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硕士论文微生物固定化技术处理高浓度氨氮废水的研究 摘要 本文介绍了在s b r 工艺条件下通过控制外在条件如温度、p h 值、溶解氧、进水 h c 0 3 n h 4 + - n 比值，从而达到亚硝酸盐富集的目的：温度控制在2 8 - - 3 2 c 左右、p h 值在7 8 - 8 2 左右、溶解氧控制在5 5 - 6 0 m g l 、进水h c o f n h 4 + - n 比值控制在6 2 7 4 范围内时，亚硝酸盐的富集能够达到8 0 以上。 同时本文在讨论了一种比较经济、实用、较广泛使用的固定化包埋方法，通过平行 实验的方法确定最佳包埋载体的使用量、添加剂的种类、包茵量的确定，同时采用饱和 磷酸为固定液，在4 c 温度下固定2 4 h 。用此方法制作出的固定化包埋球体机械强度最 高，传质性能好。将此固定化包埋球体置于室温下风干，不仅不影响微生物的活性，同 时还增强了包埋球体的机械强度，增加了其使用寿命。 另外试验还对纯固定化包埋球体与固定化包埋球体和活性污泥混合物的氨氮去除 率和亚硝酸盐的累积率进行了比较分析，发现在相同条件下后者的处理效果更加显著， 并且明显缩短了反应时间。 关键词：固定化，混合包埋，富集培养，亚硝酸盐，短程硝化 a b s t r a c t t h e p a p e rg i v e sa r e f e r e n c et om e a ta t a r g e to fe n r i c hn i t r o s i f y i n gb a c t e r i au n d e rs b rb y c o n t r o l l i n ge 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 o ，i n - p o r t e dw a t e rh c 0 3 n h 4 + - n 。 i tw i l lm e a tae f f e c t i v e n e s so f9 0 n i t r i t ee n r i c h e db yc o n t r o l l i n gt e m p e r a t u r eb e t w e e n3 0 3 5 c ，p hb e t w e e n8 0t o8 5 ，d ob e t w e e n2 0 m g lt o2 5 m g la n dh c 0 3 n h 4 + - ni n p o r t e d w a t e rm u s tb eb e t w e e n6 31 7 5 7 w ea l s od i s c u s sa l le c o n o m i c a l ，p r a c t i c a la n dw i d e s p r e a dm e t h o dt oi m m o b i l i z e m i c r o - c e l l d op a r a l l e lt e s t st od e t e r m i n et h em o s ta d e q u a t ea m o u n to fc a r r i e r , t h eb r e e do f a d d i t i o na g e n ta n dt h ea m o u n to fb a c t e r i a t h ef i x a t i v ei sm a d eo fs a t u r a t e dp h o s p h o r i ca c i d r e m a i nt h ec a r r i e ru n d e r4 cl a s t i n ga b o u t2 4h o u r s t h u si th a sb e s tm e c h a n i c a ls t r e n g t ha n d m a t t e r sc a ne a s yt oe n t e ra n dc o m eo u t a i rs e a s o n i n gt h ec a r r i e ry o uw i l lf i n di tw i l le n h a n c e s i nm e c h a n i c a ls t r e n g t ha n di n c r e a s e si t su s i n gl i v eo nt h eb a s eo f r e m a i n i n gc e l l s r e a c t i v i t y o t h e r w i s e ，c o m p a r i n gt h ee f f e c t i v e n e s so fd e a l i n gw i t hn i t r i t e ，w ef o u n dt h a tm i x t u r e m i x e db yi m m o b i l i z e dp e l l e t sa n da c t i v a t e ds l u d g ei sb e t t e ra tt r e a t i n ga m m o n i an i t r o g e n w a s t ew a t e r , n om a t t e ri nr 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 yo ri nc u t t i n gd o w nr e a c t i o n t i m e k e yw o r d s ：i m m o b i l i z a t i o n ，m i x e d - e n c a p s u l a t i o n , e n r i c h e d c u l t u r e ，n i t r i t es h o r t c u t n i t r i f i c a t i o n 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己在论文 中作了明确的说明。 印3 年石月名日 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。 年6 月拓日 硕士论文微生物固定化技术处理高浓度氨氮废水的研究 1 绪论 1 1 氮素在水体中的危害 大量未经处理或者未经适当处理的含氨氮的各种废水( 包括生活污水以及某种工业 废水) 排入江河，会给环境造成严重的污染，主要表现为以下几个方面： ( 1 ) 造成水体的富营养化 当水体水流滞缓、滞留时间相对较长的时候，十分适合氮、磷等营养素的积累和水 生植物的大量繁殖。一般水体中含氮量大于0 2 , - - - 0 3 m g l 、含磷量大于0 0 1 一0 0 2 m g l 的时候，即会促使水生植物旺盛生长，形成富营养化污染，水藻大量繁殖，出现水华和 赤潮现象，产生恶臭，隔绝大气与水体的氧气交换，危及水体中的生物。 ( 2 ) 增加给水处理的难度 被氮素严重污染的水体，会给水的净化处理带来很多困难，进而严重影响饮用水水 质。2 0 0 8 年著名旅游景点太湖就是个典型的例子 ( 3 ) 消耗水体中的氧气 ( 4 ) 对人类和生物具有毒害作用i l j 饮用水中的含氮物主要为硝酸盐，一般含量很少超过l m g l 。天然水体中的亚硝酸 盐可以和胺作用生成亚硝胺，特别是当有机污染物无管理排放、引起大量污泥累积的情 况下更甚。亚硝胺有致癌个致畸的作用。亚硝酸盐对人体作用机理如图1 1 【l 】所示。 1 绪论 硕士论文 硝酸还原菌 硝酸盐+ 亚硝酸盐 + 0 2 血红蛋白( f e 2 + ) - 氧合血红蛋白红色( 正常) 亚硝酸盐 高铁血红蛋白( f e 升，褐色，不正常) r w 飓 n o ；+ r - n h 叫 n - n = o ( 亚硝胺) r - n h ( 图1 1 亚硝酸盐对人体作用示意图 伴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。所以研究开发经济、高效的脱 氮污水处理技术已成为水污染控制工程领域的研究重点和热点。传统的活性污泥脱氮系 统中硝化菌生长缓慢，易流失，对环境变化敏感，硝化和反硝化过程难以在时间和空间 上统一，而固定化微生物技术较好地解决上述问题，因此成为近年来生物脱氮领域研究 的热点之一。 1 2 固定化生物技术 1 2 1 固定化生物技术的概念 固定化微生物技术【3 1 ( i m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s m s ，i m o ) 是、一一1 7 1 领域中的 一项新兴技术，是通过化学或物理手段将游离细胞或酶定位于限定的空间区域内，使之 保持活性并可反复利用的方法。 1 2 2 固定化微生物制备方法 固定化微生物的制备方法多种多样，目前国内尚未有统一的分类标准，但废水处理 中常用的方法主要有：结合法、吸附法、包埋法、共价键法和交联法等【4 5 】。 ( 1 ) 结合法 结合法是利用载体与微生物之间的范德华力将微生物吸附在载体表面而固定化的 方法。 ( 2 ) 吸附法 吸附法包括物理吸附和离子吸附两类。物理吸附是使用具有高度吸附能力的硅胶、 活性炭等吸附剂将微生物吸附到表面使之固定化。离子吸附是微生物在解离状态下因静 电引力的作用而固着于带有相异的离子交换剂上。 2 硕士论文微生物固定化技术处理高浓度氨氮废水的研究 ( 3 ) 包埋法 包埋法是将微生物包埋在凝胶的微小格子或微胶囊等有限的空间内，微生物被限制 在该空间内不能离开，而底物和产物能自由地进出这个空间。包埋法是目前使用最广泛 的固定化方法，也是本实验所采用的方法。 ( 4 ) 共价键法一 共价键法是微生物细胞表面上的功能团与固相支持物表面的反应基团之间形成的 化学共价键连接而形成固定化微生物。 ( 5 ) 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如氨基等 进行交联，形成共价键来固定微生物。 应用于生物脱氮的微生物固定化方法主要是包埋固定化，该法操作简单，能保持多 酶系统，对细胞活性影响较小，制作的固定化载体机械强度相对较高，传质性能较好。 各种制备固定化微生物的方法见表1 1 【6 】。 表1 1 各种固定化技术的比较 t a b l e1 1t h ec o m p a r i s o no fi m m o b i l i z e dt e c h n o l o g y 上述所介绍的各种微生物固定化技术由于采用的材料及方法不同，在实际应用中有 3 1 绪论 硕士论文 较强的针对性及各自不同的优缺点。在实际工作中，必须根据研究工作及工程反应器的 目的性合理选择合适的固定技术，才能达到最理想的效果。 1 2 3 微生物固定化机理 ( 1 ) 微生物固定化的过程 微生物在载体表面附着固定过程可以看作载体表面与微生物表面间的相互作用，从 液相理论分析，细菌在载体表面附着、固定过程如图1 2 t 7 】所示。 7 液 相 由 f 三一微生物向载体表面运送 霾 t 微 l 兰 没有附着的微生物 。物 一一 图1 多，微生物在载体表面固定一般过程 着 固 定 微 生 物 增 长 、 形 成 ( 2 ) 微生物固定化的影响因素 微生物固定化的影响因素主要有3 大类：微生物本身的性质、载体特性及周边环境 特征，具体见表1 2 t 8 】所示。 表1 2 微生物固定化的影响因素 t a b l e1 2t h ee f f e c t i v ei t e m so ni m m o b i l i z e dm i c r o b i o l o g y 1 2 4 固定化微生物技术的特点 固定化微生物技术用于废水处理具有诸多特点： ( 1 ) 能在生物处理装置内维持较高的生物量以提高处理能力，减少处理设备的体积和占 地面积，有利于处理装置的小型化。与活性污泥相比，有机复合可以提高2 - 6 倍； ( 2 ) 能够有效利用一些特种微生物，可以将筛选培养出的能降解难分解物质的微生物以 及高效脱氮菌、硝化菌、甲烷菌等浓缩固定，有针对性地使用，不能形成絮体的微生物 4 。 不可逆附 啼 可逆附着 _ 磺女论文 微生物黧定纯技零处理蹇浓度懿熬痰零豹磷巍 也可以加以利用； ( 3 ) 剩余污滋少，霾定纯缨麓的剩余污淀量稷为普逶污滗量静1 5 - q 4 ； ( 4 ) 提供了在同一反应器中同时固定不同种类微生物的可能性，如在生物脱氮中常用的 硝纯菌帮反硝他菌翡混台雹埋； ( 5 ) 具有抗冲击负荷及抑制性物质的能力，特别是采用包埋法固定化技术时，微生物被 离分子化合物所覆盖，与毒性物质的接触受到限制，安全性大大增加； f 妨圆滚分离效果葑。 l 。3 合成氨工业废水脱氮概述 1 3 1 合成氨工业废水 ( 1 ) 合成氮工监废水静主要来源 合成氨工业废水主要来源于造气工艺洗气水，脱硫工艺废水，变换、精炼排水，含 氨工艺冷凝液，暴素解析液，锅炉岗霰排承等。其孛，造气蠢燕熬废承是合成氨工进废 水的主要来源，占总废水量的7 0 。 稼合成氨王监废水豹特点 q c o d 低，氨氮含量高，c n 比值低，不利予总氮的脱除；废水温度离，遗气废 水一般在钧5 0 之闻，对微生物活性有影响：含有氰化物、硫化物，对微生物有 一定的毒性。 ( 3 ) 存在的问题 我鋈露蘸拥有大孛小备型会威氨企业一手余家，废水怂墅存在的主要阌题是：一 些合成氨企业不进行废水处理，或只进行部分废水处理，直排、偷排现象时有发生； 废水孛豹蔫浓度氨氮不韪有效去除，难以达标排敖； 废水处理瑗辫基建投瓷穰丈，约 占工程总投资的5 左右，处理每吨氨氮约需投资l o 万元：运行费用高，处理每吨氨 氮约霈3 万元；现有设施处理能力有限，随着生产的发展，废水撵放量必将不断增大， 戮时废水处理效采更难以保证。 l 。3 。2 生物脱氮技术以及在合成氨工业废水处理孛豹应用l 戴1 0 l 卜) 传统硝化反硝化置艺 1 ) 传统活性污泥法脱氮工艺 三级活性污泥法脱氮传统工艺是苏氮亿、硝化、反硝化三种反应过程为基础建立的。 优点：有机底物降解菌、硝化菌、反硝化菌分别在反应器内生长繁殖，反应条件适 意，丽显餐蜜圆流溉淀洼分离豹污渥，反应速度快并置托较彻底。 缺点：处理流程长、设备多、造价高、管理不方便；反硝化反应需外加碳源， 罐翔运行成本；热傈涯邕农永质帮溶解氧，有的需再设暴气反应器，增巍动力费瘸。 s 1 绪论 硕士论文 ( 2 ) 缺氧好氧脱氮工艺( a o ) 缺氧好氧脱氮工艺( a o ) 是一种前置反硝化工艺，反硝化、硝化和有机物去除分 别在两座不同的反应器内进行。 优点：流程简单、装置少、建设费用低；无需外加碳源；改善活性污泥的沉 降性能，有利于控制污泥膨胀，并且反硝化过程产生的碱度可以补偿硝化过程对碱度的 消耗。 缺点：需要双循环系统；出水中含有一定的硝态氮，沉淀池运行不当容易产生 而沉池的污泥上浮；运行费用高。 ( 3 ) 间歇式( s b r ) 脱氮工艺 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【1 1 】。 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a o 工艺改进 得到的b a r d e n p h o 工艺和p h o r e d o x 工艺；由s b r 改进得到的c a s s 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。如短程硝化反 硝化工艺( s h a r o n 工艺) 【1 2 - 聊、氨的厌氧氧化( a n a m m o x ) 【1 6 1 、d ea m m o n i f i c a t i o n 工艺f 1 7 】 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。 ( 二) 生物脱氮新技术 生物脱氮技术取得了快速的进展，以亚硝酸型硝化反硝化技术和厌氧氨氧化技术为 标志的诸多新型生物脱氮技术( 如表1 3 t 1 】) 的先后问世，不仅弥补了传统硝化反硝化技 术的缺陷，提高了脱氮效率，降低了废水脱氮成本，也填补了高浓度含氮废水没有直接 脱氮技术的空白，在我国合成氨工业的日益发展导致氮素污染日益严重以及治污费用不 堪重负的双重压力之下，借鉴和应用这些科技成果，无疑具有重要的现实意义。 表1 3 生物脱氮新技术 t a b l e1 3t h el l g wt e c h n o l o g i e so fm o v i n gb yb i o l o g y 硕士论文 微生物鞭定讹技术处理高浓度氮氮废水的研究 虽然以上生物脱氮新技术相对于传统的生物脱氮技术具有成本低、脱氮效率高等优 点，但传统生物脱氮处理改进型新技术( 如固定化生物脱氮技术) 对于不具备脱氮处理 工艺的污水处理厂具有更重要的现实意义。 1 4 本论文研究的主要内容、虽的和意义 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，掌握氨氮、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 生物固定亿配方； ( 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 生物固定化包埋载体在短程硝佬蓠提下运行的最健条件。 ( 5 ) 比较固定化包埋载体单独处理以及固定化包埋载体与污泥混合处理高浓度氨 氮废水的处理效果，比较其经济价值。 7 2 脱氮基本原理 硕士论文 2 脱氮基本原理 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 0 2 和n 0 3 。；最后通过反硝化细菌将 n 0 2 和n 0 3 - 转化为n 2 ，从而达到脱氮目的。 2 1 水体中氨氮的存在形态 水体中氨氮主要以n h 3 、n h 4 + 离子的形式存在，两者之间维持弱碱平衡。可以得 到以下关系： 呻3 = 【o h 幸纠( k b + o h )( 2 1 ) 【m 4 十】= k b 奉c d b + o h )( 2 2 ) 式中：c d 溶液浓度 k b 平衡常数 从式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可知，水体中的n h 4 + 和n h 3 的含量都随着p h 值而变化。见图2 1 【1 3 】 所示。 2468l o 1 21 4 p h 图2 1 水体中含氮污染物浓度与p h 值的关系 f i g 2 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np hv a l u e sa n dt h ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i a ，【n h 4 + 】；，t n h 3 】；a ，【h 1 ；口， o h - 】 在p h = 7 时，大约只有o 5 以n h 3 形式存在，p h = 8 时约占5 。在酸性环境中【n h 4 + 】 o 之 4 o 凹o r 石 墙 以 硕士论文微生物固定化技术处理高浓度氨氮废水的研究 很大， s h 3 】很小，在很强的碱性环境中两者才相反。当 n m q = n h 3 = c 2 时，出现体 系点1 ，体系点的p h = 9 2 6 ；交点2 的p h 值为5 6 5 ；交点3 的p h 值为1 0 6 5 ；交点4 的p h 值为7 0 。 图2 1 氨氮溶液生物脱氮控制p h 值为8 左右，因此水体的氨氮主要以 n h 4 + 的形 态存在。 2 2 生物脱氮原理和过程 2 2 1 生物脱氦原理 在自然生态系统中，从化合态氮到气态氮进而从根本上去除含氮污染物质的转化过 程主要通过硝化和反硝化过程起作用。 ( 1 ) 硝化过程的生化反应【2 】 硝化细菌主要包括氨氧化细菌，亚硝酸盐氧化细菌，硝化过程主要是由这两种菌完成的， 如图2 2 【1 】所示。 氨离子( n 心) 、 l 氨单氧化酶 、 氨 羟胺一2 0 h n 2 气态氮 氮 的 氧 羟胺硝酰基、硝一h二。n 2 。还原酶化 还 原 羟胺氧化矗 亚硝酸还原 n 歹o - - 氧化氮气体 态 亚硝酸盐f亚硝酸n 0 2 硝酸棚日口筒1 1 、j e 爿b * 还原酶 硝酸盐n o 3 氨氧化细菌亚硝化盐氧化菌反硝化细菌 图2 2 硝化过程生化反应 已有研究表明，氨氧化细菌对氨氮的转化过程为： 氨单氧化酶 羟胺氧化酶 羟胺氧化酶 n h 3 + n i - 1 2 0 h ( n o h ) n 0 2 ( 2 ) 反硝化过程的生化反应 9 2 脱氮基本原理硕士论文 根据现有的研究结果例显示，细菌的反硝化过程基本可以用下列式子比表示： 硝酸还原酶亚硝酸还原酶n o 还原酶 n 2 0 还原酶 n 0 3 n 0 2 n o _ 卜n 2 0 - n 2 一般情况下反硝化细菌都是利用氧气作为电子受体的，而在氧气含量很低或者缺氧 的条件下，能利用硝酸盐及亚硝酸盐中的氧气进行呼吸作用。 2 2 2 硝化作用 硝化作用( n i t r i f i c a t i o n ) 是指微生物将n h 4 + 氧化成n 0 2 。，再进一步氧化成n 0 3 - 的 过程【2 2 1 。硝化作用由两类细菌完成：一类是硝化菌( n i t r o b a e t e r ) ，将n 0 2 - 氧化成n 0 3 。； 另一类是亚硝化细菌，常见的是亚硝化单胞菌( n i t r o s o m o n a s ) ，将n h 4 + 氧化成n 0 2 。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 0 2 ，然后由硝化菌将n 0 2 - 进一步 氧化为n 0 3 。，反应式如下： 5 5 n h 4 + 7 6 0 2 + 1 0 9 h c 0 3 鸥c 5 h 7 0 2 n + 5 4 n 0 2 + 5 7 h 2 0 + 1 0 4 h 2 c 0 3 ( 2 3 ) 4 0 0 n 0 2 扑m 4 “h 2 c 0 3 + h c 0 3 + 19 5 0 2 塑塑l c s h 7 0 2 n + 3 h 2 0 + 4 0 0 n 0 3 ( 2 4 ) 合并式( 2 3 ) 和( 2 4 ) ，得下式 n h 4 + + 1 8 6 0 2 + 1 9 8 h c 0 3 屿( 0 0 181 + 0 0 0 2 5 ) c 5 h 7 0 2 n + 1 0 4 h 2 0 + 0 9 8 n 0 3 + 1 8 8 h 2 c 0 3 ( 2 5 ) 式中c 5 h 7 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h c 0 3 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【1 5 】。硝化反应需要消耗碱度，产生矿，所以会使p h 值下 降，出现酸化现象；将1 n h 4 + n 氧化成n 0 3 - n ，最大需氧量为4 5 7 9 ，最大碱度消耗 为5 1 9 ( 以c a c 0 3 计) ；将l g n h 4 + - n 氧化成n 0 2 ，最大需氧量为3 4 2 9 9 ，最大碱度消 耗量为4 1 2 9 。可见，经过n 0 2 。途径可节省2 5 的氧和1 9 2 的碱度。 硝化细菌的比增长速率非常小，增殖缓慢。硝化细菌的增殖速度除与氨氮浓度有关 外，还受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( 活性污 泥系统) 等环境因素影响。 2 2 3 反硝化作用 反硝化作用【1 4 1 ( d e n i t r i f i c a t i o n ) 是将n 0 3 或n 0 2 还原成n 2 或y 2 0 的过程。参与这一 过程的微生物称为反硝化菌。大多数反硝化菌是异养的兼性缺氧型微生物，其反应需在 缺氧条件下进行。反应过程中反硝化细菌以各种有机物为电子供体，以n 0 3 或n 0 2 为 1 0 硕士论文微生物固定化技术处理高浓度氨氮废水的研究 电子受体进行厌氧呼吸，其反应为 n 侥+ l 。0 8 c r i 3 0 h + 0 2 4 h 2 c o y - , 0 0 6 c a h 7 0 2 n + 0 。4 7 p l 。6 8 h 2 0 + h c 0 3 n 0 2 。6 7 c h 3 0 h + 0 5 3 h 2 c 0 3 _ o 。0 4 c 3 h 7 0 2 n + 0 。4 8 n 2 什1 2 3 h 2 0 + h c 0 3 由上述反应可知，反硝化反j 血中每还原l gn 0 3 。可提供2 6 9 的氧， c a c 0 3 和0 4 5 9 反硝化菌，消耗2 4 7 9 甲醇( 约为3 。7 9 c o d ) 。 上述反硝化反应也可用下式来表示： n 0 2 + 3 h ( 耄子供体有机物) 一l 趔曦ph 2 0 o h n 0 3 + 5 h ( 电子供体有机物) 叶1 2 n 2 t + 2 h 2 0 + o h 反硝化过程中从n 侥。还原为n 2 需经历连续的4 步反应： n 0 3 。- n _ n 0 2 - - n _ n o n 2 0 一n 2 t ( 2 6 ) ( 2 7 ) 同时产生3 4 7 9 的 g 。8 ) ( 2 9 ) 有研究表明1 2 4 1 ，当废水中碳源不足，n 0 3 浓度远远超过可被利用的氢供体时，反硝 讫过程中生成的n 2 量将减少，并致使反硝化反应大量生成n 2 0 。 影响反硝化反应的环境因素主要有p h 值、溶解氧浓度、温度、o r p ( 氧化还原电位) 、 碳氮眈、有毒物质等。 3 亚消化菌的驯化和富集硕士论文 3 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 工艺二沉池池底污泥。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。 3 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。因此如何富集出高效的亚硝化细菌成为实验的一 个重点。 3 1 1 培养基 亚硝化细菌有机培养基的组成：n h 4 c i1 0 9 l - - 一1 s e r e ，葡萄糖0 3 9 l - - 一0 6 9 l ， n a h c 0 32 5 , - , - , 3 0 9 l ，k 2 h p 0 40 5 9 l ，加入适量的f e ，m g ，c a 等微量元素。 3 1 2 培养方法 实验采用间歇式进水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、反应装置内的温度、水体中的溶解氧量和p h 值等外在条件，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、使之成为优势菌种 的目的。 3 2 亚硝化细菌最佳驯化条件的选择 实验取一定量的活性污泥放入3 l 反应器中混合均匀后，并将其置于室内温度( 2 0 c 左右) 及溶解氧约为5 0 6 0 m g l 的条件下通过间歇式换水的方式驯化活性污泥。经 过近一个月的驯化过程后，活性污泥对废水去除稳定，n 0 2 积累率最终稳定8 0 以上。 如图3 1 所示。 1 2 硕士论文微生物固定化技术处理商浓度氨氮废水的研究 2 8 0 2 4 0 2 0 0 = 1 6 0 b o 皇 吝1 2 0 8 0 4 0 o olz5 7 1 01 5 z oz 5z 8 3 0 t d 图3 i出水水质与污泥驯化时间关系图 f i g 3 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nq u a l i t yo f y i e l d i n gw a t e ra n dt i m eo fs l u d g ea c c l i m a t i o n 一，出水亚硝酸盐的浓度；，出水硝酸盐的浓度 由图3 - 1 可以看出：在驯化初期，出水中硝酸盐浓度较大，而亚硝酸盐几乎没有， 亚硝酸盐积累率几乎等于零。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1 5 2 3 m e t , ，而出水中硝酸盐浓度迅速降低，到第1 5 天时变 化缓慢，趋于稳定，此时停留2 4 h 后出水中的硝酸盐浓度仅为1 3 9 m g l 。n 0 2 积累率 的增长到第1 5 天时趋于平缓，之后保持在9 1 3 以上。 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) 【2 5 。2 8 】看似不符。实验重复了多次，仍得 到上述变化趋势。对此，实验将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。 3 2 1 温度对亚硝化细菌积累的影响 以上经过一个月驯化稳定的活性污泥，选择在1 5 、2 0 c 、2 5 、3 0 。c 、3 5 等5 组温度条件下，采用间歇式进水的方法，通过活性污泥对进水氨氮浓度为3 0 0 m g l 左 右的模拟废水进行处理，每隔2 h 取一次样对其出水水质及n 0 2 。积累率进行分析。如图 3 2 所示。 3 皿硝化菌的驯化和富集硕士学位论文 3 0 0 2 5 0 2 0 0 鎏1 5 0 1 0 0 5 0 o 1 52 02 53 03 5 t 图3 2 不同温度条件下出求污染物浓度变化 f i g 3 2t h ec h a n g eo fw a s t ec o n c e n t r a t i o nu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，8 h 出永氨氮浓度：，8 h 毒水亚硝酸盐浓度：，8 h 出本硝酸盐浓度： 由图3 2 可以看出，在整个实验温度范围内，五组温度条件下出水的n 0 2 积累率均 很高，都在9 0 以上。这说明在1 5 - 3 5 湿度范围内，通过该方法富集亚磷化细菌 效果良好。但当温度在2 5 。c 3 5 时，出水中亚硝酸盐浓度最大，说明此时旺硝化细 菌活性最好。 3 2 2 溶解氧对亚硝化细菌积累的影响 实验在5 3 m g l 、6 ，8 、7 6 m g l 、9 2 m g l 等4 组溶解氧条件下，采焉闻歇式换水的 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3 0 0 m g l 左 右。测其8 h 嫩水中n 0 2 、n 0 3 。、n h 4 + 浓度积累率进行分析，如图3 。3 所示 1 4 硕士论文微生物固定化技术处理高浓度氨氮废水的研究 3 0 0 2 5 0 2 0 0 、 誉1 5 0 u 1 0 0 5 0 o 5 36 8 d o ( m g l ) 6 6 6 4 6 2 6 0 拿 b 0 5 8 5 6 5 4 5 2 图3 3 不同溶解氧条件下出水水质变化 f i g 3 3a l t e r i n go f y i e l d i n gw a t e ru n d e rd i f f e r e n td o ，8 h 出水中氨氮浓度；，8 h 出水中亚硝酸盐浓度；，8 h 出水中硝酸盐浓度 结论：随着溶解氧浓度的不断变化，出水中亚硝酸盐浓度的变化并不大。在整个实 验溶解氧范围内，四组不同溶解氧浓度条件下的出水中n 0 2 的浓度均很高，累积率都 在8 0 以上。这也说明在5 6 m g l 9 2 m g l 溶解氧范围内，通过该方法富集亚硝化细 菌效果同样良好。 3 2 3p h 值对亚硝化细菌积累的影响 实验在6 0 、7 0 、8 0 、8 5 、9 o 等5 组p h 值条件下，采用间歇式换水的方法，通 过活性污泥对模拟废水进行处理，分析p h 对亚硝化细菌累积的影响。其中，进水氨氮 浓度约为3 0 0 m g l 。之后，测其8 h 出水中n 0 2 。、n h 4 + 浓度积累率进行分析，如图3 4 所示。 3 亚硝化菌的驯化和富集 硕士学位论文 2 0 0 1 8 0 1 6 0 1 4 0 1 2 0 誉1 0 0 o 8 0 6 0 4 0 2 0 o 67 88 59 p h 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 誉 5 0 ； 4 0 3 0 2 0 l o 0 图3 4p h 值对氨氮废水出水水质的影响 f i g 3 4e f f e c t so nt h ey i e l d i n gw a t e rq u a l i t yo fa m m o n i an i t r o g e nw a s t ew a t e r ，8 h 出水氨氮浓度；，8 h 出水亚硝酸盐累积率 由图3 4 可以看出，在p h = 8 5 之前，随着p h 值的增大，出水中氨氮的浓度也在不 断的减少，而亚硝酸盐的浓度则是随着p h 值的增加呈现不断增加的趋势。考虑到亚硝 酸盐的积累以及出水氨氮浓度的要求，驯化污泥的适合p h 值范围在7 5 8 5 之间。 通过对以上不同温度、溶解氧和p h 值条件下出水水质及n 0 2 积累情况的分析发现： 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，详细考察反应8 h 内不同停留时间条件下出 水水质、溶解氧及p h 的变化。如图3 5 、图3 6 及图3 7 所示。 1 6 硕士论文微生物固定化技术处理高浓度氨氮废水的研究 3 0 0 2 5 0 2 0 0 j 箸1 5 0 o 1 0 0 5 0 0 123 4 56 7 8 9 t h 图3 5 活性污泥对模拟废水的处理过程 f i g 3 5t h ep r o c e s so fa c t i v a t e ds l u d g et r e a t i n ga m m o n i an i t r o g e nw a s t ew a t e r - ，8 h 出水氨氮浓度；，8 h 出水亚硝酸盐累积率；，8 h 出水硝酸盐累积率 通过图3 5 可以看出：当停留时间在8 h 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 6 h 时出水中氨氮浓度降至5 0 m g l 以下。而当停留时间超过6 h 后，氨氮及亚硝酸盐 浓度变化过程均趋于平缓。 0o 511 522 533 544 5 5 5 566 577 58 t h 3 6 活性污泥处理过程中溶解氧变化趋势 f i g 3 6t h et e n d e n c yo fd od u r i n ga c t i v a t e ds l u d g et r e a t i n gw a s t e w a t e r 1 7 9 8 7 6 5 4 3 2 1 o 一，l鲁一oo 3 亚硝化菌的驯化和富集硕士学位论文 通过图3 6 可以看出：在进水之后2 h 的时候，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3 5 - - - - 4 5 h 范围内时，水中溶解氧维持在较低浓度范围( 小 于2 5 m g l ) 。而当停留时间超过4 5 h 的时候，水中溶解氧迅速上升，并最终达到甚至 超过进水时水中的溶解氧的浓度。 8 5 8 2 7 9 7 6 7 3 7 6 7 z6 4 a6 1 5 8 5 5 5 2 4 9 4 6 4 3 4 0l2345678 t h 图3 7 活性污泥处理过程中p h 值的变化 f i g 3 7t h et e n d e n c yo f p hd u r i n ga c t i v a t e ds l u d g et r e a t i n gw a s t ew a t e r 通过图3 7 可以看出：p h 在整个停留时间范围内持续降低，当停留时间达到4 h 时， 水中p h 降至6 0 左右。t t 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 0 2 。，然后由硝 化菌将n 0 2 转化为n 0 3 。反应式见式( 2 3 ) 、式( 2 4 ) 及式( 2 5 ) 。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 硝化细菌硝化过程中所需的能源和碳源的短缺，从而达到抑制其他细菌生长的目的。所 以，亚硝化细菌是否能够更有效更充分地利用水中的能源和碳源将成为本实验中短程硝 化过程所需要控制得所有因素的关键所在。通过上面3 个图形可以看出：当停留时间在 4 h 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【2 9 - 3 0 , 1 】。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经被亚硝化 菌消耗殆尽，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，但水体中已无法提供给细菌生长所需的碳源及氮源，硝 1 8 硕士论文 微生物固定化技术处理高浓度氨氮废水的研究 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。 3 2 4c n 值对亚硝化细菌累积的影响 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( h c 0 3 。i n h 4 + - n ) 。 实验在进水氨氮浓度约为3 0 0 m g l 的前提下，对含有不同碳酸氢钠浓度的模拟废 水出水氨氮浓度和亚硝酸盐的累积率进行分析，如图3 8 所示。 2 0 0 1 8 0 1 6 0 1 4 0 一1 2 0 誉1 0 0 u 8 0 6 0 4 0 2 0 o 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 水 5 0 ： 4 0 3 0 2 0 1 0 0 o 51 52 5344 5567 c ( t a g l ) 图3 8 不同碳酸氢钠浓度条件下氨氮浓度和n 0 2 - 积累率 f i g 3 8a m m o n i an 伯0 9 e na n dt h er a t eo f n i t r i t ea c c u m u l a t i n gu n d e rd i f f e r e n t - ，出水氨氮浓度；，出水亚硝酸盐累积率；o ，出水硝酸盐浓度 通过图3 8 可以看出：( 1 ) 进水中碳酸氢钠浓度较低时，亚硝酸盐积累效果较好： 当进水中碳酸氢钠浓度小于2 5 9 l 时，n 0 2 积累率较高，并且随着碳酸氢钠浓度增加 而增大，但通过式( 2 3 ) 可知，由于此时碳源不足，故出水中亚硝酸盐浓度并不高。当碳 酸氢钠浓度达到2 5 9 l , - - , 3 9 l 时，n 0 2 积累率达到最大值；( 2 ) 进水中碳酸氢钠浓度较 高时，亚硝酸盐积累效果很不理想：当进水中碳酸氢钠浓度超过a ge 时，此时出水中 硝酸盐浓度明显上升，亚硝酸盐浓度降低，直到进水中碳酸氢钠浓度达到7 0 9 l 时， 出水中几乎为硝酸盐，亚硝酸盐浓度极低，此时n 0 2 积累率降至2 0 左右。 所以，实验确定富集亚硝化细菌的最佳条件为：在间歇式进水、氨氮浓度为3 0 0 m g l 的条件下，当进水中碳酸氢钠浓度为2 s g l - - 3 9 l 时，亚硝化细菌富集效果最好。 二 3 3 小结 实验通过研究确定出一种能够在较大温度、溶解氧范围条件下富集亚硝化细菌的方 1 9 3 亚硝化菌的驯化和富集 硕士学位论文 法：采用间歇式换水的途径，通过控制进水中碳酸盐或碳酸氢盐的浓度来调节c n 比