（环境工程专业论文）微生物固定化技术的研究及其在生物脱氮方面的应用.pdf

硕士论文微生物固定化技术的 研究及其在生物脱氮方面的应用 ab s t rac t t h e p al ” r re se ar c h e s a w a y toe n ri c hammoma oxi d i z i n g b a c t e ri a by c o n t ro 1 1 in g 加 幻 u e ath c o 3 祝h4十 . nund e rth oc 曲d iti on of inte 画廿 e n t ae r a t l w h e ni l l 月 u e n t h c o 3 .加场干 . nisbetv 阳 en6 .3 1 7 .5 7 ， e 田 u e n t 留 c 叨 叮 u l atio n o f 山 trit i s a bove 9 6 . 1 % . f u 到 五 e rmo re ， the e x pe d m e ntin v e n tsa m e t h o d tom ak e t e c hno 1 0 gyof1 n ” 力 o b i h z e d ce n 川 。 r e eco n o 刃 0 盆c al . c a 们 n e r con 俪nss. 5 % p v a 、 0. 45% c a 、 0. 5 %51 仇， 山 e n dr o p p ing it tot h e m i x to 代ofs 到 刀 r at edbor a c i c 即 idan d o. 6 %目 u m i n iums u 】 fale . a n e r z 峨b 血g it in t o oven for 3. shund er30 . b y 面s w a 又the costw i l l bes a v e d 31.63% ， 明 d the recove ryof 朗 t l v i tyisabo v e 78% . fi nally，e x p erim e d t 五 血 d s th atw h e n the t e m pe r 川 u reisbetwe e n 2 8 一2 9 ，c， andd 0isa b o ut s .6 m 目 毛 ，即dp hi sbe twe en 7 .6 8 . 4 ， 山 es t l m 川 aj lt w as t e w a t e r b as the besttr e at in ge ffecl n i t ri fication r at ea c h 1 e v e s 26.6 m g/ ( l .h) and 朗 c 脚 u l ation of垃 苗t isa bout97.8 %. atth e s ” 刀 e con d l t i o 氏w h enl n d u s 颐ale muentfrom s y n t h e t i ca m m o 血 pl ant is tr e at e d ，苗 幼五 c at i o nr at ea c h l eve s22.6 m g/ ( l 句 如d a c c u mu l ati o nof 刀 i t ri t l s al ”以 7 9.6 %. k e y w o r d s : a 功 m onia 而d iz i n g b a ct e ri a ca r ri erni trifi c ati o n e n ri chl m n l obi l j z e dml c r o bes p e l 】 e ts e ffiu e n t fr o m8 y n t h e t 1 c ai1 1 i1 1 o n 1 a pl a n t 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:. 一袁 再 舀 脚司 年 个 月脚 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 公布本学位论文的全部或部分内容，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 全部或部分内容。 对 于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 闲年 7 月 肠 硕士论文 1绪论 微生物固定化技术的 研究及其在生物脱氮方面的应用 l l 前言 合成氨工业是化学工业中的 重要组成部分， 在国民 经济中发挥巨 大作用。 根据化 工部的 统计， 我国1 9 %年合成氨产量己 达到3 o 63.8 万吨， 产量居世界第一。然而， 由 于我国的合成氨工业企业是以 小型厂为主并且主要以 煤为制气原料， 所以 我国的 合 成氨工业较国 外而言污染更为严重. 合成氨工业产生的 废水中 主要包括氨氮、 悬浮物、 挥发酚、 氰化物、 硫化物、 油 类、 尿素及化学需氧量等， 其中以 氨氮为特征污染物。 当氨氮随污水排入水体后， 在硝化细菌的作用下被氧化为硝酸盐， 此时会消耗水体中 的 溶 解氧。 不仅 如此， 氨氮 还 会与 水中的 氯 作用生 成氯氮， 并被 氧化为 氮， 故对含氨 氮高的 水源进行消毒时会增加氯的 用量。同时， 氮化合物对人体和生物有毒害作用， 而 最显著的 危害 是 氨氮能引 起 受纳 水体的 富营养化， 直接引 起水质的 恶化l 。 微生物 脱氮由 于处理效果好、 处理过程可靠、 处理成本低、 操作管理方便等优点而受到了 广 泛的关注. 其中， 微生物固定 化技术作为环境工程中的一项新兴技术， 与传统的悬浮 生物处理法相比， 具有处理效率高、 稳定性强、 反应易于控制、 菌种高纯高效、 产污 泥量少、 固液分离效果好、 丧失活性可恢复等优点。 因 此， 该技术有着极大的应用潜 力和发展前景。 1 .2微生 物固 定 化 技 术的 概 述 121 l 2. 1微生物固定化技术的概念 微生物固定化技术是生物工程中的一项新兴技术， 是利用物理或化学手段将微生 物限 制或 定 位于限 定的 空 间 区 域， 使 之 成为 冰不 溶 性， 但仍 能 保留 生 物 活 性 且 在 适宜 的条件下还可以增殖的技术。 l 2. 2微生物固定化技术的 分类 目 前， 用于制备固定化微生物的方法种类繁多， 新方法也层出不穷。 加之不同的 研究者采用不同的分类方法， 因此很难对此做出 精确的分类。 国内 外还没有统一的分 类标准。 但一般将微生物固 定化方法分为载体结 合法， 包埋固定法、 交联法和系统截 流法。 l 2. 2. 1 载体结合法 载体结合法是基于生物催化剂与载体之间通过物理吸附、离子结合、 共价结合及 生物特异性吸附等作用将生物催化剂固定在不溶性载体上。 l 2. 2 .2交联法 交联法又称无载体固 定化法， 该法不利用载体， 而是生物催化剂之间依靠物理或 化学的作用相互结合。 硕士论文微生物固定化技术的 研究及其在生物脱氮方面的应用 l 2. 2. 3包埋固定法 包埋固 定化是使微生物细胞包埋在半透明的聚合物或膜内 ， 或使微生物细胞扩散 进入多 孔性的 载体内 部，小分子 底物及反应代谢产物可自 由出 入这些多 孔或凝胶膜， 而微生物细胞却不能移动。 l 2. 2. 4系统截留 法 系 统 截留 法 利 用 半 透 膜( 如 渗 析 膜、 超 透 膜， 反 渗 透 膜、 中 空 纤 维 膜等 ) 将生 物催 化剂以 可溶性形式限 定在一定的空间 范围内 或将过滤、 离心、 沉淀后的生物催化剂返 回到生物反应器中循环使用。 l 2 3微生物固定化方法的比较 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 较总结于表l i 。 表 l l 交联法 适中 强 低 适中 无 小 高 不能 较大 各种固定化方法的比较 性能吸附法共价键结合法 易弱高低 制备难易 结合力 活性保留 固定化成本 存活力 适用性 稳定性 载体的再生 空间位阻 难 强 低 高 无 小 高 不能 较大 包埋法 适中 适中 适中 低 有 大 高 不能 大 低能小 由比 较可知， 化学固定化法中化学试剂的毒性对细胞会有损害， 因此不适用于制 备固 定化活细胞。 物理交联法的 机械性能 较差。 半透膜法集反应和分离于一体， 膜表 面较大， 又具有选择性，因而具有很大潜力， 但膜的性质、 膜反应器的设计与操作运 行方面还存在许多问题。 包埋法具有较好的综合性能， 催化活性保留和存活力都较高， 且包埋体在反应工程饱括反应器的 设计、 操作稳定性等) 中应用灵活， 因此， 包埋法 成为整个固 定化生物催化剂技术中 应用最为广泛的固定化方法。 本文同 样也采用包埋 法制备固定化小球. l 2. 4固定化微生物技术及在脱氮方面的 应用 固 定化微生物技术是现代生物工程领域中的一项新兴技术， 是通过化学或物理的 手段将游离细胞或酶定位于限定的空间区 域内， 使其保持活性的 方法。 微生物去除 氨 氮需要经过好氧硝化和厌氧反硝化两个过程。 而硝化细菌的增殖速度慢， 要想提高 去 硕士论文微生物固 定化技术的 研究及其在生物脱氮方面的应用 除率， 就要求反 应器有较长的固 体停留时间和较高的细菌浓度， 采用固定化微生物技 术 可 满 足 此 项 要 求， 更 有 利 于 去 除 氨 氮。 日 本的 中 村 裕 纪 等 人 13) 用 聚丙 烯 酞 胺包 埋法 固 定硝化菌和脱氮菌， 采用好氧硝化与厌氧反硝化两段工艺进行脱氮试验. 与悬浮生 物法相比 ， 低温条件下硝化速度增大了6 7 倍， 脱氮速度提高 3 倍。 50天连续处理试 验表明: 停留 时间 由 原 来的 乃缩短 为 4h， 设备体 积缩小约 50 % 。 市 村等 人14用以 p v a 为主链的 光架桥性树脂预聚物 ( p v a 一 s b q ) 与海藻酸钠结合包埋固 定化硝化菌， 在 有效容积为l 18 l 的内 循环式流化床中 进行了 2 50天的 连续硝化试验， 可将n 氏十 一浓度 从 80 m 目 工 降 到 z o m 留 工 ， 容 积 负 荷 达 到 z k gn风斗 . n /(m3 .d) . 角 野 5 利 用 聚 丙 烯 酞 胺 为 载 体， 包埋固定硝化细菌， 将固定的硝化细菌填充到流化床中， 填充率为7 . 5 % ， 停留时间 为 z h 就 可以 达 到 完 全 硝 化. 赵 兴 利 等 人 问 利 用 p v a . 场 b 仇包 埋 粉 末 活性 炭 和驯 化 硝 化菌，以 流化床作为反应器， 固定化硝化菌寿命长达7 个月以 上， n h4+ -n去除率维持 在 00 % 以 上。 曹国 民 等 门 以 廉 价 的 p v a 为 载 体， 采 用 循 环 冷 冻 法 把固 定 化 细 胞 制 成平 板膜状， 利用固 定 化细胞 膜( 膜中 固 定 有硝化细菌和 反 硝化细菌 ) 将脱 氮反 应器一隔为 二， 膜的一 侧与 好氧的 氨氮 废水接 触， 另一侧与 缺 氧的乙 醇 水溶 液 醚询接触. 固 定 于膜中的硝化细菌将氨氮氧化成亚硝氮和硝氮， 随即被同 一膜中的反硝化菌将其还原 成氮气， 硝化细菌和反硝化细菌混合固定于膜内时的氨氧化速率约为硝化细菌单独固 定时的2 倍。未发现碳源重复利用对脱氮过程产生不利影响，此新型反应器可以 稳定 运行5 0d以上。 l 2. 5固定化细胞技术在有机废水处理中的 应用前景 固 定化细胞技术以 其独特的优点 近年来在有机废水处理领域中引 起了 人们的普 遍关注， 进行了广泛的 研究，但在工业化应用中还存在着一些问 题有待研究解决. ( 1)开 发 质优价 廉的固 定 化 载体: 开发价格低廉且 性能良 好的 固 定化 载体是固 定 化微生物技术能否在脱氮处理高浓度工业废水领域广泛应用的 关键的一环; (2) 优化生 物培 养条 件: 硝化细菌 是自 养 菌， 生长 缓慢、 富 集 所需时间 长， 因 此 硝化细菌富集培养基和培养方法的选择非常重要: (3 ) 完善 微生物固定 化机理和反应动力学: 深入研究微生物固定化技术传质和反 应动力学，为载体的选择、高效生物反应器的设计提供依据和参数; (4) 开 发固 定 化 微生 物 技 术 与 其他 水 处 理 技术 有 机 结 合的 高 效 水 处 理 技 术。 相信通过 广大工作者的 研究与改 进， 固 定化细胞技 术将在废水处理实际 应用中 发 挥出其独特的魅力。 1 .3短程硝化一 反硝化工艺 概述15 短程硝化 反硝化工艺， 又称s b ar o n 工艺，是一种新型 废水生物脱氮工艺。 它在 理念和技术上突破了传统硝化一 反硝化工艺的框架。 硕士论文 微生物固定化技术的研究及其在生物脱氮方面的应用 1 . 3 . i s h a ron 工艺的概念 传统的生物脱氮是将氨氮完全氧化成硝酸盐氮再进行反硝化。 从氮的 微生物转化 过程来看， 氨态氮被氧化成硝态氮是由 两类独立的细菌催化完成的两个不同反应. 然 而对于反硝化菌无论是从n 氏飞 n 还是n 0 3 几 n 均可以 作为最终受氢体。 因而整个生物脱 氮过程可以 通过 n h4十 入弓 n 仇一 n 弓 n z 的 途径完成。 所谓短程硝化就是将硝化过程控 制h n 仇阶段而终止， 随后进行反硝化。与传统硝化反硝化相比，短程硝化反硝化不 仅 可以 节 省能 耗约 25%( 以 氧 计 ) ， 节 约 碳源 40%( 以 甲 醇询， 而 且 可以 缩 短反 应时 间，大幅度降低产生的污泥量。 l 3. 2 s 加， n 工艺的 技术要点 s h ar o n 工艺的 核心是使硝化过程终止于亚硝酸盐阶段。 在实施上， 不仅要抑制亚 硝酸盐氧化， 还要促进氨氧化. 对此， 短程硝化的 控制途径主要有: 1 . 控制温度; 2. 控制 溶解氧; 3. 控 制ph; 4. 控制 污泥龄; 5. 选择 性抑 制的 控制途径。 l 3. 3 s h a ou 工艺的运用 s h aj n 工艺由 荷兰d elt工业大学于1 9 97年提出 并成功开发。 s h ax o n 工艺的典型 特征是:1 短程硝化和短程反硝化被放置在一个反应器内进行，工艺流程较短; 2. 反 应器内 不持留活性污泥，装置结构简单;3. 操作温度高，处理效率高;4. 借助反硝化 作用 调 节 酸 碱 度， 无 需 加 碱中 和 19-101 。 马勇 l1 等 应 用川 。 生 物 脱 氮中 试 试 验 装 置 处 理 实际 生 活污 水 ， 考察了 生 物脱 氮过程中d o和ph 的 变化 规律。 结果表明， 刃0 工艺 硝 化过 程中d o 和p h 在 好 氧 区 的 变 化 可 分 为3 种典 型 情 况， 并 获 得ph 曲 线 可以 作 为 短程硝化反 应的 控制参数， 基于在线过程控制，可以 获得稳定较高的n 0 2 ，-n 积累， 这样不但可提高系统脱氮效率，而且可大大节约系统运行费用。 l 4合成氨工业废水脱氮概述 1 .4.1合成氨废水中 氨氮的 来源及特点 合成氨工业含氨废水主要包括造气废水、 脱硫废水、 精炼铜洗净氨塔排水、 工艺 冷凝水、 尿素解析液、 稀氨水排放、 无组织排放。以 煤为原料的 造气废水中 氰化物的 含量较高， 通常称为 造气含氰废水: 以 油为原料的 造气废水中 碳黑的 含量较高， 通常 称为油气化碳黑废水。我国合成氨工业水污染的特点为排水量大、氨氮排放浓度高. 相比 而言， 中、 小型企业的废水排放量和氨氮排放负荷比 大型企业高很多。 一方面是 由 于我国中、小型合成氨企 业相对比 较落后:另一方面，中、小企业没有高 压蒸汽， 对 尿 素 废 液 只能 采 取中 、 低 压 水 解或 气 提处 理， 尿素 废 液 无 法 彻 底处 理 1121. l 4. 2生物脱氮技术的 研究 进展及在处理合成氨废水中的 应用113 ，14l 虽然到目 前为止， 人们开发了 许多有效的废水脱氮法， 但真正能 应用于实际 废水 工程中 进行脱氮处理的， 主要有化学中 和法、化学沉淀法、氨吹脱法、 蒸汽气提法、 选择性离子交换法、 折点氯化法及生化法。 其中空气吹脱法存在能耗高 和污染物转 移 硕士论文微生物固定化技术的研究及其在生物脱氮方面的应用 的 缺点， 只能 作为 预处理措施。 离子交换法选择性强，需频繁再生处理， 药剂费高。 折点加氯法除需要大量氯气外， 还产生不良 的副作用和二次污染。 相比 之下， 生物脱 氮法发展很快， 在传统的多级活性污泥生物脱氮法的基础上， 为提高 脱氮效率、 降 低 运行成本和费用、 减少占 地面积、 便于操作、 降 低能 耗、 避免二次污染等方面的考虑， 国内 外开发了许多各具特色的脱氮工艺。 l 4 .2.i a/0处理工艺 刃0工艺是一种前置反硝化工艺， 属于单级活性污泥脱氮工艺。 刃0工艺与传统 的多级生物脱氮工艺 相比 主要有以 下优点: 1 . 流程简单， 节省了 基建费 用， 运行费 用 低，占 地面积小; 2 . 充分利用了 原水中的碳源， 减少了 外加碳源投加量; 3好氧在 缺氧池之后， 可进一步去除反硝化残留的 有机污染物; 4. 缺氧池置于 好氧池之前既 可 减轻好氧池的有机负荷， 又可改善活性污泥的 沉降性能， 有利于控制污泥膨胀， 而且 反硝化产生的碱度可以补偿硝化过程碱度的消耗。 安阳钢铁集团 有限公司合成氨厂在1 997 年底建成一座目 前国内 较先进的户 以 0法 生 物 脱 氮处 理 装置， 经 一 年多 的 试 运 行， 各 项 水 质 均达国 家标 准 1 均 。 90年 代 末， 合 钢合成氮厂采用刀0工艺建成新的 污水处理站， 经过近两年的驯化、 调试和改造， 污水处理 站完 全运行 正 常， 各项指标 达到设 计要 求【 1 目 。 l 4. 2. 2 启0处理工艺 a z / 0工艺是在传统的活性污泥基础上增加厌氧区、缺氧区. 污水首先进入厌氧 区与回流污泥混合， 在兼性厌氧菌的作用下， 将污水中生物能降解的大分子有机物转 化为小分子， 在缺氧区， 反 硝化菌利用污水中的 基质对好氧区回流液中n 伪 进行反 硝 化 脱氮. a 勺 。 工艺 主 要特点 为:1 . 具 有 较高的c o d 和氨 氮去除 率; 2. 厌氧段除了 能 降 解部分难降解有机物外， 还能改善废水的可生化性: 3. 该工艺操作稳定， 抗冲击能 力强。该工艺的缺点一是占 地面积大， 二是由于脱氮效果取决于混合液回流比， 而 a z /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 【1 几 l 4 j 3sbr处理工艺 s b r又称循序间歇式反 应器方法。 随着工业和自 动化的发展， 特别是监控技术 的自 动化程度以 及污水处理厂自 动化管理要求的日 益提高， 使得间歇式活性污泥工艺 已 成为我国城市污水和工艺废水处理常用的处理工艺之一。s b r工艺的一个完整的 操作过程包括如下五个阶段: 进水期、 反应期、 沉淀期、 排水期和闲置期。 该工艺 运 行灵活， 根据不同 的进出 水水质， 控制各个阶段的 停留时间， 就可以 获得不同的污水 处 理 效 果 11 气 此外人们还根据上述几种方法， 研发出 许多改进的 处理工艺。 如由刀0工艺改 进得到的b ar d e n p ho工艺和p h o r e d o x 工艺;由s b r改进得到的c a ss工艺等。另外 随着对脱氮工艺 运行及其微生物学研究的 深入， 又发现许多新的脱氮方 法。 如短程硝 硕士论文微生物固定化技术的 研究及其在生物脱氮方面的应用 化 一 反 硝 化 工 艺 (s h ar o n 工 艺 )ll ， 一、 氨 的 厌 氧 氧 化 ( a n a m m o 习 123、 d e amlno 此c ati on 工艺 124等， 但 基本都 还处于 研究阶 段， 未进入实际到 处理合 成氨 废水的 领域。 l s本论文研究的主要内容、目 的和意义 生 物固 定化 技 是 现代生 物工程 领域中的 一项新兴技术， 为充分 发挥高效菌种 在难 降 解有毒有机污染物治理中的降 解潜力提供了一种十分重要的方法。 它与传统的悬浮 生 物处 理法相比 ， 具 有处理效率高、 稳定 性强、 反 应易于 控 制的 特点。 本论文实验的主要内容是: ( 1 ) 对亚硝 化细菌 进 行富 集培 养， 总 结 影响 细菌生 长的因 素; (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)选 择 合 适 的 固 定 化方 法， 找 到 一 种能 有效 处 理 合 成 氨 工 业 废 水的 较为 经 济的 微生物固定化小球配方; (4)将短程 硝 化及 微生 物固 定 化技 术有机的 结 合起来， 并确定 包 埋了 亚 硝化细 菌 微生物固定化小球在短程硝化前提下运行的最佳条件。 本论文的研究意义及创新之处在于以下几个方面: (l)亚 硝化细 菌的 富 集培养是 在开 放系统中 进行的， 不需 要严 格的 无菌 条件， 能 够更容易、低成本的培养出适应合成氨工业废水的细菌: (2 ) 探索出 新 型的固 定 化微生 物方 法。 通过正交 试验 确定了固 定 化的 最 佳包埋 条 件。 用该方法制成的固定化微生物小球在维持较高寿命 ( 大于12个月)的前提下， 较大地降低了微生物固定化小球的 制作成本和制作难度， 同时提高了 微生物固定化小 球的传质性能、 提高了微生物固定化小球的处理效率。 这样低成本、高效率的微生物 固定化技术为工业化的运用提供了一种选择; (3 ) 将微生物固 定化技术与短程硝化技术结 合起来， 不仅能 提高 微生物固定化小 球对合成氨工业废水的处理效率， 而且还能降低运行成本。 这样更能经济有效地处理 合成氨工业废水。 实验研究了微生物固定化小球在短程硝化前提下处理合成氨工业废 水的运行条件，为以 后的工业化运用提供了依据和参考。 硕士论文徽生物固定化技术的 研究及其在生物脱氮方面的应用 2原理 氮在污水中的 主要存在形式有分子态氮、 有机态氮、 亚硝态氮、 硝态氮。 生物脱 氮是污水中的含氮有机物在生物处理过程中被异氧型微生物氧化分解，转化为氨氮; 然后通过自 氧型亚硝化细菌和硝化细菌将其转化为n o 公 和n 伪一 ; 最后 通过反硝化细 菌将n 呀和n o 3 一 转化为姚，从而达到脱氮目 的。 2. 1 硝 化 作 用 1251 硝 化 作 用 佃示 fic ati o n) 是指 微 生 物 将n 氏十 氧 化 成n 伍. ， 再 进一 步 氧 化 成n 0 3 一 的 过程。 硝 化作 用由 两 类细菌完 成: 一 类是亚硝化细 菌， 常见的 是亚 硝 化单胞菌(nitro so mon as ) ， 将n 场干 氧 化 成n oz; 另 一 类 是 硝 化 菌 洲trob a c t e r ) ， 将n 0 2 一氧 化成n 0 3 一 这两项反应均需在有氧的条件下进行。 生物硝化过程，首先是亚硝化菌将氨氮转化为n oz-， 然后由 硝化菌将n 0 2 一 进一 步氧化为n 0 3 一 ， 反应式如下: 5 5 n h 千 打 6 0 2 + 1 0 姐c o3 一匹 塑 兰 互 今c 5h70 2 n 十 5 咖。 介5 7h20 + 1 04 h z c o 3(2 一 1 ) 40 0n伍 一 王 n h4+ +4场c o 3 +hc 伪坏19 5 伍一 遇 些 鱼 叶c ， 玩。 z n + 3 姚0 十 4 0 0 n 0 3 . (2 一 ) 合并式(2 .3) 和(2 .4) ， 得下式: n 场于 十 1 8 6 02+ 1 .9 8 h c o3几进些 旦 斗 (0 . 0 1 8 1 扣. 0 0 2 5 ) c ， h 7 0 2 n 十 1 .0 4 h20 十 0 9 8 n 0 3 + 1 . 8 8 h 2 c 0 3(2 一 3 ) 式中c s h ， 0 2 n为硝化菌细胞. 由 反 应电 子计量方程式可知: 硝化反应均以hc伪 为碳源， 无须消耗b o d ， 所以， 硝化细菌是自 养菌。 但是现在也有报道， 虽然硝化细菌为自 养菌， 然而其必须 在 有 有 机 物的 条 件 下 才能 生 长。 硝 化 反 应需 要 消 耗碱 度， 产生h+， 所以 会 使ph值 下降 ， 出 现 酸 化 现 象; 将1 酬场十 加氧 化 成n 伪一， 最 大 需 氧 量为4. 5 79， 最 大 碱 度消耗为5. 1 g(以c a c 0 3 计) 。 2 . z s h a ro n 工艺原理18) 亚硝化细菌所致的 氨氧化反应和反硝化细菌所致的亚硝酸盐还原反应是开发 s h ar o n 工艺的 基础.比 较式 ( 2 一 1) (2一 2) 可知，由于s b ar o n 工艺只有氨氧化反应， 没有亚硝酸盐氧化反应， 耗氧量可比 传统工艺降 低25% ， 供养设备也可相应压缩; 同 时，考察反硝化过程: 6n0 2 汗 3 c 场o h + 3 c 0 2 衬3 从+ 6 h c 场一 3 玩0(2为 6n0 3 ，+ s c 场o h 祀02*3 n 沙6 h c o3一 7 h 2 0(2 一 5 ) 其中， 式 仅 4)为 短 程硝化反 硝 化作 用， 式(2 一 5) 为反 硝化 作 用。 通过比 较式 (2 劝和式(2 一 5) 可知， 由 于s b ar o n 工艺的 还原反 应 起始于 亚 硝酸 盐而不 是硝酸盐，甲 醇消耗量可比 传统工艺节省40% 。因 此， s h ar o n 工艺的 经济性较好。 硕士论文徽生物固定化技术的 研究 及其在生物脱氮方面的应用 3实验材料与分析方法 3. 1实验仪器 721 分光光度计上海航空测控技术研究所 o u 伍 任 u s显微镜o ly m p u s o p t i calc o. l t d 850a 型d o测定仪美国0 班o n公司 jpt- 1 型托盘天平江苏常熟衡器厂 t g 3 2 8 a型电光分析天平上海天平仪器厂 超级恒温水浴上海市实验仪器厂 h l . 2 恒流泵上海沪西分析仪器厂 t a . zr 台式冷冻离心机上海市离心机械研究所 p h s 一 3 型 酸 度 计上海 天 达 仪 器 有限 公 司 马福炉上海实验电炉厂 b d c 一 1 8 o w 上菱冰箱上海电冰箱二厂 l z b 一 3 型玻璃转子流量计浙江余姚工业自 动化仪表厂 h g 101 一 型电热鼓风干燥箱南京电 器三厂 s p 一 780 型供氧泵广东省中山 市日 胜电器制品有限公司 t h z . 8 2a 台式恒温振荡器上海跃进医疗器械厂 3. 2实验材料 3 .2 . 1试剂 聚乙 烯醇( p v a ) ，国 药集团 化学试剂有限公司; 海藻酸钠( 化学纯) ， 上海化学试剂采购供应站分装厂; 二氧化硅，宜兴市第二化学试剂厂 实验所用其它试剂均为国产分析纯。 3 :2 硝化细菌和反硝化细菌 实验用硝化细菌和反硝化细菌取自 南京某化肥厂污水处理设施中二沉池的回流 污泥。 经过培养基和实际合成氨废水的驯化、富集培养得到。 3. 2 3模拟废水及实际合成氨废水 所用 模拟废水的 组 成二 n i 公 cll.l叭 ，葡萄糖 0. 5 叭 ， n a h c 伪 2. 5 叭， k z h p 氏 0.5叭， 用n a 0 h 调 节p h=8. 2 左 右 ， 加入 适量的fe， m g ， ca等 微 量 元 素。 实验用的实际废水 取自 南京金陵 石化化肥厂调节池。 合成氨废水中 氨氮浓度为 2 5 0 m 留 毛 3 0 o m 留 l， c o d 在5 6 0m留 1 左 右. 试验中所指的合成氨废水就是上述废水。 硕士论文微生物固定化技术的 研究及其在生物脱氮方面的应用 3. 3 实验分析方法 3. 3. 1 氨氮的定量测定方法 采 用 纳氏 试 剂 法 阅。 3. 3 .2亚硝酸氮的定量测定方法 采用n 一 1 蔡一 乙 二 胺比 色法阴。 3 3 3硝酸氮的定量测定方法 采 用 磨 香 草 酚 法 1切 。 3 人4活性污泥各项性能指标测定脚 周 ( 1)污泥沉降比 ( 5 均 在曝气装置中取混合均匀的泥水混合液1 0 0 m l 置于1 0 0 m 工 的量筒中，静置3 0 分钟后，沉降的污泥所占整个混和液的体积比即为污泥沉降比。 (2 ) 污 泥 浓 度 ( m l s s)指曝 气 池中 单 位 体 积 混 合液 所 含 悬 浮固 体的 重 量。 将 测定 过 沉降比的1 0 o l ll l 量筒内的 污泥全部倒入漏斗，过滤， 将载有污泥的 滤纸移入烘箱， 在10 5 1 10 温度下 烘干 至 恒 重 ( 约i h) ， 置于干燥器中 冷却 至室 温称 重。 则: m l s s( 目 毛 曰( 滤纸 重+ 污泥 千 重) 一 滤纸重 ) xlo( 3 一 1) (3 ) 挥发 性污 泥浓 度 ( n 压 y s s)它是 指混合液中 挥发 性 悬浮固 体， 包括 微生 物 和有 机物占 单位体积混合液的重量。 将烘干至恒重测定完污泥浓度的干物质，置于 55。 6 00的 马福 炉灼 烧至 恒 重 ( 约40分钟 ) ， 冷却至 室 温， 称重，即 为 灰 分重 量， 则: m l v ss( 9 工 卜 ( 干污泥 重量一 灰分重量 ) xio(3 一 ) (4)污泥指数( s v l ) 是指曝气池混和液经30分钟沉淀后1 克干污泥所占的体积， 反映出活性污泥的疏散程度和凝聚、沉降的性能，计算公式如下: s v i ( 山 l 龟 ) =( s v + ml s s ) x l o(3 一 3 ) 3 j .5化学需氧量 c o d的侧定 采 用 密 封 消 解 法 30. 3 3 .6硝化速率的测定 测定试验前后氨氮和总氮的浓度，根据试验时间计算速率，以下为计算公式 介 形 月 气 n = 困 场+ 入。 入 残气 n l冰(3 均 式中 : 介 用 犷 书硝 化 速 率 ， m 留 ( l 句; n 场+ -n0 ， 瓦 氏 十 书1 试 验 前 后 氨氮 浓 度， m 留 毛 ; t 试验时间，h。 3. 3. 7细菌活性回收率 细菌的活性回 收率是指细菌 在固 定化后和固 定化前活性的比 值。 活性回收率是衡 量固定化方法优劣的一个重要标准。硝化细菌的活性回收率计算公式如下: r 二 r 脚 干 御 理 、 旧 犷 书 x l o o %(3 一 5 ) 硕士论文徽生物固定化技术的研究 及其 在生物脱氮方面的 应用 4亚硝化菌的驯化和富集 实验所用的细菌取自 南京某化肥厂s b r工艺静沉阶段池底污泥。由于合成氨工 业废水毒性比 较大， 普通的硝化细菌和反硝化细菌较难生存， 因此原污泥中的硝化细 菌和反硝化细菌都很少、活性较低， 需要进行富集、 培养。 4. 1 培养基及培养方法 由 于实验考虑采用包埋亚硝化细菌的 方式， 使固定化亚硝化细菌通过短程硝化作 用对合成氨工业废水中的氨氮进行去除。 故如何富 集出高效的亚硝化细菌成为实验的 一个重点。 亚 硝 化 细 菌 有 机 培 养 基的 组成: n h4clo. 5 叭1 .5 叭 ， 葡 萄 糖0. 3 叭 0. 5 叭， n 司 h c 伪 2. 5 叭， k z h p 氏 0. 5 叭， 加入 适 量的fe， m g ， c a 等 微 量 元 素。 实验采用间 歇式换培养基的方式对亚硝化细菌的富集培养进行研究。 通过控制进 水的 成分、 培 养装置内 的 温度、 溶解氧 和ph 值等， 为亚硝化菌的 生 长提 供最佳条件， 同时尽量抑制其它杂菌的生长，以 达到富集亚硝化菌、使其成为优势菌的目的。 4. 2亚硝化细菌的 最佳驯化方法的选择 实验取一定量的活性污泥放入4 l 反应器中 混合均匀后， 测得污泥m l s s 为7 5 00 左右. 并将其置于室内 温度 ( 巧 加) 及溶解氧约为6 .5 m g l的条件下通过间 歇 换水的方式驯化活性污泥。经过近半个月的驯化过程后，活性污泥对废水去除稳定， n o 2 积累率最终稳定在95% 以 上， 硝化速率达到3lm g/ 任 .h)以 上。 如图4 . 1 所示。 硕士论文徽生物固定化技术的 研究及其在生物脱氮方面的应用 哥映娜圳窿深目 l 0 . 9 0 . 8 0 . 7 0 . 6 0 . 5 0 . 4 0 . 3 0 . 2 0 . 1 0 300250200150100500 曰.日侧爱 娜涨史任长田硬七令哪n翻处 051 01 52 02 5 习 11化天数( d ) 出 水中亚硝酸盐浓度* 出水中 硝酸盐浓度 亚硝酸盐积累率 图4. 1 污泥驯化过程中出 水n 0 2 一 、 n 0 3 . 浓度及n 0 2 积累率的变化过程 由图4. 1 可以 看出: 在驯化初期，出 水中 硝酸盐浓度较大、 亚硝酸盐几乎没有， n 0 2 .积累率接近于0 。 这说明 此时活性污泥中的 硝化细菌数量占 绝对优势。 随着驯化 天数的增加， 停留2 4 h 后出水中亚硝酸盐浓度迅速增加， 直到第5 天时 趋于平缓， 出 水中 亚硝酸 盐浓 度 达到19 6. 98 m g 工 ， 而出 水中 硝酸盐 浓度迅 速降 低， 到 第9 天时 变 化缓慢， 此时停留2 4h后出水中的硝酸盐浓度仅为14 .gm叭 。 n oz积累率的 增长到 第9 天时趋于平缓，之后保持在93乡 %以 上，最高达到98. 1 %。 其中 值得注意的 是: 本实验是在中温、 高溶解氧条件下取得的。 而上述条件和一 般所 认为 的 亚 硝 化 菌 最 佳 条 件 ( 高 温、 低 溶 解 氧) 1355习 看 似 不 符。 实 验 重 复了 多 次 ， 仍得到上述数据。 对此， 实验进一步考察亚硝化菌富 集的 最佳富集方法。 在此， 实验研究了 在不同 温度、 溶解氧运行条件下经活性污泥处理过后的出 水水 质及n 0 2 积累率。 4. 2. 1温度对亚硝化细菌积累的影响 实验在15、 20、 25、3 。 四 组温度条件下， 采用间 歇式换水的方法， 通 过 活 性 污 泥 对 氨 氮 模 拟 废 水 进 行处 理. 其中 ， 进 水 氨 氮 浓 度 约 为30 o m g 工 。 接 着 ， 将 其sh出水水质及n 0 2 积累率进行分析，如表4. 1 所示。 硕士论文微生物固定化技术的 研究及其在生物脱氮方面的应用 表4. 1 不同 温度条件下出 水水质及n o f 积累率 温度 s h 出 水中 氨氮浓度 sh出 水中亚硝酸盐浓度 sh出 水中 硝酸 盐 浓 度 n o 犷 积累率 1 5 2 0 2 5 3 0 74.7m g 工 2 0 7 .z m 目 工 8. 4 m 叭 9 6 . 1 % 5 8 . 4 m g 工 232 .4田 g l 7. 9 功 留 1 9 6 一 7 % 4 7 . s m 留 l 2 4 7 6 m 乡 工 7 . s m 叭 9 6 夕% 44.2川 目 工 2 40名m g l 7. 2 m 留 工 9 7 . 1 % 通过表4 . 1 可以 看出: 在整个实验温度范围内， 四组温度条件下出水的n 伍积累 率均很高， 均大于% 。 这也说明 在15 30 温度范围内， 通过该方法富集亚硝 化细菌效果良 好。但当温度在2530时，出水中亚硝酸盐浓度最大，说明此时 亚硝化细菌活性最好。 4 .2.2溶解氧对亚硝化细菌积累的影响 实验在5. 3 m 叭、 7. 6mg /l、 9. 2m留 毛 3 组溶解氧条件下， 采用间歇式换水的方法， 通过活 性污 泥 对 氨氮 模 拟废水进行处 理。 其中， 进水氨氮 浓度约为30 o m 留 1 。 之后， 将其sh出 水水质及n 仇 积累率进行分析，如表4. 2 所示。 表4. 2 不同 溶解氧条件下出水水质及n 0 2 积累率 溶解氧 肋出水中 氨氮浓度 sb出 水中 亚 硝酸盐 浓度 s h 出水中硝酸盐浓度 5 3 功 9 飞7 .月 m 叭 5 8.4川 9 工 . 9 工 23 7.5 63. 7 m g 工 刀8. o m 留 t2 24.5 m 叭 n 0 2 . 积累率97.l %. 7 %乃 % 通过表4. 2 可以 看出: 随着溶解氧条件的 变化， 出 水中亚硝酸盐浓度变化并不大。 在整个实验溶解氧范围内， 3 组溶解氧条件下出 水的n 0 2 . 积累率均很高， 均大于% 。 这也说明 在5. 3 m g 工 9. 2 m 留 1 溶解氧范围内 ， 通过 该 方法富 集亚 硝化 细 菌效果同 样 良好。 通过对以 上不同 温度、溶解氧条件下出 水水质及n 0 2 积累率的分析发现:当采 用间歇式换水的方式时， 亚硝化细菌能够在较大的条件范围内 得到富 集。 对此， 实验 从活性污泥对废水处理的具体过程入手， 详细考察不同 停留时间条件下出 水水质、 溶 解氧及ph 的 变 化。 如图4. 2 、图4. 3 及图4. 4 所 示。 硕士论文微生物固定化技术的 研究及其在生物脱氮方面的应用 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 - 叫 卜 -出水氨氮浓度 出 水亚硝酸盐浓度 ， . 一出水硝酸盐浓度 曰谧m)侧烧娜殊装 5 停留时间( h) 图4. 2 活性污泥对模拟废水的 处理过程 通过图4. 2. 2 可以 看出:当 停留时间 在6h以内 时，出 水中 氨氮浓度随 着停留时 间的 增大而迅速降 低， 亚硝酸盐浓度迅速增加， 硝酸盐始终维持较小浓度. 当停留时 间达到6h时，出 水中 氨氮浓度降 至5 0 m 目 l以 下. 而当 停留时间 超过6h后， 氨氮及 亚硝酸盐浓度变化过程均趋于平缓。 - 闷 卜 -溶解氧 月匕5左朴nj 曰国日屏淮块 2 0 04 0 06 0 0 反应时间( 耐n) 图4. 3 活性 污泥处理过 程中 溶解氧变化趋势 通过图4. 3 可以 看出 : 在 进 水 溶 解 氧为6. 5 m 留 工的 条 件 下， 随 着 停留 时 间 的 增 加， 水中溶解氧先迅速降 低，当停留时间在80220 面n 范围内时，水中溶解氧维持在较 低 浓 度范围( 小 于z m 留 1 ) . 而当 停留 时 间 超 过4h时 ， 水中 溶 解 氧 迅 速 上 升， 并 最 终 达到s m g 几以 上。 硕士论文微生物固定化技术的 研究及其在生物脱氮方面的应用 n一nr翻匕 一匕丹才月才 ph7 . 4 7 . 2 7 6 . 8 6 . 6 - 刊 卜 - p h 05 01 0 01 5 02 0 0 停留时间 ( min) 2 5 03 0 0 图4. 4 活 性污 泥处 理过程中ph值的 变 化 通过图4. 4 可以 看出 : ph 在 整个 停留 时间 范围内 持续降 低，当 停留 时间 达到4h 时， 水中p h降 至7. 0 左 右。 由 硝化作用过程可知， 硝化过程首先是由 亚硝化菌将氨氮转化为n oz-，然后由 硝化菌将n 0 2 转化为n 仇. 。反应式见式 ( 2 一 1 ) 、式 (2一) 及式 ( 2 一 3 ) 。其中，亚硝 化菌与硝化菌均是自 养型细菌，以无机碳为碳源。 由 于本实验采用间歇式进水， 因此亚硝化细菌对水中能源、 碳源的消耗必定会造 成硝化细菌所需的能 源、 碳源短缺， 从而达到抑制其他细菌的生长的目的。 所以，亚 硝化细菌是否能更有效地、 充分地利用水中的能源和碳源成为本实验中短程硝化过程 控制的一个关键。 通过上面3 个图形可以看出:当停留时间在4h以内时，由 于微生 物在对污染物的吸附、 氧化过程中消耗氧气， 水中的溶解氧处于较低的浓度， 硝化细 菌的活性受到抑制、 生长缓慢; 而此时由于所受到的影响较小， 亚硝化细菌在此阶段 能 够 充 分 地 利 用水 中 的 氮 源 和 碳源 促 进自 身 增 长 ， 6-3 9 . 之 后随 着 停留 时 间 的 继 续 增 加， 水中溶解氧逐步升高， 但此时水体中的氨氮和无机碳已 被亚硝化菌消耗得所剩不 多， 微生物此时已 达到减速增长期甚至内 源呼吸期阶段， 因 此虽然这时溶解氧能够满 足硝化细菌的生长条件， 但水体中己 无法提供给细菌生长所需的碳源及氮源， 硝化细 菌的生长仍然受到抑制。故实验利用这个过程对亚硝化菌进行富集。 通过分析可知， 利用间歇式换水的方法富集亚硝化细菌的关键参数为进水的碳酸 盐或碳酸氢盐与氨氮之间的 质量比 ( hc伪一 / n h4干 书)o 实 验 在 进 水 氨 氮 浓 度 约 为30 0 m 留 工 的 前 提下 ， 对 含 有 不 同 碳 酸 氢 钠 浓 度的 模拟 废水出 水水质进行分析， 如图4. 5 所示。 硕士论文微生物固 定化技术的研究及其在生物脱氮方面的应用 辞映彩圳鲁深圈 % 10080%60%姗珊既 400350300250200150100500 妞留侧影娜粼卿于书习 进水中碳酸氢钠浓度 6 ( 9 / l ) 于出水中亚硝酸盐浓度 出水中硝酸盐浓度 亚硝酸盐积累率 图4. 5 不同碳酸氢钠浓度条件下出 水水质及n o 2 积累率 通过图4. 5 可以 看出 : ( 1)进 水中 碳酸 氢钠 浓 度 较 低时 ， 亚 硝 酸盐