n i t r i f i c a t i o np r o c e s st ob et h eb e s tr e s p o n s et ot h ee f f e c t c o n d i t i o n si nt h i sr e a c t i o n , a m m o n i a n i t r o g e nr e m o v a lr a t er e a c h e da b o u t8 7 ，n i t r a t ea c c u m u l a t i o nr a t eo f8 5p e r c e n tc o u l db e a c h i e v e d a n o t h e rt e s tw a sa l s oc a r d e do u t 、) l ，i t l lt h ei m m o b i l i z e d1 1 i 仃i l y i n gb a c t e r i aa n d b i o l o g i c a l - e l e c t r o d em e t h o di nc o n j u n c t i o n 、析mr e s e a r c h ，b yc o n t r o l l i n gt h e r e a c t i o n c o n d i t i o n s t h ew h o l ed e n i t r i f i c a t i o ns y s t e mh a db e t t e rr e s u l t k e yw o r d s ：i m m o b i l i z a t i o n ，n i t r o b a c t e r i a ，l o wc o n c e n t r a t i o na m m o n i aw a s t e w a t e r b i o l o g i c a l - e l e c t r o d er e a c t o r i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：盔多垄! 哆私月彩日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：j 牡 _ 龟年否月妇 硕士论文固定化微生物处理低浓度含氮废水的研究 1 绪论 1 1 研究背景 随着城市的高速发展以及人们生活水平的提高，现今排放到水体中氨氮的含量已经 达到一个较高的水平，最终排放到环境中的氮营养物质对人类的生存环境所造成的影响 也越来越严重l l j 。 需要注意的是水体中氨氮的过量存在会大量消耗水体中所含有的溶解氧的量，使得 水体中溶解氧浓度迅速降低，造成水生动物缺氧死亡。水体中存在的游离氨也会对人类 自身以及水中的鱼类造成严重的毒害作用，而过高的氨氮浓度会引发藻类的大量繁殖， 最终会引起水体出现水华或是赤潮现象1 2 j 。现今，我国湖泊、水库以及江河的水体富营 养化发展趋势非常地迅速，在1 9 7 8 1 9 8 0 年间我国的大多数湖泊处于中营养化状态，贫 营养状态湖泊占总调查面积的3 2 ，而富营养状态湖泊则占到5 o 左右。但是短短十 年间，贫营养状态湖泊开始向中营养状态湖泊过渡，结果使得在贫营养状态下的湖泊所 占评价面积比例迅速降低到0 5 3 ，中营养状态的湖泊则开始向富营养状态过渡，最终 富营养化湖泊所占评价面积比例剧增到5 5 0 1 ，拿武汉汉江来说，其下游水质急剧恶 化已经呈富营养化状态，近年间曾经2 次出现“水华”现象，使得水体中的藻类急剧的繁 殖【3 1 。 因此，越来越尖锐的水环境污染以及水体湖泊的富营养化问题，迫使越来越多的国 家和地区开始制定更为严格的污水氨氮的排放标准。而我们国家新近出台的城镇污水 处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 中对氮素的排放标准就做了一定程度的提高， 其中对于一级a 标中规定氨氮的排放标准提高到5 ( 8 ) m g l 1 4 。由于现今的污水排放 标准要求越来越高，但传统的氨氮处理技术在处理后往往还有一定量的氨氮残留，很难 做到深度处理。因此，研究开发针对低浓度氨氮污水并对其进行深度处理己成为水污染 控制工程领域的研究重点和热点。 1 2 固定化微生物技术 由于水污染问题的日趋严重性，迫切需要开发出高效的废水处理的新技术。固定化 微生物这项新工艺已越来越对的被应用到废水处理领域，该技术是采用化学或者物理方 法将游离的微生物固定在载体上使其高度密集的一种技术方法。在这个过程中微生物的 活性同时得以保持并且可以达到反复利用的目的，固定化后的微生物系统可以保持着较 高的生物浓度和处理效果i o j 。从上个世纪8 0 年代开始，我国的学者就开始用固定化微 生物处理废水，做了许多基础性研究并取得了一系列研究成果。 1 绪论硕士论文 1 2 1 固定化微生物技术的特点 总体上讲被固定化后的微生物整体结构性质更为稳定，对外界恶劣环境的影响有着 较强的抵抗能力。固定化后的微生物通过与载体之间发生的作用力使得主键结构得到巩 固，同时在反应器中也易于实现流态化。同时从另一方面得知，经过固定化后会造成其 生物活性有所减弱，但是由于固定化技术而使得微生物在一定空间区域内具有很高的浓 度，所以生物活性在一定程度上并没有受到较大的影f 7 j 。 总结一下，与普通的生物处理法相比，固定化微生物技术的主要特点表现在以下几 占【8 1 、 ( 1 ) 由于固定化微生物技术能保证较高的生物量以及微生物浓度，使得整个系统的处 理能力有着大幅的提高。有利于实现反应后的固液分离，可缩短反应时间。 ( 2 ) n 定化后的细胞剩余污泥产生量远远低于普通生物法所产生的剩余污泥量。 ( 3 ) 对难降解的有机废水，重金属废水以及印染废水等都能进行有效的处理。固定化 微生物技术可将特种微生物浓缩固定，以保证对于上述含有特殊目标物的废水进行有效 的处理。采用包埋固定的微生物被一些聚合物所固定在一定的空间内，限制了微生物与 外界环境中各种有毒有害物质的接触，以致于微生物的活性不会受到较为严重的危害。 ( 铆固定化微生物技术给高效菌种的纯化和活性的保持提供了一定的条件，最终使得 整个系统都能够保持一个较高的去除率和较强的稳定性。 1 2 2 固定化微生物制备方法 对于微生物的固定方法就总体而言，在通常情况下只要能满足微生物或者是其他种 类反应物的可透过性，并且可提供适合反应的空间，就可以作为微生物的固定方法。现 今使用中的制备方法大致可分为交联法、载体结合法以及包埋法三个大类【9 】。 交联法【lo 】是利用所使用的交联物质中含有的功能团与微生物自身所带有的某些氨基 酸基团发生交联反应，并且利用二者之间所形成的共价键使得微生物被固定在载体上的 的一种技术方法。由于交联过程的反应较为激烈继而对微生物的活性影响较大，最后得 到的固定化后的微生物对废水的处理效果受到影响，使得交联法在工程上的应用一直受 到限制。 通过微生物与载体发生的作用，从而将微生物固定在载体上的，而这种作用包括物 理、离子以及化学作用，这种固定微生物的方法称之为载体结合法【1 1 1 。在采用载体结合 法时整个固定化过程所需要的反应条件并不会对微生物的活性造成太大的影响，操作方 法也比较简单，但是通过与载体结合的这种固定方法所固定的微生物的数量有限，而且 使用中会造成微生物部分脱落，这些缺点限制了载体结合法的应用推广。 工程中应用较多的包理固定法则是通过所选用的材料所能形成的类网络或者是微囊 结构，并且利用这种结构将微生物包裹在其内部，以达到固定化目的的一种技术方法【l2 1 。 2 硕士论文固定化微生物处理低浓度含氮废水的研究 因为包埋法相较而言对微生物活性影响也较小，操作简单，所以包埋法一直都研究者的 关注。其中包埋法所需要的包埋载体的研究也是固定化微生物技术研究的重点之一，据 了解琼脂、角叉莱胶、海藻酸钠等这类天然的高分子载体，以及聚丙烯酰胺、聚乙烯醇 ( e v a ) 、光硬化树脂、聚丙烯酸等有机合成的高分子载体，是现今所选用的较为广泛的 两类包埋材料。 1 2 3 固定化微生物技术处理废水的研究现状 1 2 3 1 固定化微生物处理含氮废水 近年来，国内外科研人员对硝化细菌和反硝化细菌单独混合固定以及固定化细菌的 脱氮性能做了大量的研究【l 引。研究发现，固定化微生物技术在脱氮方面有着很好的应用 前景。与普通的脱氮技术相比，固定化微生物方法有着更高的脱氮速率，使得微生物对 环境的适应性更强，是一种高效地水处理技术。 耿振群1 4 】等人采用聚乙烯醇一硼酸包埋固定从活性污泥中筛选出的硝化菌和反硝化 菌，对生活污水进行硝化反硝化工艺处理。试验结果表明：当废水中氨氮的浓度为4 5 m g l 时，p h 值为7 5 ，d o 为2 0 m g l ，在稳定运行后氨氮去除率可达9 6 。侯文华【”】等人 通过实验最终确立了脱氮微生物p v a h 3 8 0 3 包埋固定化方法。研究实验结果可以发现： 利用p v a h 3 8 0 3 包埋固定后的微生物可以在较为苛刻的环境条件下脱氮菌在固定化载 体中仍能保持较高的微生物浓度，系统运行期间一直保持着良好的处理效果，最终达到 脱氮目的。 谭佑铭【l6 】等人采用p v a 包埋反硝化细菌对模拟富营养化水环境中进行脱氮和有机污 染物的降解试验。实验结果表明：在经过4 0 天的处理后，原水中的反硝化细菌作用较 微弱，对照水样中无机总氮的去除率约6 7 。模拟水样中的硝酸盐氮的去除率分别为 6 6 1 ( 高浓度环境) 和2 5 3 ( 低浓度环境) ，最终认为向富营养化模拟水环境中投加 固定化反硝化菌，可以起到原位修复作用。有研究表明【l7 】：采用海藻酸钙作为载体包埋 固定反硝化细菌所构成的处理系统，对含有2 0 m g l 的硝酸盐的地下水进行脱氮试验在 较高的容积负荷下也能保持良好的处理效果。s h a n 1 8 】等人采用固定化硝化细菌去除养殖 池中所含有的较高浓度的氨氮。实验结果表明：固定化硝化细菌有着高效的去除养殖池 中氨氮的能力，即使投加的固定化颗粒的密度相对较小，但也能够获得较高的氨氮去除 率。 1 2 3 2 固定化微生物处理微污染源水的研究 需要指出的是，到目前为止用固定化微生物方法处理高浓度的废水有着广泛的研 究，并且都相应取得了较好的研究成果【l9 1 。然而对与低浓度废水而言，例如城市污水处 理厂的二级出水甚至是微污染源水方面报道相对较少，但是固定化技术在这一领域也有 了一定的研究成果。翟晓萌1 2 0 j 以黄浦江水为处理源水，将筛选出来的菌种用海藻酸钠为 1 绪论硕上论文 载体进行固定化包埋，结果表明，菌体浓度为l g l 2 9 l ，处理温度为2 0 c 时，对源水 中起始浓度在1 0 m g l 1 5 m g l 之间的t o c 具有2 0 3 0 的降解率。廖日红f 2 l l 采用i b a f 系统处理河流微污染水体，处理后各污染物的去除率分别达n - c o d 盯6 0 以上、 c o d m n 3 0 以上、氨氮9 0 以上。马放四】采用筛选、驯化的工程菌，对g a c 进行固定 化，使之成为b a c ，经过研究发现b a c 柱的出水c o d m i i 2 5 m g l ，浊度 2 n t u ，有机 物种类减少，证明采用固定化b a c 去除水中微污染有机物是行之有效的。王璐【冽采用 固定化包埋硝化细菌借助气升式内循环好氧流化床反应器，对人工模拟低氨氮、低有机 物的微污染源水进行处理，研究结果表明在温度为2 4 ，h r t = 6 0 m i n ，p h = 7 1 7 3 的条 件下，当d o = g m g l 时对氨氮的去除率你可高达9 3 5 6 ，对c o d 的去除率为5 0 一6 0 ， 在微污染源水的处理过程中，固定化包埋硝化细菌有着较强的适应能力和较高的处理效 率。 1 2 3 3 固定化微生物处理难降解有机物废水 常规的生物处理方法很难对含有难降解物质的有机废水进行处理，因为能够降解这 类目标物质的微生物很难在常规的生物处理反应器中大量繁殖。由于固定化技术所具备 的一些特点，使得将微生物固定到载体上后能增加微生物的浓度而达到高效的处理效果 【2 4 】 o h u 等人【2 5 1 采用聚氨酯泡沫为载体成功的固定黄杆菌，并用固定后的黄杆菌降解五氯 酚。试验结果表明：固定化载体对五氯酚的吸附减轻了其对黄杆菌的毒性。外加的碳源 则可促进微生物的生长，最终整个系统有着良好的处理效果，同时实验采用底物抑制模 型预测出了五氯酚的降解过程。 1 2 3 4 固定化微生物处理重金属废水的研究 由于微生物被固定化后有着较强的稳定性和较强的抵抗有毒有害物质的能力，这些 特点使得在处理重金属离子废水时固定化微生物仍能获得良好的处理效果。 吴乾菁等人【2 6 】采用聚丙烯酰胺来固定酵母菌去除电镀废水中所含的二价铬离子，研 究结果表明：固定化微生物技术对二价铬离子的去除率高达9 8 9 ，然而未采用微生物 固定化技术的一般处理方法的去除率却只能达到3 7 6 。 此外，张欣华等人【2 7 】采用海藻酸钠作为载体包埋小球藻和叉鞭金藻，用这两种包埋 颗粒对n i 2 + 进行生物吸附效果对比，并研究了固定化小球藻和固定化叉鞭金藻对污水中 n i 2 + 的吸附率。试验结果表明：对同一种固定化微藻，处于对数生长中期时对n i 2 + 吸附 效果较好，且吸附过程主要在反应开始后的的4 h 内完成；从实验得知n i 2 + 浓度越大， 吸附率就越高；实验最终发现固定化小球藻比固定化叉鞭金藻的吸附率要高。 1 2 3 5 固定化微生物处理印染废水的研究 这一类废水的水质成分非常复杂，其特点是含有较多的有害有毒物质并且废水的色 度较大，用常规的生物法得到的处理效果微乎其微，通过研究发现一般技术很难达到较 4 硕士论文固定化微生物处理低浓度含氮废水的研究 好的脱色效果。固定化微生物技术固定混合脱色菌对印染废水进行处理研究结果表明： 固定化技术的脱色率高达8 5 1 5 ，而出水的色度可以保持在1 0 0 倍以下【2 8 】。 有研究表吲2 9 j ：采用聚乙烯醇作载体包埋固定混合细菌处理印染废水时，固定化后 的混合细菌在反应温度为3 0 之间，p h = 7 0 时发现，在为期一个月的稳定时间内整个 系统能保持较好的处理效果，并且在上述条件下都能保持着一个较高的生物活性，固定 化混合细菌有着较高的脱色率。 1 3 脱氮技术 1 3 1 物化脱氮技术 ( 1 ) 化学沉淀法 化学沉淀法是利用废水中含有的氨与投加的化学沉淀剂相互反应生成最终难溶物 质，而后通过沉淀达到去除废水中的氨氮的目的。化学沉淀法的优点在于有着较高的去 除效率，同时反应所生成的沉淀物可作为一种复合肥料，但是该方法所需的药剂投加量 较大增加了运营成本，也限制了该方法的发展【3 们。 ( 2 ) 蒸汽汽提法 蒸汽汽提法是通过调整废水p h 值将离子态铵转化为分子态氨，然后再通过气体作 用将液相中所含有的氨氮带入到气相中从而达到脱氮的目的。蒸气汽提法能有效的降低 废水氨氮含量，同时由于工艺特点使得释放出来的氨气可以重新进入生产系统合成氨， 以达到资源回用的目的，也可以减少氨氮污染，但是该方法在在实际操作时存在着处理 效率低能耗大，处理中反应装置内容易产生水垢从而影响后续的反应等缺点，然而通过 蒸汽汽提法处理的废水其最终的出水仍然需要进行后续处理才能够达标排放【3 1 1 。 ( 3 ) 离子交换法 利用交换树脂对非离子氨的吸附作用以及与离子氨的离子交换作用，二种作用相互 结合去除水体中的氨氮。离子交换法有着较高的去除率，但同时交换树脂的处理能力有 限，在处理高浓度的氨氮废水时需要频繁进行树脂的再生才能达到良好的处理效果，这 样就增加了造作难度和运行成本，而且交换树脂的再生过程需要利用高浓度氨氮废水， 如果不对再生液进行处理则其就会对环境造成二次污染。所以离子交换法适应中低浓度 的氨氮废水的处理p 引。 ( 4 ) 电催化氧化法 在常温常压下，通过电极的催化作用反应将反应物转化为中间物，从而达到去除污 染物的目的，这种工艺技术称为电催化氧化法。电催化氧化法有着较高的处理效率和简 便的操作引起了人们的注意，是一种值得开发的脱氮技术【3 3 1 。 ( 5 ) 折点加氯法 1 绪论硕士论文 折点加氯法阴】是通过加入的氯气与水中的氨氮反应，使其最终转化成氮气从水体中 去除的一种工艺方法。当反应出现拐点时水中游离氯含量最低，氨的浓度液降到最低甚 至是零。折点加氯法只适用处理低浓度氨氮废水，该方法有着较高的处理效率，但是反 应所得的副产物氯胺和氯代有机物会对水体和人类造成危害。 1 3 2 生物脱氮工艺 1 3 2 1 几种生物脱氮工艺 传统的活性污泥污废水处理系统，由于水力停留时间、泥龄等原因，导致硝化作用 和反硝化作用很不完全，水中氨氮的去除率很低。所以要想进行全程脱氮就必须对原有 活性污泥工艺进行改造。目前用于废水生物脱氮处理的主要有以下几种工艺： ( 1 ) 缺氧好氧( a o ) 脱氮工艺 这种工艺能充分利用废水中自身所带来的有限碳源来进行反应，可以相应的减少外 加碳源的量，整个工艺是采用内循环将部分硝化液回流至反硝化池进行反应，相应的缩 短了工艺流程降低了运行费用，但是由于出水含一定的硝态氮，造成了沉淀池中的污泥 很容易产生污泥上浮，使得最终的处理效果受到影响1 3 5 】。 ( 2 ) b a r d e n p h o 脱氮工艺 在a o 工艺中的好氧池后串连了一个缺氧池和一个曝气池，混合液在好氧池末端回 流至第一缺氧池。从混合液回流中获得大量的硝酸盐，沉淀污泥回流获得大量的反硝化 菌，都使得前置反硝化更有利。在b a r d e n p h o 工艺中废水到第一缺氧段时，可利用好氧 段回流及原水中的有机质进行反硝化，但是反硝化速率较快；而第二缺氧段内则主要进 行内源呼吸的反硝化反应，且速率较慢。但是整个b a r d e n p h o 工艺流程对城市污水有着 较高的处理效率，同时还有除磷的作用1 3 酬。 ( 3 ) 曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ，b a f ) 脱氮工艺 曝气生物滤池特殊的构造为硝化菌和反硝化菌创造了各自适宜的生长环境，利用填 料和生物膜的吸附作用，以及附着在填料上的硝化细菌和反硝化细菌的氧化分解的作 用，共同来完成曝气生物滤池对于水中氨氮的去除过程，能充分的发挥两种细菌的作用， 减少了反应所需的水力停留时间，保证了较好的出水水质。但如果存在进水中所含的有 机物过高的情况，以及进水中悬浮物的含量也较多的话，则较容易发生滤料的堵塞，所 以在废水进入曝气生物滤池之前要进行预处理，以减少有机物和悬浮物的含量 3 7 - 3 8 。 1 3 2 2 生物脱氮新技术 近几年来国内外学者对污水生物脱氮工程实践中暴露出的问题和现象进行了大量 理论和试验研究，提出了一些突破传统的新认识和新发现f 3 9 1 。同时也因为这些新的认识 研究者们提出了新的脱氮理论，开发了新的脱氮技术。亚硝酸型硝化反硝化技术、同时 硝化反硝化技术、厌氧氨氧化技术以及好氧反氨化技术、电极生物膜反硝化技术，并对 6 硕士论文固定化微生物处理低浓度含氮废水的研究 一些传统生物脱氮处理技术也进行了改进，这些技术有重要的意义矧。 1 4 本论文研究的主要内容、目的与意义 在现今污染日益严重的情况下，有效的除去湖泊和河流中的氨氮是保证水质安全的 重要方面。而传统和新型的脱氮工艺对于高浓度氨氮都有着显著的去处效果，可是仍然 会存在着一定量的残留不能达到国家的一级排放标准。面对日益严峻的形势和要求越来 越高的处理方针，针对低浓度含氮废水的处理研究变得很重要，然而我国在去除低浓度 含氮废水的报道甚少，因此找到一种能有效去除低浓度的氨氮废水方法十分必要。 本论文的研究内容归纳如下： ( 1 ) 针对硝化菌和亚硝化菌进行富集培养，通过控制硝化以及短程硝化的条件达到 两种菌体的富集培养。主要研究通过控制条件以控制细菌的生长状态，从而有效地达到 富集培养的效果，主要控制条件包括：温度、p h 、溶解氧等且综合考虑多个控制条件的 联合作用。 ( 2 ) 根据实验室条件，建立氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的检测方法，能够准确测 定试验过程中氮浓度的变化。 ( 3 ) 在处理低浓度氨氮废水的条件下，研究固定化亚硝化菌是否能进行亚硝化反应， 即是否能成功的将硝化反应控制在亚硝化阶段研究。 ( 4 ) 在针对使用固定化硝化菌处理低浓度含氮废水的研究中，主要研究在处理低浓 度含氮废水时，被固定化的硝化菌的硝化反应受各种影响因子的作用效果，如温度、p h 、 溶解氧以及碳氮比等，并最终找到最佳的反应条件。 ( 5 ) 对固定化微生物与电极生物法反硝化这两种工艺的联用效果研究：主要研究在 适合的反应器内处理低浓度含氮废水可行性。实验过程中通过实时控制二种工艺的反应 条件，并通过实验以确定在这两种新工艺的运用中固定化硝化菌和与电极生物法中作用 的反硝化菌实现生物脱氮的最佳工艺条件，为工业化应用试验奠定基础。 本论文的研究意义及创新点在以下几个方面： ( 1 ) 针对低浓度氨氮废水找到了一种有效的方法，并且对固定化硝化菌方法对于低 浓度废水提供了数据基础，并且找到了最佳的工艺条件； ( 2 ) 目前成功实现亚硝酸盐型硝化反应的报道很多，但大多是针对高浓度的氨氮废 水实现的，对低浓度含氮废水的亚硝酸盐型硝化反应的研究还很少，而在本实验中研究 了在氨氮浓度小于3 0 m g l 的情况下的亚硝酸型硝化反应的可行性，并且通过实验研究 发现在低浓度的进水氨氮下，固定化亚硝化细菌处理人工模拟废水时是可以进行亚硝化 反应的； ( 3 ) 本实验成功的将固定化微生物技术和电极生物法相结合，开发一种新型的针对 低浓度氨氮废水的处理工艺，得到了两种工艺的最佳运行条件为工业应用奠定了基础。 7 2 生物脱氮原理硕士论文 2 生物脱氮原理 废水中氮元素的存在形态主要有有机氮、铵态氮、亚硝态氮和硝态氮【4 。 废水在生物脱氮方面的研究一直是水污染控制中的重要方向。目前采用的生物脱氮 技术，其基本理论基础就是依据微生物的硝化和反硝化作用。硝化作用是指主要由自养 型硝化细菌将n n - n 氧化成n 0 2 - - n 和n 0 3 - n 的生物反应；反硝化作用是将硝酸盐和 亚硝酸盐以及其它氮氧化物作为电子受体，由反硝化菌在一定条件下将其还原为氮气的 生物反应。 2 1 硝化作用 一个完整地硝化过程首先是由亚硝化菌将氨氮转化为n 0 2 ，然后再由硝化菌将n 0 2 最终氧化为n 0 3 【4 2 1 。 将硝化作用用反应式表示如下： 5 5 n h 4 + 7 6 0 2 + 1 0 9 h c 0 3 塑丝bc 5 h 7 0 2 n + 5 4 n 0 2 + 5 7 h 2 0 + 1 0 4 h 2 c 0 3 4 0 0 n 0 2 + n i - 1 4 + 4 h 2 c 0 3 + h c 0 3 + 1 9 5 0 2 堕! 蔓壁bc 5 h 7 0 2 n + 3 h 2 0 + 4 0 0 n 0 3 。 合并上述两个反应式可得： ( 2 1 ) ( 2 2 ) n h 4 十+ 1 8 6 0 2 + 1 9 8 h c 0 3 。型堕j ( 0 0 1 8 1 + 0 0 0 2 5 ) c 5 h 7 0 2 n + i 0 4 h 2 0 + 0 9 8 n 0 3 + 1 8 8 h 2 c 0 3 ( 2 3 ) 硝化反应中负责将n 0 2 氧化成n 0 3 是硝化菌；另一类则是负责将n h 4 + 氧化成n 0 2 的亚硝化菌。这两类细菌都需要在有氧的条件下才能发挥其作用。 由上述的几个反应方程式可以看出：式中c 5 h 7 0 2 n 为硝化菌细胞。反应过程中产生 的矿造成整个系统的p h 值下降，使得系统的碱度有所消耗，所以为了促进硝化反应的 发生则需要保证系统再整个过程中能维持一定的碱度。硝化菌是自养菌，整个硝化反应 是以h c 0 3 。为碳源，并不需要有机物的参与。同时需要指出硝化菌的生长受p h 值、溶 解氧浓度、运行时的温度、有毒物质、b o d 5 t k n 以及泥龄等环境因素影响，所以硝化 作用的发生也需要定的外力条件配合。 通过分析方程式中各种物质所需要的量可以看出要使得l g n i - 1 4 + - n 通过一个完整的 硝化作用最终氧化成n 0 3 - n ，需氧量为4 5 7 9 ，反应过程中最大要消耗5 1 9 ( 以c a c 0 3 计) 的碱度。 2 2 反硝化作用 反硝化作用【4 2 l ( d e n i t r i f i e a t i o n ) 是将n 0 3 或n 0 2 还原成n 2 的过程，整个过程都是由 反硝化菌作为主体的，在自然界中普遍存在的反硝化菌是异养兼性缺氧型微生物。其反 r 硕士论文同定化微生物处理低浓度含氮废水的研究 应方程式可表示为： n 0 3 - + 1 0 8 c h 3 0 h + 0 2 4 h 2 c 0 3 o 0 6 c 3 h 7 0 2 n + 0 4 7 n 2 t + 1 6 8 h 2 0 + h c 0 3 。 ( 2 4 ) n o r + 0 6 7 c h 3 0 h + 0 5 3 h e c 0 3 _ 0 0 4 c 3 h t o e n + 0 4 8 n 2 t + 1 2 3 h 2 0 + h c 0 3 。 ( 2 5 ) 反硝化过程也是反硝化细菌以有机物做为电子供体，以n 0 3 或n 0 2 - 为电子受体进行 厌氧呼吸的一种反应。反应式可表示为： n 0 2 - + 3 h ( 电子供体有机物) - 1 2 n 2 下+ h 2 0 + o h 。 ( 2 6 ) n o f + 5 h ( 电子供体有机物) 一1 2 n 2 t + 2 h 2 0 + o h ( 2 7 ) 分析上述反应方程式中的物质的量的关系发现，反应过程中每还原l gn 0 3 可产生 3 4 7 9 的碱度( 以c a c 0 3 记) 和0 4 5 9 反硝化菌，伴随着整个反应的发生同时要消耗2 4 7 9 甲醇。 有研究表明【4 2 】：废水中碳源会影响反硝化反应的效果，当碳源不足以及n 0 3 的浓 度过高时，即系统中c n 较低时反硝化作用会受到抑制，导致最终反应生成的n 2 量减 少。同时环境的p h 值、溶解氧浓度、温度、氧化还原电位、有毒物质等都能影响反硝 化作用，这些因素都能不同程度的对整个反应过程造成促进或者是抑制作用，继而影响 了反硝化反应的结果。 2 3 亚硝酸型硝化反应 随着近代生物学的发展以及人们对生物技术的掌握，脱氮技术已经由单纯的工艺向 着以生物学特性促进改革的方向发展，继而开发高效低耗的处理技术。研究学者们通过 对于脱氮过程的一些新的认识，提出跳过了传统的生物硝化过程中硝化菌将亚硝酸盐氧 化成硝酸盐的这一过程，即将硝化过程控制亚硝酸盐阶段而终止，随后进行反硝化，整 个生物脱氮过程可以通过n h 4 + - n n 0 2 n n 2 的途径完成。这就是所谓了亚硝酸型硝 化反应【4 3 】。 硝酸菌和亚硝酸菌适合生长的外界环境条件以及作用的动力学参数上都存在着一 定的差异，因此传统的硝化反应的两个步骤是可以通过控制反应条件将其分离开的。通 过比较可知，由于该工艺只有氨氧化反应，缺少了将亚硝酸盐氧化成硝酸盐这一过程， 反应过程的耗氧量比传统工艺有所降低，也节约了反硝化作用中的碳源的消耗量以及甲 醇消耗量，所以亚硝酸型硝化反应工艺有着较好的经济性。 9 3 实验材料与分析方法 硕士论文 3 实验材料与分析方法 3 1 实验材料 3 1 1 实验设备 表3 1 实验设备名称及生产厂家 设备名称生产厂家 p h s 3 b 精密p h 计 b t 0 1 1 0 0 恒流泵 o l y i p u s h g l 0 1 2 型电热鼓风干燥箱 b d c - 1 8 0 w 7 2 1 分光光度计 马福炉 电子天平 l z b 3 型玻璃转子流量计 d h g 9 2 4 0 a 型电热恒温鼓风干燥箱 j s - 6 0 5 型溶解氧分析仪 s p 7 8 0 型供氧泵 上海雷磁仪器厂 保定兰格恒流泵有限公司 b h - 2 型光学显微镜 南京电器三厂 上菱冰箱 上海航空测空技术研究所 上海实验电炉厂 北京赛多利斯仪器系统有限公司 浙江余姚工业自动化仪表 上海精宏实验设备有限公司 上海精密科学仪器有限公司 广东省中山市日胜电器制品有限公司 3 1 2 实验试剂 表3 2 实验试剂名称、纯度及生产厂家 实验所用其它试剂均为国产分析纯。 1 0 硕士论文固定化微生物处理低浓度含氮废水的研究 3 2 目标检测物 实验过程中氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐为主要目标检测物，通过检测上述污染物质的 含量，来确定实验方法的可行性及得到最佳的处理效果。 3 3 实验分析方法 3 3 1 活性污泥各项性能指标测定i 删 ( 1 ) 污泥沉降比( s v ) ：污泥沉降比是指取得混和充分的泥水混合液l o o m l 于l o o m l 的量筒中，静置沉降3 0 分钟后，所得到的沉降污泥所占体积与整个混和液体积比。 ( 2 ) 挥发性污泥浓度( m l v s s ) ：混合液中具有挥发性质的悬浮固体所占单位体积混 合液的重量即为挥发性污泥浓度。测量方法为：将烘干至恒重的干物质，置于5 5 0 一 6 0 0 的马福炉灼烧至恒重，冷却至室温，称重所得重量即为灰分重量，根据公式可计 算得出m l v s s 的值： m l v s s ( g l ) = ( 于污泥重量一灰分重量) 1 0 ( 3 1 ) ( 3 ) 污泥浓度( m l s s ) 将单位体积混合液所含悬浮固体的重量表示为污泥浓度。先 测量并记录下滤纸的重量，而后将在量筒中经过半个小时沉降的污泥全部倒入漏斗进行 过滤，最后将污泥和滤纸一并放入烘箱内，在1 0 5 1 1 0 温度下烘干至恒重，取出置 于干燥器中冷却至室温后称重。则： m l s s ( g l ) = ( 滤纸重+ 污泥干重) 一滤纸重】1 0( 3 2 ) ( 4 ) 污泥指数( s v i ) ：混和液经3 0 分钟沉淀后所得到的l 克干污泥所占体积即为污 泥指数。污泥指数的大小是活性污泥凝聚、沉降的性能以及活性污泥的疏散程度的分辨 依据，其计算公式如下： s v i ( m l g ) = ( s v m l s s ) x 1 0( 3 3 ) 3 3 2 氨氮的测定方法 ( 1 ) 定性测定【4 4 1 测定原理：利用氨氮与纳氏试剂的显色反应可测定水样中还是否有氨存在。取少量 反应后的废水在比色瓷盘中，向水样中滴加几滴纳氏试剂，如反应出现黄色或者是褐色 沉淀则说明水样中存在一定量的氨氮。 ( 2 ) 定量测定【4 5 】 原理：在亚硝基五氰络铁酸钠或者称硝普钠存在下，铵与水杨酸盐和次氯酸钠离子 反应生成蓝色化合物，在约6 9 7 n m 用分光光度计加以测定。 在p h - - 1 1 7 有硝普钠存在下，氯铵与水杨酸钠发生了反应，所有样品中的氯铵都 定量的被测定了。加酒石酸钾钠掩蔽阳离子特别是钙镁离子的干扰。 3 实验材料与分析方法 硕十论文 测定方法：吸取适量的水样于干燥的1 0 m l 比色管中，向管内加入去离子水并使总 体积保证在8 m l ，再向比色管内加入l m l 显色剂和两滴硝普纳溶液，并混匀。再滴入 两滴次氯酸钠溶液并混匀，然后加水稀释至1 0 m e 标线，充分混匀放置一个小时后，在 大约6 9 7 n m 的最大吸收波长处测定溶液的吸光度。最后可从标线中查得氨氮的含量。 3 3 3 亚硝酸盐氮的测定方法 ( 1 ) 定性测定 4 4 1 测定原理：将少量的水样滴加在比色瓷盘内，向反应室中先滴加3 滴锌碘淀粉 试剂，再滴加l 滴2 0 的硫酸。如反应室内出现蓝色则说明有水样中含有一定量的亚硝 酸盐氮。 ( 2 ) 定量测定【钓j 原理：水样中的亚硝酸盐可与对氨基苯磺酰胺反应生成重氮盐，再与n ( 1 萘基) 乙二胺偶联生成一种红色染料，整个显色反应需要在酸性条件下发生，此红色染料的最 大吸收波长为5 4 0 n m ，由于其色度深浅与亚硝酸盐含量有关，所以亚硝酸盐含量可通过 比色法测定。 测定方法：移取适量水样于干燥的5 0 m l 比色管中，用蒸馏水稀释至5 0 m l 标线。 向已经加水稀释至标线的水样中加入l m l 配制的显色剂，摇匀静置2 0r a i n ，待显色完 全后，放置在5 4 0 n m 波长处测其吸光度。从标准曲线上查得亚硝酸盐氮含量。 本试验用亚硝酸盐测定标准曲线如下： 6 e 卿 缸 捌 锱 普 茸 图3 3 亚硝酸盐测定标准曲线 3 3 4 总氮的测定方法 ( 1 ) 测定原理【4 4 j ： 溶液中总氮的含量采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定。 1 2 硕士论文固定化微生物处理低浓度含氮废水的研究 过硫酸钾作为氧化剂，在温度为1 2 0 1 2 4 。c 且有碱性介质存在的条件下，可将水 样中大部分有机氮化合物以及水样中所存在的氨氮和亚硝态都氧化为硝态氮，继而分别 于波长2 2 0 n m 与2 7 5 n m 处用紫外分光光度计测定其吸光度，按式：a = a 2 2 0 - 2 a 2 7 5 计算硝 态氮的吸光度，从而可得出总氮的含量。 ( 2 ) 测定方法i 删： 取适量的水样于2 5 m l 干燥的比色管中，用无氨水稀释至1 0 m l 标线，向水样中加 入5 m l 的碱性过硫酸钾溶液，放入过热水蒸汽中加热0 5 h ，取出比色管使其自然冷却， 然后再向其中加入l m ll + 9 的盐酸，用无氨水再稀释至2 5 m l 标线，在紫外分光光度 计上分别测得在波长为2 2 0 r i m 与2 7 5 n r n 处的吸光度，按式a _ a 2 2 0 2 a 2 7 5 计算出总体硝 态氮的a 值，从标准曲线上求出相应的总氮量。 本试验用总氮测定的标准曲线如下： 6 e 嘟l 缸 腻 珀 o 0 8 o o 0 2 o 0 oo 20 40 60 81 0 吸光度，a 图3 4 总氮测定标准曲线 3 3 5 硝酸盐氮的测定方法 ( 1 ) 定性测定m 】 测定原理：取水样滴入在比色瓷盘反应室内，再向其中滴加2 滴所配置的一定浓度 的硫酸和2 滴一定浓度的二苯胺，如反应室内出现蓝色则说明水样中含有一定量的硝酸 盐氮。 ( 2 ) 定量测定【蛔 原理：在定的酸性条件下，硝酸盐和麝香草酚相互作用可形成硝基酚化合物，随 后当浓氨水参与反应时，分子会发生重排从而形成黄色化合物，此物质的最大吸收波长 为4 1 5 n m ，最终硝酸盐含量可通过比色测定。 测定方法：吸取适量水样于干燥的2 5 m l 比色管，向比色管中加入0 1 m l 2 的氨基 1 3 3 实验材料与分析方法 硕士论文 磺酸铵溶液，放置5 m i n 后加入0 2 m l0 5 的麝香草酚无水酒精溶液，这一步骤要务必 保证麝香草酚无水酒精溶液室从管中央加入而不是沿着管壁留下，继续再向管中继续加 入2 0 m l1 的硫酸银硫酸溶液，摇匀静置5 m i n 后，加入8 m l 蒸馏水，摇匀使其充分 混合后向其中连续滴加浓氨水，管中白色沉淀开始溶解并出现的黄色，如滴加过程中黄 色不再加深即到达终点，测定前用去离子水定容到2 5 m l ，在4 1 5 n m 波长处测定其吸光 度。从标准曲线上查得硝酸盐氮含量。 本试验用硝酸盐氮测定标准曲线如下： o 0 1 0 0 0 0 8 a e0 0 0 6 唧 钿 捌0 0 0 4 锰 淝 k 壬 0 0 0 2 o 0 0 0 00 0 50 1 00 1 50 扣0 2 50 3 00 3 0 吸光度a 图3 5 硝酸盐测定标准曲线 3 3 6 硝酸盐积累率的测定 n 0 3 。一n 积累率= n 0 3 。一n ( n 0 2 。一n + n 0 3 。一( 3 4 ) 式中： n 0 2 一n 一出水亚硝酸盐浓度 n 0 3 。一n 一出水硝酸盐浓度 3 3 7 化学需氧量( c o d ) 的测定 c o d 其值采用微波消解法进行测量。 取2 0 0 m l 水样置于试管中，再向水样中加入2 0 0 m l 试剂包。将试管置于消解仪中 加热2 小时。冷却后，向试样中加入l 滴试亚铁灵指示液，最后用硫酸亚铁铵标准溶液 对消解后的水样进行滴定，试样的颜色由黄色经蓝绿色至红褐色即为终点，到达终点后 同时记录下硫酸亚铁铵标准溶液的用量。需要强调在测定水样之前要先取相同体积的蒸 馏水，按同样操作步骤作空白试验，滴定终点时同时记录下滴定空白所消耗的硫酸亚铁