（环境工程专业论文）氨基酸制造废水脱氮工艺及菌种固定化工艺研究.pdf

学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作所取得 的研究成果。除了文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本声明的法律后果完全由本人承担。 作者签名：遁墨墼日期： 2 圳年芎月f 乏日 学位论文授权使用声明 本人完全了解北京工商大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间学位论文所涉及的知识产权属于北京工商大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借阅；学校 可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 学位论文电子版同意提交后，可于 口当年口一年 口二年后在学校图书馆 网站上发布，供校内师生浏览。 作者签名：洒卫葛曲师签名： 日期：鲫年j 月乜日 摘要 水质富营养化问题日益尖锐，工业废水的排放标准越来越严格，要求迸一步提 高高浓度氨氮废水处理效率及能力，迫切需要投资省、耗能低、高效的处理技术与 设备。兼具异养硝化和好氧反硝化性能细菌的发现以及脱氮能力的研究，为污水脱 氮引入了全新的概念。本论文的目的就是从实验室前期筛选的一批异养硝化好氧反 硝化菌中挑选部分优势菌株，投加到良好的活性污泥反应体系，进行必要的处理工 艺实验，为提高高浓度氨氮废水的脱氮效果提供一个新的研究方向。然后采用包埋 法将优势菌株固定化，解决菌株保存、运输问题，便于菌株广泛应用。 通过实验室小试，采用模拟废水，以葡萄糖和甲醇为碳源，氯化铵、硫酸铵为 氮源，采用序批式反应器进行三个月驯化，最终实现同步硝化反硝化( s n d ) ，提出 一套合理有效的驯化方法：进水浓度逐步提高，并不断改变运行模式，调节p h 、 d o 等因素，运行过程中补充碳源。通过对温度、溶解氧浓度、p h 、水力停留时间 等控制参数优化后，优选出的相对最佳s b r 运行条件为：温度2 3 - - - 2 5 ，d o 为2 m g m ，p h 控制范围为6 8 - - 8 0 ，水力停留时间为7 3 h 。进水c o d c r 2 5 0 0 m g l ， 氨氮浓度为7 0 0 m g l 时，c o d c r 去除率最高能达到9 6 4 5 ，平均去除率能达到 9 1 。9 ，氨氮去除率最高达到9 9 9 ，平均去除率能达到9 9 5 ；总氮去除率最高能 达到9 6 8 ，平均去除率为9 0 3 。 选用聚乙烯醇( p v a ) 复合剂包埋法和海藻酸钠( s a ) 包埋法对上述实验证实的优 良菌株w x z 一2 、w x z 8 、w y l w l 2 、l h i 一1 进行固定化，通过设计两组l 9 ( 3 4 ) 正交实验优选包埋条件和摇床培养条件。优选包埋条件选取的因素分别为包菌量、 聚乙烯醇或海藻酸钠浓度、交联时间、小球直径，优选摇床培养条件选取的因素分 别为c o d n 、温度，转速和p h 。按照优选出的包埋条件制备小球，并在优选出的 摇床培养条件下培养包埋菌株，四株包埋菌株的氨氮去除率和总氮去除率都大于 9 2 ，与游离菌株的活性相当。最后，还对包埋菌株的保存时间进行了研究a 当包 埋菌株保存八个月时，活性可保持原来的8 5 以上。 聚乙烯醇复合剂和海藻酸钠这两种载体均适用于脱氮菌株固定化。聚乙烯醇包 埋小球比表面积大，通透性好，但制作过程对温度要求高；海藻酸钠包埋小球在液 体中易溶解，但制备简单，且成本比聚乙烯醇复合包埋法低。聚乙烯醇、琼脂、海 藻酸钠复合剂包埋法在一定程度上改善了聚乙烯醇、琼脂复合包埋法的成球状况。 菌株ng 化n n 决菌株的保存、运输问题，为优势菌株广泛应用于废水处理工程奠 定了基础。 关键词：异养硝化；好氧反硝化；序批式反应器；固定化；包埋；聚乙烯醇； 海藻酸钠 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n ge x t e n to fe u t r o p h i c a t i o na n dm o r ea n dm o r es t r i c tw a s t e w a t e r d i s c h a r g es t a n d a r d ，t h ee f f i c i e n c ya n dc a p a b i l i t yo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta r eb o t h r e q u i r e dt ob ei m p r o v e d t h e r e f o r ei ti si ng r e a tn e e do ft e c h n o l o g i e sa n df a c i l i t i e sw h i c h a r el o wi n v e s t m e n t ，p o w e rs a v i n ga sw e l la sh i g he f f i c i e n t t h ed i s c o v e r yo fb a c t e r i aw i t h t h ea b i l i t yo f h e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o na n da e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o n w h i c hi n t r o d u c e s b r a n d n e wc o n c e p tf o ra m m o n i u mr e m o v a li nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h i sp a p e ri sa i m e d t o p i c ko u tap a r to fa e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o ns t r a i n sf r o mo u rl a b o r a t o p y , w h i c hw e r e i d e n t i f i e dh a v et h ea b i l i t yo f h e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o n ，a n da d dt h e mt ot h ea c t i v a t e s l u g es y s t e m ，w h i c hi san e wd i r e c t i o nf o ra d v a n c i n gw a s t e w a t e rw i t hh i g h e rn i t r o g e n r e m o v a ls t u d y i m m o b i l i z a t i o no fh i g hd e n i t r i f i c a t i o ns t r a i n sb ye n t r a p p i n gc o u l ds o l v e t h ep r o b l e mo fp r e s e r v a t i o na n dt r a n s p o r t a t i o no ft h eb a c t e r i a , w h i c hp r o v i d e st h e e v i d e n c sf o ra p p l i c a t i o n a r t i f i c i a lw a s t e w a t e rw a st r e a t e d t h r o u g h s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o nu s i n gs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o ri nt h el a b a m m o n i u mc h l o r i d ea n d a m m o n i u ms u l f a t ew a sa m m o n i as o u r c ew h i l eg l u c o s ea n dm e t h y la l c h o h o iw a sc a r b o n s o u r c e s e r i e so fh i g h e f f i c i e n c ys l u d g ed o m e s t i c a t em e t h o dw a so b t a i n e dt h r o u g ht h e d o m e s t i c a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g e s n dw a sa c h i e v e db yi n c r e a s i n gg r a d u a l l yt h e c o n c e n t r a t i o no fi n f l u e n t ，c h a n g i n gt h eo p e r a t i o n a lm o d e ，r e g u l a t i n gt h ef a c t o r si n c l u d i n g p h 、d o ，a n da d d i n gm e t h y la l c h o h o lt ot h es y s t e md u r i n gs b ro p e r a t i n g o p e r a t i n g c o n d i t i o n si n c l u d i n gt e m p e r a t u r e ，d i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o n ，p hv a l u ea n dh y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m ew e r eo p t i m i z e d w h e nt h ec h e m i c a lo x y g e nd e m a n dw a s2 5 0 0 m g la n d t h ea m m o n i an i t r o g e nw a s7 0 0 m g li ni n f l u e n c e ，t h ec h e m i c a lo x y g e nd e m a n dr e m o v a l e f f i c i e n c yc o u l dr e a c h 9 6 4 5 t h ea v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c yw a s91 9 。w h i l et h e a m m o n i an i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yc o u l da c h i e v ea sh i g ha s9 9 9 ，t h ea v e r a g e r e m o v a le f f i c i e n c yw a s9 9 5 a n d9 6 8 o ft o t a ln i t r o g e nw a s h i g h l y r e m o v e d ，9 0 3 o f t o t a ln i t r o g e nw a sa v e r a g er e m o v e du n d e rt h ec o n d i t i o n so ft e m p e r a t u r e2 3 c - 2 5 。c ， d i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o n2 m g l ，p h6 8 - 8 0a n dh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e7 3 h i nt h i s p a p e r , t h ep r e p a r a t i o no fi m m o b i l i z e dc e l l sa r ee x p l o r e db yc h o o s i n g p o l y v i n y la l c o h o la n ds o d i u ma l g i n a t ea se n t r a p p i n ga g e n t s ，t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t o ff o u rf a c t o r sa n dt h r e el e v e l s ( l 9 ( 3 q ) ) w a su s e dt oc h o o s ea ne n t r a p p i n gc o n d i t i o na n d a ni n c u b a t e c o n d i t i o n ，u n d e rw h i c hs t r a i n sh a v et h eb e s ta b i l i t yo fh e t e r o t r o f i c t t n i t r i f i i c a t i o n a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o n t oc h o o s ea ne n t r a p p i n gc o n d i t i o n ，t h ef o u rf a c t o r sa r e q u a n t i t yo fe n t r a p m e n t i n gs t r a i n s ，c o n c e n t r a t i o no fp o l y v i n y la l c o h o lo rs o d i u ma l g i n a t e ， c r o s s l i n k i n gt i m e ，d i a m e t e r o ft h ei m m o b i l i z e db e a d s t oc h o o s ea ni n c u b a t e c o n d i t i o n ，t h et h r e ef a c t o r sa r ec o d n 、i n i t i a lp hv a l u ea n ds h a k i n gs p e e d u n d e r o p t i m u me n t r a p p i n gc o n d i t i o n sa n di n c u b a t ec o n d i t i o n s ，i t sn i t r o g e nr e m o v a la n dt o t a l n i t r o g e nr e m o v a lr a t eo ft h ef o u re n t r a p p i n gs t r a i n sw e r eh i g h e rt h a n9 2 ，a n d i t s n i t r o g e nr e m o v a la b i l i t yo ff o u ri m m o b i l i z e db a c t e r i aw a ss i m i l a rt ot h ed i s s o c i a t i o n b a c t e r i a i na d d i t i o n ，e x p e r i m e n t so nt h ep r e s e r v a t i o no ft h ei m m o b i l i z e dc e l l sw e r e d o n e 砀en i t r o g e nr e m o v a la b i l i t yo ff o u re n t r a p m e n t i n gs t r a i n sa f t e re i g h tm o n t h sw a s l e s st h a n15 c o m p a r i n gt ot h ei n i t i a le n t r a p m e n t i n gs t r a i n s p o l y v i n y la l c o h o la n d s o d i u ma l g i n a t ew e r ea p p l i e dt oi m m o b i l i z i n gs t r a i n s e n t r a p m e n ta g e n tw i t hp o l y v i n y la l c o h o l ，s o d i u ma l g i n a t ea n dg e l o s ew a sa p p l i c a b l e t oi m m o b i l i z a t i o no fs t r a i n s ，a n ds o d i u ma t g i n a t ei sa sw e l la sa p p l i c a b l e t h es p e c i f i c s u r f a c ea r e aa n dp e r m e a b i l i t yo fp v ag e lb e a di sb e t t e rt h a nt h es ag e lb e a d ，b u tt h e e n t r a p m e n ta g e n tw i t hp v a i ss e n s i t i v et ot e m p e r a t u r e t h ec o s to fs ag e lb e a di sl o w e r t h a np v a g e lb e a d t h ei m m o b i l i z e dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a u s e dw i t hs aw a sm a d es i m p l y a n de a s i l y , b u ti ti sf u s i b l e t h es h a p eo f g e lb e a du s e dw i t hp o l y v i n y la l c o h o l ，s o d i u m a l g i n a t ea n dg e l o s ei sm o r er e g u l a n tt h a nt h a tw a sm a d eb yp o l y v i n y la l c o h o la n dg e l o s e i m m o b i l i z a t i o no fs t r a i n sb ye n t r a p p i n gc o u l ds o l v et h ep r o b l e mo fp r e s e r v a t i o na n d t r a n s p o r t a t i o no ft h eb a c t e r i a , w h i c hp r o v i d e st h ee v i d e n c sf o ra p p l i c a t i o ni nw a s t e w a t e r t r e a t m e n t k e y w o r d s ：h e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o n ；a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o n ；s e q u e n c i n gb a t c h r e a c t o r ；i m m o b i l i z a t i o n ：e n t r a p m e n t ：p o l y v i n y la l c o h o l ；s o d i u ma l g i n a t e i i i 目录 第一章绪论0 1 1 氨基酸制造废水来源及水质特征o 1 2 废水排放标准介绍。2 1 3 氨基酸制造废水处理技术现状3 1 3 1 生化法3 1 3 2 物化法9 1 3 3 膜分离法1 0 1 3 4 上述技术存在的问题1 1 1 3 5 菌株固定化1 1 1 4 本论文的研究意义与内容1 4 1 4 1 研究目的与意义1 4 1 4 2 研究内容15 1 5 研究思路及实验方案15 第二章s b r 脱氮工艺研究1 6 2 1 实验材料1 6 2 1 1 实验菌株1 6 2 1 2 实验药品及试剂1 6 2 1 3 实验仪器及设备18 2 1 4 实验所用培养基18 2 1 5 实验装置1 9 2 1 6 实验用水1 9 2 2 实验方法2 0 2 2 1 菌株的活化和培养2 0 2 2 2 接种污泥及驯化方法2 0 2 2 3 水质参数测定方法2 0 2 3 标准曲线的绘制2 1 2 4 结果与讨论一2 2 2 4 1s b r 反应器污泥的培养与驯化2 2 2 4 2 进一步调节反应周期内的运行情况2 5 2 4 3s b r 反应器内影响因素的研究一2 6 2 5 本章小结31 第三章菌株固定化工艺3 2 i v 3 1 实验材料3 2 3 1 1 实验菌株3 2 3 1 2 实验药品与试剂3 2 3 1 3 实验仪器及设备3 3 3 1 4 实验所用培养基3 3 3 2 实验方法3 3 3 2 1 菌株活化与培养3 3 3 2 2 参数测定方法3 3 3 2 3 标准曲线的绘制3 3 3 2 4 包埋小球比表面积测定方法3 3 3 2 5 包埋小球破损率测定方法3 4 3 2 6 包埋小球通透性测定方法3 5 3 3 聚乙烯醇( p v a ) 复合剂包埋菌株条件优选3 5 3 3 1 包埋小球的制作方法3 5 3 3 2 添加剂和交联剂的选择3 5 3 3 3 优选包埋条件和摇床培养条件的实验设计3 7 3 4 海藻酸钠( s a ) 包埋法研究结果与讨论4 9 3 4 1 海藻酸钠浓度范围的选择4 9 3 4 2 海藻酸钠包埋菌株正交实验结果及分析5 0 3 5 包埋菌株的物理性能6 0 3 5 1 包埋小球的破损率6 0 3 5 2 包埋小球的比表面积6 0 3 5 3 包埋小球的通透性6 1 3 5 4 包埋菌株活性比较6 1 3 5 5 包埋菌株的保存时间6 2 3 5 6 包埋菌株的形貌结构6 2 3 6 本章小结6 3 第四章结论与建议6 6 4 1 结 念6 6 4 1 1 高浓度氨氮废水脱氮工艺研究结论6 6 4 1 2 脱氮菌株固定化工艺研究结论6 6 4 2 建议6 7 参考文献6 8 附录a 7 2 v 附录b 7 5 论文发表情况7 6 致谢7 7 v i 酒卫敬：氨基酸制造废水高效脱氮及菌种固定化工艺研究 第一章绪论 1 1 氨基酸制造废水来源及水质特征 氨基酸制造业包括生产谷氨酸、柠檬酸、乳酸、胱氨酸、l 苯丙氨酸等产品的 多个行业。氨基酸制造业废水c o d c ，高，氨氮高，p h 低，废水中还含有蛋白质和 氨基酸等有机氮化合物，属于处理难度较大的废水。 氨基酸生产中以谷氨酸生产为主，味精是谷氨酸的钠盐，因此以味精废水为例 来介绍废水来源及特点。我国是味精生产大国，2 0 0 6 年我国味精产量达1 7 0 万吨， 2 0 0 7 年产量达到1 9 1 万吨，位居世界第一位【l l 。但是味精工业发展所产生的环境 问题也比较严重，尤其是味精生产中产生的废水问题。根据2 0 0 7 年味精行业产排 污系数核算研究结果，各种味精工艺的排水量在6 2 0 5 - 9 5 9 0 m 3 t 之间，其中每生 产1t 味精，要排放2 0 - - 一2 5t 高浓度味精废水川。 味精的生产有发酵法和水解法两种，现都以发酵法进行生产。味精行业是以玉 米、淀粉、糖蜜为主要原料的加工工业，国内大部分以淀粉水解糖为原料，国外大 部分以糖蜜为原料。味精生产工艺主要有淀粉水解糖的制取、谷氨酸发酵、谷氨酸 的提取与分离和由谷氨酸精制生产味精。味精生产工艺流程见图1 1 。 0 酒卫敬：氨基酸制造废水高效脱氮及菌种固定化工艺研究 玉米 糖化酶 米渣 耐高温a 一淀粉酶 上 一圈一 ( 9 5 左右) 水 冷却水 菌种 水( 一、二级) 空气罐洗涤水 + 罐洗涤水 高流分 低流分 离子交换尾液 滤液、上清液 ( 废母液) 冷凝水 味种 洗涤水 产品( 味精) 图1 1 味精生产工艺流程与主要污染源 由味精生产工艺与主要污染源( 图1 1 ) 可知，其主要废水来自： ( 1 ) 发酵液经提取谷氨酸( 麸酸) 后废母液或离子交换尾液； ( 2 ) 生产过程中各种设备( 调浆罐、液化罐、糖化罐、发酵罐、提取罐、中 和脱色罐等) 的洗涤水； ( 3 ) 离子交换树脂洗涤与再生废水； ( 4 ) 液化( 9 5 。c ) 至糖化( 6 0 。c ) 、糖化( 6 0 。c ) 至发酵( 3 0 。c ) 等各阶段的 1 酒卫敬：氨基酸制造废水高效脱氮及菌种固定化工艺研究 冷却水： ( 5 ) 各种冷凝水( 液化、糖化、浓缩等工艺) 。 味精工业产生的废母液或离子交换液是高浓度有机废水，具有“五高一低”的特 点，高c o d c ，、高b o d 5 、高菌体含量、高氨氮、高s 0 4 2 。，低p h ( 废母液p h = 3 2 ， 离子交换尾液p h = 1 8 2 0 ) 。目前，这部分废水不直接进入末端废水处理系统，一 般回收利用，基本采用提取菌体蛋白后余液制肥料或直接全液制肥料两种工艺。 废母液或离子交换尾液全液回收后，离交柱再生废水浓度仍然达到c o d c ，约 4 0 0 0 - - 。8 0 0 0 m g l ，s 0 4 小约5 0 0 0 - - 一8 0 0 0 m g l ，总氮3 0 0 7 0 0 m g l 以上；而属于中 浓度有机废水的罐洗涤水、冲洗水排放量大( 1 0 0 2 5 0 v t 产品) ，其污染c o d 浓度 为6 0 0 - 1 2 0 0m g l ，氨氮2 0 0 5 0 0m g l ；废母液回收系统的污冷凝水，具有更高 的c o d 和氨氮浓度；另外，如果味精企业包括淀粉原料的制备，淀粉工艺废水虽 然几乎不含氨氮，但是c o d 浓度高达2 0 0 0 0 m g l 以上，且p h 较低【3 】o 这些废水是 味精工业末端处理废水的主要污染物来源，具有良好的生化性，但是由于味精废水 中含有高浓度硫酸盐，难于采用厌氧甲烷发酵工艺处理。表1 1 是某味精厂各股废 水来源和水质情况。综合废水为进入末端废水处理系统的水质。 表1 1 某味精厂主要废水来源水质情况【4 1 c o d n h + 4 n 水量 来源 p h ( r a g l )( r a g l )( v d ) 化肥厂四效蒸发器中的浓缩冷凝水 1 5 6 78 043 5 0 0 味精车间制精过程中的冷凝水和洗涤水 l1 5 8 8 55 5 0 化肥厂等电离交后的淡污水 5 4 0 65 8 76 98 0 0 制糖车间的洗罐水和冷却水 3 5 0 05 67 0 0 淀粉冷凝水 1 9 8 94 35 0 0 淀粉水2 0 9 4 7 3 9 5 0 0 调节p h 后进入厌氧反应器的淀粉水 2 3 5 0 18 1 4 8 2 厌氧处理后的淀粉水 9 0 9 41 3 0 97 4 综合废水 3 0 0 03 0 07 0 0 0 赖氨酸企业综合废水c o d 约为2 5 0 0 - - 一，3 0 0 0 m g l ，氨氮浓度为6 0 0 m g l 以上吲。 本论文研究水质范围选择c o d 约为2 5 0 0 - - - - 3 0 0 0 m g l ，氨氮浓度约为3 0 0 7 0 0 m g l 。 1 2 废水排放标准介绍 为了控制环境污染，实现“十一五”环保目标，2 0 0 8 年制定了新的味精工业污 2 酒卫敬：氨基酸制造废水高效脱氮及菌种固定化工艺研究 染物排放标准( g b l 9 4 3 1 2 0 0 8 ) 。其中增加了总氮和总磷指标，要求现有企业自 2 0 1 0 年7 月1 日起，执行更严格的排放标准，水污染物排放限值c o d c ， 5 0 m g l ， 氨氮 2 0 m g l ，总氮 4 0 m l ，总磷 0 5 m g l ，单位产品基准排放量 6 0 m 3 t 产 品。 2 0 0 2 年制订的国家工业废水综合排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 其中二级排 放标准如下：c o d c ， 1 0 0 m g l ，b o d s 3 0 m l ，氨氮 2 5 m l ( 低于1 2 。c 时，为 3 0 m l ) ，总氮无要求，总磷 3 m g l ，s s 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 ( 1 1 ) 第二阶段反应： 4 0 0 n 0 2 - + n 吖+ 4 h 2 c 0 3 + h c 0 3 - + 19 5 0 2 一壁坠量专c s h 7 0 2 n + 4 0 0 n 0 3 + 3 h 2 0 ( 1 2 ) 注：c 5 h 7 0 2 n 表示为生物体。 硝化过程总反应式如下： n h 4 + + 1 。8 6 0 2 + 1 9 8 h c 0 3 。一0 0 2 1 c s h t n 0 2 + 1 0 4 1 h 2 0 + 1 8 8 h 2 c 0 3 + 0 9 8 n 0 3 。 ( 1 3 ) 式中的c 5 h 7 n 0 2 为硝酸细菌和亚硝酸细菌的细胞。 根据式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 计算，, i i i i i 酸细菌和硝化细菌的产率分别为0 1 4 6 9 g n h 4 + - n 和o 0 2 9 g n h 4 + - n 。 根据式( 1 3 ) 计算，每氧化1m g n h 4 + - n 为n 0 3 一- n ，需要消耗碱7 0 7m g ( 以c a c 0 3 计) 。因此，如果废水没有足够的碱度硝化反应将导致p h 值下降，使反应速率减缓。 由式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 还可以知道，氧化l m g n h 4 + - n 为n 0 2 - n 需要氧3 1 6m g ；氧化1m g n 0 2 - n 为n 0 3 - n 需要氧1 1l m g 。即硝化反应转化im g n l 4 + - n f f 寸n 0 3 一- n ，需要氧 4 2 7 m g 。如果不考虑硝化过程中硝化细菌的增殖，用式i 4 表示硝化过程是，转化 4 塑里墼! 堑茎墼型垄壅查壅塾壁量垄堕型回室些三茎塑窒 l m g n i - h 十- h i 为n 0 3 一n ，需要氧4 5 7 m g 。 n h a + + 2 0 2 一型型型专n 0 3 一十2 h + + h 2 0 ( 1 4 ) ( 2 ) 反硝化作用 反硝化则是反硝化菌在缺氧或厌氧的条件下，将n 0 3 - 和n 0 2 - 还原为气态氮的 过程。参与这一生化反应过程的微生物包括假单胞菌属( p s e u d o m o n a s ) 、产碱菌属 ( a l c a l i g e n e s ) 、副球菌属( p a r a c o c u s ) 等。自然界中最普遍的反硝化细菌所属的 菌属是假单胞菌属( p s e u d o m o n a s ) ，其次是产碱杆菌属( a l c a l i g e n e s ) ，相对于这两 个属而言，其它菌属的出现频率较低。它们多数是异养型兼性细菌，有分子态氧存 在时，反硝化菌利用n 0 3 或n 0 2 作为电子受体进行缺氧呼吸，0 2 作为受氢体生成 h 2 0 和o h 碱度，有机物则作为碳源及电子供体提供能量，并得到氧化稳定1 1 1 | 。 在有氧存在的条件下，反硝化细菌利用氧进行呼吸、氧化分解有机物。在 无分子氧的条件下，同时存在硝酸和亚硝酸离子时，它们能用这些离子中的氧 进行呼吸。反硝化反应又叫做脱氮反应或硝酸呼吸，在硝化作用过程中耗去的 氧能被回收并重复用到反硝化过程中，使有机基质氧化。这个过程可以用式( 1 5 ) 和式( 1 6 ) 表示： 3 c ( 有机物) + 2 h 2 0 + 4 n 0 2 。- n2 n 2 + 3 c 0 2 + 4 0 h 。 ( 1 5 ) 5 c ( 有机物) + 2 h 2 0 + 4 n 0 2 一- n 哼2 n 2 + 3 c 0 2 + 4 0 h 一 ( 1 6 ) 反硝化过程中n 0 2 - 和n 0 3 - 的转化，是通过反硝化细菌的同化作用( 合成代谢) 和异化作用( 分解代谢) 来完成。同化作用是n 0 2 和n 0 3 。被还原转化为n h 3 一n 用 以微生物细胞合成，氮成为细菌细胞的组成部分。异化作用是n 0 2 和n 0 3 。被还原 转化为n 2 。这是反硝化反应的主要过程。异化作用是以n 0 2 。和n 0 3 在能量代谢中 提供氮，作为电子接受体，以有机物作为电子供给体，使n 0 2 和n 0 3 转化为n 2 ， 见式( 1 5 ) 和式( 1 6 ) 。异化作用去除的氮约占总去除量的7 0 7 5 。 大多数反硝化细菌是异养型兼性厌氧细菌，它能利用各种各样的有机基质作为 反硝化过程中的电子供体( 或氢供体、碳源) ，包括：碳水化合物、有机酸类、醇 类以及甚至像烷烃类、苯酸盐类和其他的苯衍生物这些化合物。这些有机化合物在 废水处理中特别重要，它们往往是废水的主要组分。由式( 1 5 ) 和式( 1 6 ) 可以 算出，转化l m g n 0 2 - 和n 0 3 - 为n 2 ，分别需要有机物( t o d 或c o d ) i 7 1 m g 和2 8 6 m g ， 也就是说转化l m g n 0 2 - 和n 0 3 - 为n 2 相当于分别提供1 7 1 m g 和2 8 6 m 9 0 2 与此同 时，还产生3 5 7 m g 的碱( 以c a c 0 3 计) 。 1 3 1 4 同步硝化反硝化( s n d ) 简介 同步硝化反硝化( s n d ) 的理论解释目前有两种： ( 1 ) 微环境理 i 仑【1 2 】：由于氧和底物的扩散存在阻力，在活性污泥菌胶团或生物 膜内部存在缺氧环境。例如，在生物膜反应器中，生物膜内层由于氧传递受阻及外 5 酒卫敬：氨基酸制造废水高效脱氮及菌种固定化工艺研究 部氧的大量消耗，产生缺氧微环境，为缺氧区，缺氧菌和反硝化菌占优势；外层 d o 较高，为有氧区，以好氧菌和硝化菌为主。氨氮等在有氧的外层膜上发生硝化 反应，反硝化在缺氧的膜上发生，如图1 1 所示。 外 界 艘 q n 田 n o , - 图1 1 污泥絮体内部d o 和底物浓度分布图 由于生物膜和污泥絮体内同时存在好氧和缺氧环境，导致了同步硝化反硝化的 发生。由于微生物种群结构、生物化学反应的不均匀性和物质传递的变化等因素的 相互作用，在生物膜和污泥絮体内部会存在多种多样的微环境，一般的，即使在好 氧环境占主导地位的处理系统中，也会存在一定程度上的缺氧微环境。但该理论也 存在一个重大的缺陷，即有机碳源问题。有机碳源既是异养反硝化的电子供体，又 是硝化过程的抑制物质，在生物膜和活性污泥絮体中，有机碳源在穿过好氧层时， 首先被好氧氧化，处于内部缺氧区的反硝化菌由于得不到电子供体，反硝化速率大 大降低，s n d 的脱氮效率也不会很高。 由于实际生产中反应器和构筑物内活性污泥的混合、曝气不均以及生物膜中存 在的好氧和缺氧区，这种宏观环境的存在使得s n d 能够进行。如生物转盘、氧化 沟以及s b r 等系统中均有发生s n d 现象的报道。 ( 2 ) 生物学解释：2 0 世纪8 0 年代后期，人们曾多次观察到在明显好氧段的活 性污泥法中存在脱氮现象，并证明了好氧反硝化菌的存在，如t p a n t o t r o p h o 、 p s e u d o m o n a ss p p 、a l c a l i g e n e sf a e c a l i s 、t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a 等【1 3 ，1 4 j ，这些好氧 反硝化菌同时也是异养硝化菌，而传统上的硝化菌是化能自养型的。这类细菌将氨 在好氧条件下直接转化成气态产物。该理论逐渐被人们所广泛接受。 同步硝化反硝化( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n ，简称s