（环境工程专业论文）好氧颗粒污泥及其高效功能菌株降解苯胺的试验研究.pdf

浙江工业大学硕士研究生学位论文 好氧颗粒污泥及其高效功能菌株降解苯胺的试验研究 摘要 本研究以絮状活性污泥为接种污泥，苯胺为目标污染物，通过运 行参数调控，成功实现好氧污泥颗粒化。接种污泥的平均粒径、污泥 生物量分别为6 7 7 1 t i n 、2 5 6 2 m g l ；而成熟颗粒污泥分别为3 6 0 6 1 x m 和4 4 0 0 m g l 。扫描电镜观察表明，成熟颗粒污泥表面微生物群落主要 以球菌和短杆菌为主。颗粒污泥能够有效降解高达6 0 0 0 m g l 的苯胺， 降解速率符合m i c h a e l i s m e n t e 方程，其中最大降解速率值 0 0 7 6 4 2 9 - a n i l i n e ( g - v s s h ) 。 好氧颗粒化过程中不同运行阶段的污泥p c r d g g e 指纹图表明， 种泥中部分条带消失并出现新的特异性条带，这种变化与颗粒化过程 中微生物种群演变相关。稳定运行阶段得到的p c r - d g g e 指纹图表明 该时期微生物种群和结构具有高度稳定性。克隆测序结果表明，好氧 污泥颗粒中主要优势菌群为p s e u d o m o n a s 、c o m a m o n a s 、f l a v o b a c t e r i a ， a c h r o m o b a c t e r ，t h e r m o p h i l i c 等。 同时，从稳定运行的颗粒污泥体系中分离得到若干苯胺高效降解 菌。菌株a d x l 自凝聚力最好，达到了7 3 7 。菌株间的共凝聚力也不 相同，菌株a d x l 和a d x 3 ，a d x l 和a d x 4 ，a d x 2 和a d x 3 共凝聚力较好， 在4 0 以上。菌株的自凝聚和共凝聚作用可能在好氧颗粒污泥形成中 发挥重要作用。根据16 sr d n a 序列和b i o l o g 等鉴定手段，可确定菌 浙江工业大学硕士研究生学位论文 株a d x l 和a d ) ( 3 分别属于p s e u d o m o n a s 和a c h r o m o b a c t e r 属，其适合 在中性偏碱条件下生长。菌株a d x l 可降解2 5 0 0 m g l 以下的苯胺废水， a d x 3 可降解4 0 0 0 m g l 的苯胺废水，同浓度下，a d x l 对苯胺的降解速 率比a d x 3 快，但a d x 3 具有更高的苯胺耐受浓度。降解特征的研究表 明，上述菌株降解苯胺符合h a l d a n e 动力学方程，a d x l 的最大比降解 速率和最大比生长速率分别为v m a x = 0 9 2 4 9 ( g h ) 、嗍= 0 4 8 7 9 ( g h ) ； a d x 3 的最大比降解速率和最大比生长速率分别为a x = o 6 4 5 9 ( g h ) 、 m 觚= 0 4 4 0 9 ( g h ) 。实验结果表明，a d x l 和a d x 3 均有明显的苯胺双加 氧酶活性；a d x l 有较高的邻苯二酚2 ，3 双加氧酶活性，a d x 3 有较高 的邻苯二酚1 ，2 双加氧酶活性，可推测，邻苯二酚是菌株降解苯胺的 代谢中间产物。 关键词：苯胺，生物降解，好氧颗粒污泥，p c r d g g e ，高效降解菌 l i 浙江工业大学硕士研究生学位论文 s t u d yo n 删l d 厄r e m o v a lb ya e r o b i cg r a u l e s a n dh i g h e f f i c i e n c ya n i l i n e d e g r a d i n g b a c t e r i a a b s t r a c t a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dw i t hf l o c c u l e n t a c t i v a t e ds l u d g ea st h es e e d i n gs l u d g ea n da n i l i n ea sas o l ec a r b o ns o u r c e v i ac o n t r o l l i n gt h eo p e r a t i o np a r a m e t e r s t h es e e d i n gs l u d g eh a da n a v e r a g ed i a m e t e ro f6 7 7 1 x m ，a n da na v e r a g eb i o m a s sc o n c e n t r a t i o no f 2 5 6 2 m l g ，w h i l et h ed i a m e t e ra n db i o m a s sc o n c e n t r a t i o nf o rt h em a t u r e s a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ea r e3 6 0 6 1 x ma n d4 4 0 0 m g l ，r e s p e c t i v e l y s e m o b s e r v a t i o ni n d i c a t e st h a tt h em a t u r eg r a n u l e sc o n s i s t e do faw i d ev a d e t y o fb a c t e r i a m a i n l y n c l u d i n 粤； , o c c i 1 i k eb a c t e r i u ma n dbrevibacteriumof b a c t e r i am a i n l yi n c l u d i n gc o c c ll i k eo a c t e r l u ma n ao r e v l o a c t e r l u m ， - t h ea e r o b i cg r a n u l e sc o u l de f f i c i e n t l yd e g r a d e da n i l i n eu pt o6 0 0 0 m g l t h em i c h a e l i s m e n t e ne q u a t i o nc o u l db ef i t t e dt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t ao f a n i l i n e d e g r a d a t i o nb y a e r o b i c g r a n u l e s t h eh i g h e s t a n i l i n e b i o d e g r a d a t i o nr a t ew a su pt o0 0 7 6 4 2 9 - a n i l i n e ( g - v s s h ) p c r - d g g ea n a l y s i si n d i c a t e dt h a tm i c r o b i a lp o p u l a t i o nd i f f e r e d o b v i o u s l yd u r i n gt h ea e r o b i cd e g r a d a t i o n s o m eb a n d s r e p r e s e n t i n gt h e m i c r o b i a ls t r a i n s d i s t r i b u t i n gi nt h es e e ds l u d g ed i s a p p e a r e da n ds o m en e w b a n d sa p p e a r e dw i t ht h ea e r o b i cg r a n u l a t i o n ，w h i c hr e l a t e dt ot h ec h a n g e s i i i 浙江工业大学硕士研究生学位论文 o fm i c r o b i a l s p e c i e s ，e s p e c i a l l y c o r r e l a t e dw i t ht h e d e v e l o p m e n to f a n i l i n e - d e g r a d i n gm i c r o b e sd u r i n gt h eg r a n u a l t i o n t h ep c r - d g g e f i n g e r p r i n t si n d i c a t e dt h a ta e r o b i cg r a n u l e sc o n t a i n e daw i d ed i v e r s i t yo f m i c r o o r g a n i s m sa n dh a das t a b l ec o m m u n i t ys t r u c t u r e ，i m p l y i n gl i t t l e v a r i a t i o na b o u tt h ec o m p o s i t i o na n dd i v e r s i t yo fm i c r o o r g a n i s m sd u r i n g t h es t a b l eo p e r a t i o np e r i o d t h em i c r o o r g a n i s mm e m b e r si n v o l v e di nt h e g r a n u l e s m o s t c l o s e l y r e l a t e dt o p s e u d o m o n a s ，c o m a m o n a s , f l a v o b a c t e r i a , a c h r o m o b a c t e r ，a n dt h e r m o p h i l i c s e v e r a lm i c r o b i a ls t r a i n sc a p a b l eo fd e g r a d i n ga n i l i n ew e r es c r e e n e d f r o mt h ea e r o b i cg r a n u l e s a d xlp o s s e s s e dt h es t r o n g e s ta u t o a g g r e g a t i o n a b i l i t y w i t ht h e a u t o a g g r e g a t i o n i n d i c e so fa b o u t7 3 7 t h r e e c o a g g r e g a t i o np a i r s ( a d xl a d x 3 ，a d xl a d x 4 ，a d x 2 a d x 3 ) h a dc o a g g r e g a t i o n i n d i c e sg r e a t e rt h a n4 0 ，i n d i c a t i n gt h eg o o da g g r e g m i o ni n t e r a c t i o n s m i g h te x e aa ni m p o r t a n tr o l e i nt h eg r a n u l a t i o no fa e r o b i ca c t i v a t e d s l u d g eb a s i n go nt h e a n a l y s i so ft h es t r a i n s m o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ， p h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，16 sr d n as e q u e n c e sa n d t h eb i o l o gi d e n t i f i c a t i o n ，s t r a i n sa d xla n da d x 3b e l o n g e dt op s e u d o m o n a s a n da c h r o m o b a c t e r ，r e s p e c t i v e l y t h e s et w os t r a i n sc o u l dg r o ww e l la t n e u t r a la n dt r e n d i n ga l k a l i n ec o n d i t i o n a n i l i n ec o u l db ed e g r a d e d e f f i c i e n t l yb ys t r a i na d x lw h e nt h ec o n c e n t r m i o ni sl o w e rt h a n2 5 0 0 m g l ， w h i l es t r a i na d x 3c o u l dd e g r a d eu pt o4 0 0 0 m g l ，b u ts t r a i n sa d xlh a sa h i g h e rd e g r a d a t i o nr a t et h a na d x 3u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n t h ea n i l i n e i v 浙江工业大学硕士研究生学位论文 d e g r a d a t i o nb yt h e s et w os g a m sh a dag o o df i tt ot h eh a l d a n e sk i n e t i c s m o d e l t h eh i g h e s ts p e c i f i ca n i l i n ed e g r a d a t i o nr a t eo fa d x1a n da d x 3w a s u pt o0 9 2 4 9 ( g h ) a n d0 6 4 5 9 ( g h ) ，r e s p e c t i v e l y t h eh i g h t e s tg r o w t hr a t e o fa d x la n da d x 3w a su pt o0 4 8 7 9 ( g 。h ) a n d0 4 4 0 9 ( g h ) ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：a n i l i n e ，b i o d e g r a d a t i o n ，a e r o b i cg r a n u l e ，p c r - d g g e ， m i c r o b i a ls t r a i n v 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：诹亚一j 日期：弦口7 年厂月；f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：砀盈心 导师签名：绷 日期：加7 年歹月引日 醐：9 孑年肭孑日 浙江工业大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 苯胺的性质、用途、毒性及危害 苯胺俗称阿林尼油，外观为无色或浅黄色透明油状液体，具有强烈的刺激性 气味，分子式c 6 h 7 n ，熔点6 3 c ，沸点1 8 4 c ，相对密度1 0 2 1 7 ( 2 0 。c ) ，折光率 1 5 8 6 3 ，闪点7 0 ( 2 ，暴露在空气中或日光下易变成棕色。苯胺微溶于水，能与乙 醇、乙醚、丙酮、四氯化碳以及苯混溶，也可溶于溶剂汽油。苯胺的化学性质比 较活泼，能与盐酸( 或硫酸) 反应生成盐酸盐或硫酸盐，也可发生卤化、乙酞化、 重氮化和氧化还原等反应l l 】。 苯胺作为化学合成的芳香族化合物的典型代表，是重要的化工原料和精细化 工中间体，广泛应用于国防、印染、染料、塑料、油漆、农药、医药、橡胶等工 业行业的生产中【2 1 。随着化工工业的发展，对苯胺类化学品的需求呈明显的上升 趋势。目前，国内每年生产苯胺达8 0 0 0 0 0 吨以上，其下游产品有1 5 0 余种。全世 界每年排入环境中的苯胺类化合物约为3 0 0 0 0 吨【3 】。 苯胺是严重污染环境和危害人体健康的有害物质，是一种“三致”物质。苯 胺毒性比较高，仅少量就能引起中毒。苯胺及其衍生物主要通过吸入，食入或透 过皮肤吸收进入人体，从而破坏血液造成溶血性贫血，损害肝脏引起中毒性肝炎， 甚至导致各种癌症 4 1 。例如，它可以导致人的膀胧癌等。苯胺对于哺乳类动物和 鱼类也有毒害作用。同时苯胺具有很强化学稳定性和生物稳定性，能与腐质酸转 化为更持久性难降解污染物，如偶氮苯，氧化偶氮苯，硝基苯和氮稀【5 _ 8 】。苯胺类 污染物因其毒性大、难降解，对生物生态造成严重污染而被世界各国列为严重污 染环境和危害人体健康的优先控制污染物，也被列入“中国环境优先污染物黑名 单 ，在工业排水中要求严格控制。 1 2 苯胺污染治理技术研究进展 1 2 1 物理处理方法 ( 1 ) 吸附法 吸附是采用吸附材料处理苯胺废水的方法，具有可回收利用苯胺、吸附剂可 浙江工业大学硕士研究生学位论文 重复利用等特点。p c c h i a n g 等1 9 用苯酚、苯胺等9 种典型化合物来分析分子结 构，物理化学性质对活性炭吸附容量及解吸率的影响，并比较了热再生和化学再 生。 ( 2 ) 萃取法 萃取是采用与水互不相溶但能溶解污染物的萃取剂，使其与废水充分混合接 触后，利用污染物在水中和溶剂中不同的分配比分离和提取污染物的一种废水净 化方法。邹和锋【l o 】对苯胺生产废水进行三级萃取，结果表明，硝基物和苯胺去除 率在9 0 以上，萃取后两股废水合并进行生化处理，可达排放标准。r a m a n a m u r t h y 等1 研究了煤油为膜相，s p a n 8 0 为表面活性剂，h c l 为膜内相的液膜对苯胺的萃 取情况，在4 m i n 内9 9 5 的苯胺能被萃取。 1 2 2 化学处理方法 ( 1 ) 光催化氧化法 非均相光催化氧化法：最近几年，利用半导体材料光催化氧化法处理有毒污 染物日益受到重视，很多有机物能被无机化，或者转化为毒性较小的化合物。由 于这种反应只需光、催化剂和空气，处理成本相对较低，己成为一种较有前途的 废水处理新方法。蔡乃才【1 2 】等提出了一种由负载型微晶t i 0 2 光催化膜电极、r u t i 金属氧化膜电极、空气( 氧) 电极组成的新型反应装置，经实验测定，起始浓度为 5 5 m g l 的苯胺溶液经“联合作用 降解3 6 h ，苯胺的去除率达9 8 ，苯胺的最终 降解产物中含有二氧化碳和氮的氧化物( 以n 0 3 存在于溶液中) 。均相光催化氧化 法：利用f e n t o n 试剂与u v 联用大大提高了催化效果，且与目前研究较多的非均 相半导体光催化氧化法相比，不存在催化剂的固定、回收以及催化剂的污染和活 化问题，是十分简便的废水处理技术，日益受到环境工作者的重视。李太友等【1 3 1 采用光助f e n t o n 法氧化降解苯胺，光解1 h 苯胺完全矿化，而没有紫外光照条件 下，同样浓度的f e n t o n 试剂使相同浓度的苯胺完全转化需6 h 以上，且当苯胺完 全转化时其矿化率仅为5 4 。张超杰等【1 4 1 应用脉冲辐射与激光光解时间分辨技术 研究苯胺被羟基自由基降解的反应机理，从理论上研究了苯胺p h o t o f e n t o n 降解 的可行性。 ( 2 ) 超临界氧化法 超临界水氧化技术以水为介质，利用在超临界条件( t 3 7 4 c ，p 2 2 1 m p a ) 下 2 浙江工业大学硕士研究生学位论文 不存在气液界面传质阻力来提高反应速率并实现完全氧化，由于进行的氧化反应 是均相反应，其反应速率快、反应时间短，有机物能在适当的温度、压力和一定 的停留时间条件下完全氧化为无机物，二次污染小。漆新华等【1 5 】研究表明苯胺废 水在超临界水中有很好的处理效果，在5 0 0 、2 5 m p a 、k = i i ( k 为实验中实际加 入的h 2 0 2 的量与理论需用量的比值) 试验条件下，停留时间约为3 5 s ，t o c 去除 率即可达到9 9 以上，认为利用超临界氧化法处理苯胺废水将是很有前途的。 ( 3 ) 二氧化氯氧化法 冯易君等【1 q 用二氧化氯氧化降解8 种苯胺类化合物，结果表明，最终的c o d 去除率多数都在7 0 以上，处理后b o d 5 c o d 比值大于或接近o 3 ，并认为二氧 化氯处理苯胺的一个过程为生成苯醌，进步氧化成一些简单的有机酸和无机酸。 ( 4 ) 超声波降解法 超声技术是利用声空化能量加速和控制化学反应，提高反应速率的一种新技 术，具有去除效率高、反应时间短、提高废水的可生化性、设施简单、占地面积 小等优点。 ( 5 ) 电化学降解法 电催化氧化过程是通过阳极反应直接降解有机物，或通过阳极反应产生羟基 自由基、臭氧一类的氧化剂降解有机物，这种降解途径使有机物分解更加彻底， 不易产生毒害中间产物，更符合环境保护的要求。m e g u r u 等1 7 1 研究了等离子体 引导的苯胺降解，等离子体在电解液和与电解液表面接触的阳极之间通过接触发 热放电电解( c g d e ) 产生，结果表明，苯胺1 0 0 转化为无机物。 ( 6 ) 臭氧和光催化联合降解法 l a u r a ss a c h e z 等【1 8 】进行了臭氧与t i 0 2 联合降解苯胺研究，发现臭氧预处理加 上光催化比单独使用光催化大大增加了t o c 的去除率，联合使用时为9 6 ，而 单独光催化时仅为2 7 ，他们也进行了臭氧和光催化同时氧化苯胺的研究，在 p h = 3 时，0 3 和t i 0 2 在较长的光照情况下，不同浓度的苯胺的矿化率达到了9 9 。 1 2 3 生物处理方法 世界各国政府和科学家都十分重视对苯胺降解的研究。目前国内外对苯胺类 污染物的处理方法中，微生物降解相对于传统的物理化学方法而言，具有投资少、 3 浙江工业大学硕士研究生学位论文 速度快、消耗低、效率高、反应条件温和以及无二次污染等优点。微生物降解处 理方法具有很大的发展潜力。 ( 1 ) 生物法的应用 申运栓等( 2 0 0 8 ) 采用的固定化高效微生物滤池工艺，即在在滤池内采用比表 面积大，生物附着力强，挂膜性能好，固定微生物能力强的高分子材料合成的大 孔网状生物载体。在载体上接种专用工程复合菌。该工艺处理高含盐苯胺、硝基 苯废水，经两年多时间的运行，系统运行稳定。在废水中氯离子浓度最高达到 5 0 8 6 4 m g l ，平均值1 8 1 1 9 m g l 的条件下，进水c o d r 2 6 9 4 m g l 、苯胺一 5 5 9 m g l 、 硝基苯1 4 6 m g l ，水力停留时间7 5 小时，载体接触时间4 1 5 小时；出水平均 值分别为c o d4 5 m g l 、苯胺0 3 7 m g l 、硝基苯0 0 8 5 m g l ；平均去除率c o d 9 5 4 、苯胺9 9 8 、硝基苯9 9 8 ：达到国家一级排放标准【1 9 1 。 雷彩虹等( 2 0 0 8 ) 用加压生化法处理苯胺废水。加压生化法是在传统生化法的 基础上，通过提高生化系统的压力来增加氧的分压，继而改善系统氧传递性能， 有效地克服了传统生化法处理中氧传递的限制。试验研究了加压生化法处理苯胺 废水的进程，并考察了系统压力、曝气量、曝气时间及污泥浓度等因素对苯胺废 水中有机污染物去除率的影响。在进水c o d c r 为2 0 0 0 m g l 时，确定了较优工艺 参数为：曝气压力控制在o 1 0 m p a ，曝气量为7 5 m 3 ( m 3 h ) ，曝气时间8 h ，污泥 质量浓度控制在4 0 9 l 左右。在此条件下，出水c o d c ， 弋3 0 0 m g l ，c o d c ，去除 率达8 5 以上【2 0 1 。 马毅等( 2 0 0 8 ) 将维生素c ( v e ) 作为共代谢一级基质用于苯胺废水的好氧处理， 考察了v e 与苯胺质量比、曝气时间、反应温度对苯胺废水处理效果的影响。在 苯胺质量浓度为8 0 m g l 、污泥沉降比( s v 3 0 ) 为1 0 - - 、，1 5 、v c 与苯胺质量比为1 ： 6 、曝气时间为1 6 h 、反应温度为3 0 的条件下，苯胺去除率最高达9 9 9 8 ；当 苯胺质量浓度为8 0 0 m g l 时，在常温下连续曝气2 6 h ，苯胺去除率为9 9 9 9 ，达 到g b 8 9 7 8 - - 1 9 9 6 污水综合排放标准一级排放标准( 1 m g l ) 。实验结果表明， 投加v c 所诱导产生的共代谢作用可显著改善苯胺废水的好氧处理效果【2 l 】。 吴丽丽等( 2 0 0 7 ) 采用膜萃取处理高浓度工业苯胺废水。膜萃取又称固定膜界 面萃取，利用微孔膜固定两相界面，溶质通过微孔进行传质。大连市某药业公司 生产中产生的高浓度苯胺废水可生化性极差，传统工艺处理该废水难度大，且不 能回收利用苯胺。采用硅橡胶膜萃取工艺处理该废水，工艺运行稳定，苯胺去除 4 浙江工业大学硕士研究生学位论文 率高。实验结果表明，在进水流量为3 0 5 l d 、反应温度为5 0 、萃取液p h i l 、 膜管长1 8 m 条件下，进水苯胺质量浓度为3 3 0 8 1 m g l 时，苯胺去除率稳定在9 7 以上。进行经济核算，每吨废水净收益为1 0 3 8 4 元【2 2 】。 张婷婷( 2 0 0 6 ) 采用活性炭吸附分离生物再生法处理高盐苯胺废水，生物再生 通过解吸和生物降解恢复活性炭对苯胺的吸附能力。在2 5 * ( 2 、接种量为2 5 的条 件下，吸附饱和的活性炭经过1 2 0 h 生物再生，再生效率达8 0 以上。该方法处 理效果稳定，4 次循环运行后对生物再生效率无明显变化【2 3 1 。 古杏红等( 2 0 0 2 ) 采用厌氧水解生物接触氧化法处理苯胺类化工废水，并在生 物接触氧化池中引入苯胺特效降解菌s t r n i t r o 。结果表明：该工艺厌氧段能增 强系统耐冲击负荷能力，并能有效提高废水的可生化性；s t r n i t r o 菌能有效去 除废水中的苯胺，当进水c o d 平均6 1 7 5 m g l 、n h 3 - n4 5 0 m g l 、苯胺2 5 8 m g l 的条件下，出水c o d 平均达8 7 2 m g l ，n h 3 - n9 9 m g l ，苯胺0 5 6 m g l ，去除率 分别为8 5 9 、7 8 和9 7 8 ，出水达到一级排放标准【2 4 1 。 潘艳艳等( 2 0 0 2 ) 采用缺氧折流板反应器( a b r ) 处理苯胺废水，提高了废水的可 生化性。采用好氧预挂膜和快速排泥方法进行挂膜，缩短了装置启动时间。试验 结果表明，苯胺配水b o d ：c o d 约为0 4 9 。经8 h 的缺氧处理后，出水b o d ： c o d 约为0 6 4 ，可生化性提高2 5 。缺氧折流板反应器承受冲击负荷能力强，产 生的污泥量少，正常运行期间不需要排泥，无须搅拌，工艺能耗低。反应器不需 要密闭，结构简单，管理方便，工艺运行稳定【2 5 1 。 顾加兵等( 2 0 0 0 ) 采用汽提生化法处理工艺处理苯胺废水，其中生化处理采用 具有能代谢难降解有机物能力的h s b 菌种和u a s b 与s b r 法串联的工艺。中试 及工程运行结果表明，当进水苯胺含量 2 0 0 0 m g l ，c o d c r 7 0 0 0 m g l 时，苯胺 去除率达9 9 9 ，c o d c r 去除率达9 7 8 ，出水苯胺含量 lm g l ，c o d c r 10 0 m g l ， 达到国家级排放标准【2 6 l 。 金人中等( 1 9 9 8 ) 用序批式活性污泥曝气反应器( s b r ) 技术高效处理苯胺类有 机废水。当废水中苯胺和c o d 浓度分别为1 5 0 m g l 5 0 0 m g l 和 8 0 0 m g l 1 8 0 0 m g l 时，经处理后，去除率分别大于9 9 和9 0 ，有机负荷达 5 2 k g c o d k g d 或2 7 k g c o d m 3 d ，且系统运行稳定。在s b r 内，活性污泥在沉 降过程中，泥水分离理想，活性污泥中不会发生丝状菌污泥膨胀【2 7 1 。 浙江工业大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 苯胺降解菌 国内外分离鉴定出的主要苯胺降解菌列有表1 1 。 表1 1 部分已报道的苯胺降解菌 t a b l e1 - 1s o m er e p o r t e da n i u n e - d e g r a d i n gm i c r o o r g a n i s m s 参考文献【2 8 - 4 7 降解菌株 k i m ，s ie ta l1 9 9 7 ；1 9 9 8 ；1 9 9 9 ；2 0 0 1 ；2 0 0 2 刘志培，等，1 9 9 9 ：2 0 0 2 b o o n , n e ta 1 2 0 0 0 ；2 0 0 1 e m t i a z i ，ge ta 1 2 0 0 1 赵启美，等，2 0 0 0 h y u n g - y e e lk a h n g e ta 1 2 0 0 0 韦海潮，等，1 9 9 8 a o k i ，k ，k o d a m a , e ta 1 19 9 7 f u j i i ，te ta l1 9 9 7 ；1 9 9 8 章健，等，1 9 9 7 m c c l u r e ，n c e la 1 19 8 7 a o k i ，ke ta 1 1 9 8 4 a o l d ，k e la l 19 8 3 a c i n e t o b a c t e rt w o f 笏ik 2 4 d e l 够i aa c i d o v o r a n sa n 3 c t e s t o s t e r o n i1 21 d a c i d o v o r a n sc a 2 8 d a c i d o v o r a n sb n 3 1 ，d a c i d o v o r a n sl m el ， d a c i d o v o r a n sb 8 c f u s a r i u ms p f l a v b a c t e r i u m s p d e l f t i aa c i d o v o r a n sh y 9 9 o c h r o b a c w u ma n t h r o p i p s e u d o m o n a ss p e c i e sa w - 2 a c i n e c t o b a c t e rs p y a a b a c i l l u ss p s a - 9 p s e u d o m o n a sp u t i d a u c c 2 2 f r a t e u r i as p e c i e sa n a - 18 r h o d o c o c c u se r y t h r o p o l i sa n 一13 ( 3 ) 降解机理 许多科学家对苯胺降解菌的功能特性和遗传机理进行了大量而深入的研究， 揭示了微生物降解苯胺的生化机理、苯胺代谢途径的组成和相关酶系的功能。 许多芳香族化合物降解的第一个中间产物都是邻苯二酚，在好氧条件下苯胺 可以氧化为邻苯二酚，同时释放n h 4 + ，接下来邻苯二酚可以通过两种途径进行代 谢，即邻位和间位代谢途径，分别由邻苯二酚1 ，2 双加氧酶或邻苯二酚2 ，3 双 加氧酶催化。当苯胺通过邻位代谢途径时，在两个羟基之间切割邻苯二酚，再经 多步反应产生三羧基循环的中间代谢物琥珀酸和乙酞辅酶“4 引。当苯胺通过间位 代谢途径时，在其中一个羟基的旁侧切割儿茶酚，最后产生丙酮酸和乙醛1 4 9 。 6 浙江工业大学硕士研究生学位论文 1 3 好氧颗粒污泥技术研究进展 已有研究表明，高浓度难降解有机废水一般通过生物处理工艺进行有效处理。 活性污泥法是其中应用最为广泛的污水生物处理工艺，但存在沉降性能差、生物 持留量少、抗毒物负荷冲击能力差等问题。厌氧颗粒污泥技术已为国内外学者做 了广泛深入的研究并成功应用于高强度有机废水的生物处理t s o l ，但是厌氧颗粒污 泥启动期长( 2 8 个月) 、操作温度较高、无法应用于低浓度有机废水，使得该技术 的应用受到限制。为解决这些问题，近十年来许多学者在好氧处理有机废水的同 时实现污泥颗粒化。好氧颗粒污泥是在好氧条件下形成的具有球形轮廓的、致密 的微生物聚集体，实际上是生物处理系统中微生物在适当生活环境下相互聚合， 形成传质条件好、生物活性高和沉降性能好的一种宏观粒状絮凝体 5 1 , 5 2 1 。与传统 活性污泥絮体相比，好氧颗粒污泥的优点可以归纳为以下几个方面 5 3 彤】：( 1 ) 好氧 颗粒化可提高污泥沉降性能，从而降低对沉降系统的要求。( 2 ) 微生物形成颗粒状 的聚集体是一个微生态系统，有利于形成细菌生长的生理生化条件，并利于有机 物的降解。( 3 ) 颗粒污泥良好的沉降性能可以防止污泥流失，保持反应器中高的污 泥浓度，剩余污泥量的减少，从而减轻后续剩余污泥处理的负担。( 4 ) 能承受较高 的容积负荷及负荷冲击，具有高负荷下降解高浓度有机废水的良好生物活性，从 而使反应器具有很高的处理效能。因而，可减少反应器体积及占地面积，减少一 定的投资，在经济方面具有重要的意义。与较先进的生物膜工艺相比，颗粒污泥 的形成无需填加载体，而且具有更高的抗冲击能力。因此，好氧颗粒污泥反应器 的出现将极大地改变传统的工艺模式，推动活性污泥技术的新发展。 1 3 1 好氧颗粒污泥的基本特点 ( 1 ) 外观 好氧颗粒污泥颜色一般为橙黄色，具有相对规则的圆形或椭圆形外观，成熟的 好氧颗粒污泥有光滑的表面，轮廓清晰。多数颗粒污泥的直径在0 5 - - - 1 5 m m 之间， 颗粒污泥的形状系数稳定在0 4 5 ，纵横比为0 7 9 t 5 6 1 。好氧颗粒污泥含有众多的孔隙， 这些孔隙可以深达到表面以下9 0 0 p m 处，而在表面以下3 0 0 5 0 0 斗m 处的孔隙率最 高，这些孔隙有利于氧和基质向颗粒内部传递并运出代谢产物【5 7 1 。 7 浙江工业大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 大小、密度、沉降性能和强度 在不同条件下形成的颗粒污泥区别很大。在厌氧一好氧交替工艺中，粒径在 0 5 n u l l 以上的颗粒占全部污泥微粒的2 0 t 5 引，而在循环间歇反应器( s e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o r ，s b r ) 反应器中，颗粒直径多在1 9 , - - 4 6 m m 之间，稳定状态下形成的 颗粒光滑、致密，颗粒直径为4 6 m m t 5 9 。 好氧颗粒污泥具有相对较大的密度。s b r 中形成的颗粒污泥的相对密度为 1 0 0 6 8 - - 1 0 0 7 2 9 9 c m 3 ，稳定操作条件下的污泥浓度维持在3 2 6 8 8 9 l 。而在s b a r 反应器中，污泥相对密度稳定在1 0 0 6 8 1 0 0 7 2 9 9 c m 3 。而普通活性污泥的污泥密度 为1 0 0 2 1 0 0 6 9 c m 3 。有研究认为，大多数情况下颗粒污泥的密度随直径的增大而 降低【硎。 颗粒污泥有良好的沉降性能，表达污泥沉降性能常用污泥沉降指数和沉降速 度。好氧污泥颗粒的沉降速率一般可高达3 0 , - 一7 0 m h ，这与厌氧颗粒污泥的沉淀速 度相似，是絮状污泥沉速( 8 - - - 1 0 r r d a ) 的三倍。这使反应器可承受较高的水力负荷6 1 1 ， 提高运行的稳定性和效率。好氧颗粒污泥的s v i 指数可低于5 0 m l g ，低s v i 指数可 使反应器内维持较多的生物量，利于有机物的快速降解，提高容积负荷，减少反 应器容积。颗粒污泥的s v 为1 4 - 3 0 ，s v i 在2 0 3 4 - - - 9 3 7 5 m l g 之间( 一般在3 6 左 右) 。颗粒直径和沉降速率间呈正相关【6 2 1 。 颗粒污泥的强度也是其重要性质之一。较小的颗粒强度会增加颗粒的破裂或剥 落的程度，不能使颗粒化污泥很好地长大，形成的颗粒污泥直径小、沉降性能差【6 3 1 。 好氧颗粒污泥的机械强度可由完整率( 好氧颗粒污泥经过2 0 0 r m i n 、5 m i n 的振荡后， 完整颗粒和原颗粒总量之间的比值) 来表示，较高的机械强度能使颗粒污泥抵抗较 强水力剪切力的破坏和磨损。 ( 3 ) 化学组成及生物学特征 营养物进入颗粒污泥内部需要克服传质阻力，溶解氧从颗粒外部经表面空隙传 递到颗粒内部，形成溶解氧梯度，在颗粒内部造成缺氧区，为兼氧和厌氧微生物 提供了适宜的生长条件。有研究表f i r 6 4 , 6 5 】，在控制合适的溶解氧条件下，可使得 颗粒污泥中多种微生物共存，颗粒污泥具有丰富的生物相。颗粒污泥主要由异养 菌和硝化菌组成【6 6 1 ，颗粒本身的生物相主要有球菌、长短不一的各种杆菌等。以 普通活性污泥为接种污泥的启动初期，好氧颗粒污泥反应器中形成含有大量真菌 的颗粒，这种颗粒不稳定，容易解体成碎片；随后生成的颗粒主要由细菌组成， 8 浙江工业大学硕士研究生学位论文 含有部分丝状菌。在较大的好氧颗粒污泥颗粒表面和周围还存在大量的原生、后 生动物，附着生长大量钟虫1 6 7 1 。 胞外多聚物是颗粒污泥的另一种重要的化学组成部分【6 8 1 。在透射电镜下多聚 物主要以纤维状相互缠绕成絮状体，或形成高密度状的颗粒基质，在细胞间起明 显的黏连作用，这种黏连作用在污泥颗粒化初期有助于初生颗粒的形成，并对颗 粒污泥的稳定做出贡献。 1 3 2 好氧污泥颗粒化过程主要影响因素 好氧颗粒污泥是生物处理系统中微生物通过相互作用而形成的一种宏观颗粒 状絮凝体。微生物自身具有凝聚或固定于物体表面的特性，但只有满足一定条件， 这种现象才能发生。几乎所有的好氧颗粒污泥的培养都是在s b r 反应器内进行， 说明s b r 反应器的运行模式适合好氧颗粒污泥的培养，但这并不是充分条件，形 成好氧颗粒污泥还有许多其它的因素。综合国内外研究进展，影响好氧颗粒污泥 形成的主要因素如下： ( 1 ) 基质组成( 碳、氮源) 国内外已经有不少成功培养出好氧颗粒污泥的实例，但是多数试验用水均为 人工配制的模拟废水，并且废水成分均为易降解物质，如葡萄糖、乙酸钠、乙醣 以及无机混合底物等【6 9 2 1 。这些易降解物质均具有较高的粘性，这可能有助于细 菌之间的相互聚合。另外，细胞疏水性原理认为以上几种底物有助于提高细胞表 面的疏水性，导致污泥之间的团聚，从而形成好氧颗粒污泥。但是不同类型的碳 源将影响好氧颗粒污泥的形成周期、菌群构成及结构。例如葡萄糖培养出的好氧 颗粒污泥以丝状菌、球菌为主，颗粒平均粒径为2 4 m m ，而醋酸培养的好氧颗粒污 泥结构主要由紧密连接的杆菌组成，平均粒径1 1 r n m 。 进水底物中c 、n 、p 的协调比例有助于形成好氧颗粒污泥。卢然超【7 3 】等采用 模拟配制的生活污水，在s b r i 艺中研究不m c o d t n ( 1 1 7 9 、1 8 8 5 、2 0 7 2 、2 4 6 6 ) 、 c o d t p ( 2 7 8 5 、4 4 5 3 、4 8 9 3 、5 8 2 5 ) 、t n t p ( 4 0 0 、2 3 6 、1 5 4 ) 条件对形成好氧颗 粒污泥的影响。试验发现，进水中较高的c o d t n ( 2 4 6 6 ) 、c o d t p ( 5 8 2 5 ) 和适当 的t n t p ( 2 3 6 ) 对形成颗粒污泥有利。l i u l 7 4 1 在s b r 反应器内培养硝化颗粒污泥的过 程中研究不同n c o d ( 5 1 0 0 、1 0 1 0 0 、2 0 1 0 0 、3 0 1 0 0 ) 对形成颗粒污泥的影响。结 9 浙江工业大学硕士研究生学位论文 果发现，以上4 种情况都形成了好氧颗粒污泥。但是，n c o d 越高时形成的颗粒平 均直径越小。 ( 2 ) 有机负荷 系统的稳定性以及颗粒强度、比重