（环境工程专业论文）膜反应器脱氮除磷及细菌16s+rdna多样性研究.pdf

捅要 畜禽养殖废水中富含氮磷、有机物、高悬浮物，臭味大，是一种高浓度有机 废水。试验采用一体式膜生物反应器( m b r ) 在不同d o 浓度和水力停留时间条 件下对畜禽养殖废水处理效果进行研究，确定最佳的实验参数；并运用分子生物 学方法对其细菌多样性进行研究，分析该条件下的菌落结构以及优势菌种。研究 结果表明： ( 1 ) d o 浓度控制在0 5 - 4 5 m g c 之间，随着d o 从0 s m g l 增到1 5 m g l ， n i l 3 - n 、t n 、t p 、c o d 的去除率均相应增加；当d o 从1 5 m g l 增到4 5 m g l ， 除c o d 去除率有显著的增加外，n h 3 - n ( d o 为2 5 m g l 去除率达到最大值) 、 i n 、t p 的去除率均减小。d o 为1 5 m g l 时，n i - 1 3 - n 、t n 、t p 、c o d 的去除率 分别为9 3 0 3 、9 4 8 7 、6 7 6 2 、9 1 1 6 。 ( 2 ) h r t 控制在2 8 小时，当h r t 从2 小时增加到8 小时，n h 3 一n 、t n 、 ，i p 、c o d 的去除率逐渐增加；当h r t 从8 小时增加到1 2 小时，t n 、t p 的去除 率稳定在较高水平，t p 的去除率呈下降趋势，而c o d 的去除率仍持续增加。h r t 为8 小时时，n i l 3 - n 、t n 、t p 、c o d 的去除率分别为9 6 3 3 、9 4 1 2 、6 3 1 2 、 9 2 1 8 。 ( 3 ) 确定了当d o 为1 s m g l 、h r t 为8 h 时，膜生物反应器内存在好氧、缺氧、 厌氧的环境，对畜禽废水中的脱氮除磷达到了较好的效果，同时对c o d 的出率也 保持在较高的水平。 ( 4 ) 对d o 为1 5 m g l 、h r t 为8 h 条件下的膜生物反应器的细菌多样性进行 研究分析，构建1 6 sr d n a 克隆文库，文库库容值为7 5 9 。对确认成功的2 9 个 克隆子用h i n f l 、h a e l i i 、a l u l 、m s p i4 种限制酶进行限制酶切多态性分析，产生 出1 2 种不同的组合酶切图谱类型。文库的统计分析s h a n n o n o w i e n e r 为2 1 8 1 1 ， s i m p s o n 为o 8 5 8 5 ，均匀度为o 8 7 7 7 ，丰富度为3 2 6 6 7 。 ( 5 ) 根据1 6 sr d n ap c r - r f l p 分析结果，选择了1 2 个样品送上海生物工程技 术服务有限公司测序。把测序结果通 r 立n c b i ，用b l a s t i 具进行相似序列搜索和比 对，确定其所属类别。1 2 个克隆子通过b l a s t 找到了相对应分类，且相似度较高。测 1 序样品中4 个序列属- - y y - p r o t e o b a c t e r i a ，3 个序列属于 3 - p r o t e o b a c t e r i a 。其中第1 4 号、 2 6 号克隆子分别与n i t r o s o m o n a sc o m m u n i s 和n i t r o s o m o n a se u r o p a e a 相似度为9 9 ，4 号克隆子属于f l a v o b a c t e r i a ，1 4 号克隆子属于n i t r o s p i r a ，有3 个克隆子与未培养细 菌相似度在9 1 9 7 之间。由此可以分析，系统中的优势菌群为1 ，- p r o t e o b a c t e r i a c c f l l b p r o t e o b a c t e r i a 。 关键词：m b r 、畜禽废水、16 sr d n a 、p c r - r e l p a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fl i v e s t o c kf a r m i n g ，m o r ea n dm o r el i v e s t o c kc u l t i v a t i o n f a r m se m e r g e d a n dl i v e s t o c kw a s t e w a t e rh a da l r e a d yb e c o m ec h i e fp o l l u t i o nr e s o u r c ei n t o d a y sc o u n t r y s i d e l i v e s t o c kw a s t e w a t e rh a sd i s g u s t i n go d o lh i l g hc o n t e n t so fo r g a n i c m a t t e r s ，s u s p e n ds l u d g e ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s i no r d e rt om a k ec e r t a i nt h eo p t i m a l e x p e r i m e n tp a r a m e t e r s ，t r e a t m e n te f f i c i e n c yo fi n t e g r a t e dm e m b r a n eb i o r e a c t o rw a s s t u d i e da td i f f e r e n td i s s o l v eo x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dh y d r a u l i cd e t e n t i o nt i m e s ；a n d b a c t e r i u md i v e r s i t yw a sa n a l y z e db ym o l e c u l a rb i o l o g ym e t h o dt of i u dc o l o n ys t r u c t u r e a n dp r e d o m i n a n ts t r a i ni nc e r t a i nc o n d i t i o n t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t ： ( 1 ) d i s s o l v eo x y g e nc o n c e n t r a t i o nw a sc o n t r o l l e db e t w e e n0 5m g la n d4 s m g l a sd i s s o l v eo x y g e nc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e df r o mo 5m s lt o1 5m e c l ，t h er e m o v a lr a t e o fn h 3 - n 、t n 、t p 、c o da l l c o r r e s p o n d i n gi n c r e a s e d w h i l e d i s s o l v e o x y g e n c o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e df o r m1 s m g lt o4 s m g l ，t h er e m o v er a t eo f n h 3 - n 、t n 、t pa l l d e c r e a s e de x c e p tc o d ，a n dt h er e m o v er a t eo fd or e a c ht om a x i m u mw h e nd ow a s 2 5 m g l w h e nd ow a s1 s m g l ，t h er e m o v er a t eo f n h 3 - n 、t n 、t p 、c o dw a s9 3 0 3 、 9 4 8 7 、6 7 6 2 、9 1 1 6 r e s p e c t i v e l y ( 2 ) i - i k tw a sc o n t r o l l e db e t w e e n2a n d8h o u r s w h e nh r t i n c r e a s e df r o m2h o u r st o 8h o u r s ，t h er e m o v er a t eo fn h 3 - n 、 in 、t p 、c o dg r a d u a l l yi n c r e a s e d ；w h e nh r t i n c r e a s e df r o m8h o u r st o1 2h o u r s ，t h er e m o v er a t eo ft n 、t ps t e a d i e da tah i g h e rl e v e l a n dt h er e m o v er a t eo ft pp r e s e n t e dd e c r e a s et r e n dw h i l et h er e m o v er a t eo fc o ds t i l l k e p to ni n c r e a s i n g w h e ni - i k tw a s8h o u r s ，t h er e m o v e r a t eo f n h 3 - n 、t n 、t p 、c o d w a s9 6 3 3 、9 4 1 2 、6 3 1 2 、9 2 1 8 r e s p e c t i v e l y 。 ( 3 ) w h e nd ow a s1 s m s r l ，h r tw a s8h o u r s ，m e m b r a n eb i o r e a c t o re x i s t e da e r o b i c - o x y g e nd e f i c i e n c y - a n a e r o b i ce n v i r o n m e n tw h i c hh a dg o o de f f e c to f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ， m e a n w h i l et h er e m o v er a t eo fc o dm a i n t a i n e da tah i g h e rl e v e l ( 4 ) r e s e a r c h e dt h ed i v e r s i t yo fb a c t e r i ai nm b rr e a c t o ra td o 1 5m e , ，a n dt h e h r tw a s8h o u r s t h e16 sr d n ac l o n i n gl i bw a sc o n s t r u c t e d , w h i c hh a dt h ec o n t e n to f 7 5 9 t h e nu s i n g4k i n d so fr e s t r i c t i o ne n d o n u c l e a s e s ，s u c ha s ：h i n f l ，h a e r i ，a l u ia n d m s p i ，t oc u tt h ec l o n e s ( 2 9w e r es u c c e e dt oi n s e r t i n gt h e16 sr d n af r a g m e n t ) t h er e s u l t s 2 s h o w e dt h a tt h e r ew e r e1 2d i f f e r e n tp a t t e r n so fc l e a v a g em a p sw h e nc o m b i n a t i o nt w o r e s t r i c t i o ne n d o n u c l e a s e sa r b i t r a r i l y t h es h a n n o n w i e n e ri n d e xo ft h el i bw a s2 。1811a n d t h e s i m p s o nw a so 8 5 8 5 t h eu n i f o r m i t ya n dr i c h n e s s w e r e0 8 7 7 7a n d3 2 6 6 7 ， r e s p e c t i v e l y ( 5 ) a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gt h e16 sr d n ap c r - r f l pp a t t e m s ，8s a m p l e sw e r es e n t t ob i o c o m p a n yt oh a v es e q u e n c i n g t h e nd e t e r m i n e dt h e i rg e n e r ab yh u n t i n gf o rt h e s i m i l a rs e q u e n c e sa n dc o m p a r i n gt h e i rs i m i l a r i t i e sw i t hi n t e r a c tt o o l s ：n c b ia n db l a s t p r o g r a m a l lc l o n e sw e r ef o u n dah i 曲一s i m i l a rs t a n d a r ds t r a i n 4s e q u e n c e so ft h e m b e l o n g e dt o7 - p r o t e o b a c t e r i as u b c l a s s ，a n d3s e q u e n c e sb e l o n g e dt o1 3 - p r o t e o b a c t e r i a s u b c l a s s t h ec h o n e sn o 1 4a n dn o 2 6w e r ej u 起e da st h en i t r o s o m o n a sc o m m u n i sa n d n i t r o s o m o n a se u r o p a e ar e s p e c t i v e l y , b o t ho fw h o s es i m i l a r i t i e sw e r e9 9 n o 4w a st h e f l a v o b a c t e r i aa n dn o 1 4w a st h en i t r o s p i r a m e a n w h i l e ，3c l o n e sh a dt h es i m i l a r i t i e s b e t w e e n9 1 9 7 w i t ht h eu n c u l t u r e db a c t e r i a s ot h ec o n c l u s i o nw a st h e 7 - p r o t e o b a c t e r i aa n d t h ep p r o t e o b a c t e r i aw e r et h es u p e r i o rb a c t e r i ai nt h i sm b r r e a c t o r k e yw o r d s ：m b r , l i v e s t o c kw a s t e w a t e r , 1 6 sr d n a ，p c r - r f l p 3 论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行研究工作所取 得的成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，学位论文中不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川农业大学 或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲百叩段 。沙彦年舌月多口日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解i 蛋jo l 农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：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，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意四川农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 研究生签名：丐竹髓 别雉轭弦 a m 哮年参月护e l 厶；吩年善月枷e l 1 文献综述 1 1 畜禽养殖业发展现状 1 1 1 畜禽养殖业污染现状 当前，我国水环境污染加剧的趋势虽有所遏制，但水环境质量仍难以根本改善。 对水污染防治，往往只注意工业废水和生活污水，可实际上畜禽养殖产生的粪尿、污 水对水体的污染负荷，已经或正在成为比工业废水和生活污水更大的污染源。 畜禽养殖业大力发展所带来的环境污染问题日益严重，不仅影响经济发展，而 且还危及生态安全。畜禽养殖污染源来自于从畜禽体内排出的有害气体、粪便及其 分解产生的臭气、动物体表掉落的毛屑以及养殖场站的冲洗废水，而农村又普遍使 用化肥，致使大量粪便未能还田，有些长期堆置或排放到附近水沟、洼地，堵塞了河 道，污染了水体和空气，蚊蝇孳生，严重恶化畜禽场内外环境的空气质量。还有一部 分污染物经地表径流和土壤渗滤进入地表水体、地下水层，造成水体污染、水井报废； 或在土壤中积累，造成土层结构破坏，土壤丧失还原能力，地表植物被枯死，并为有 害微生物及寄生虫提供了繁衍、潜伏的环境，最终导致畜禽发病率上升。 畜禽养殖污染近年以惊人速度递增，特别是西南地区，畜禽养殖集规模化和农 民非专业分散养殖为主，其大牲畜和猪粪产量约为2 5 亿吨年，相当于工业固体废物 产生量的5 5 倍，其排出的废水是工业废水排放量的1 3 。畜禽养殖对环境的污染见表 】【i 】o 表1 畜禽养殖对环境的污染 t a b l elt h ep o l l u t i o nb yp o u l t r yc u l t i v a t i o n 1 1 2 畜禽养殖废水处理技术现状 我国的畜禽养殖业发展虽然起步晚，但发展迅速，因而国家缺乏对其污染的系 统监测和有效控制，其污染控制无论是在管理上，还是在政策上都显得滞后。如果 不及时提高认识，采取妥善处理措施，防止污染的发生与蔓延，将产生严重后果。 为控制畜禽养殖业产生的废水、废渣和恶臭对环境的污染，国家环境保护总局发布 了畜禽养殖业污染物排放标准，着手治理畜禽养殖场和养殖区的污染难题。 畜禽废水的特点是有机物、悬浮物和氨氮浓度高，组成复杂，因此畜禽养殖污染 治理难度大，目前畜禽养殖废水的处理技术主要为自然处理法、好氧处理技术、厌 氧处理技术和混合处理技术。 ( 1 ) 自然处理法 自然处理法是利用天然水体、土壤和生物的物理、化学与生物的综合作用来净 化污水。其净化机理主要包括过滤、截留、沉淀、物理和化学吸附、化学分解、生 物氧化以及生物的吸收等。主要的工艺有氧化塘、土壤处理法、人工湿地处理法。 廖新佛等1 2 1 香根草和风车草为植被，建立人工湿地，通过4 季测试，研究其对猪场废 水有机物的净化功能及其随季节、进水浓度及水力停留时间变化的规律。结果表明，4 个季节香根草或风车草人工湿地对c o d 和b o d 有较稳定的去除效果，两湿地抗有机 负荷冲击能力强。 ( 2 ) 好氧处理技术 好氧处理是在有游离氧( 分子氧) 存在的条件下，好氧微生物降解有机物，使其稳 定、无害化的处理方法。微生物利用废水中存在的有机污染物( 以溶解状与胶体状的 为主) ，作为营养源进行好氧代谢。有机物被微生物摄取后，通过代谢活动，一部份 被分解、稳定，并提供其生理活动所需的能量；另一部份被转化，合成为新的原生 质( 细胞质) ，即进行微生物自身生长繁殖。在好氧处理中，可生物降解的有机物最终 可被完全氧化为简单的无机物。该方法主要有活性污泥法和生物滤池、生物转盘、 生物接触氧化、序批式活性污泥、a o 及氧化沟等。范建伟1 3 1 研究了活性污泥膜分离 技术在畜禽废水处理中的应用，实验结果显示，采用膜生物反应器来处理畜禽废水， 当工艺设计合理时，出水可达到国家一级排放标准。邓良伟【4 】采用水解一s b r 工艺进 行了规模化猪场粪污处理试验。结果表明，s b r 对t n 去除率为7 4 1 ，特别是对高浓 度n i l 3 - n 的去除率达9 7 以上。 ( 3 ) 厌氧处理技术 厌氧处理又被称为厌氧消化、厌氧发酵，是指在厌氧条件下由多种( 厌氧或兼性) 微生物物的共同作用下，使有机物分解并产生c h 4 和c 0 2 的过程。厌氧过程广泛地存 在于常用的方法有：完全混合式厌氧消化器、厌氧接触反应器、厌氧滤池、上流式 厌氧污泥床、厌氧流化床、升流式固体反应器等。谢勇丽等【5 】利用u a s b 反应器处理 畜禽废水的试验运行。结果表明，用畜禽废水直接启动u a s b 反应器是切实可行的， 絮状污泥接种后经过5 4 d 的驯化，有机负荷由0 8 k g c o d ( m 3 d ) 提升到5k g c o d ( m 3 d ) ， 2 进料c o d 浓度f l j 8 0 0 m g l 提高到4 0 0 0 m g l ，去除率基本稳定在8 5 以上；用u a s b 反 应器处理畜禽废水也是切实可行的，畜禽废水经过u a s b 反应器处理，c o d 的去除率 达n 8 5 以上，同时对t n 和t p 也有一定的去除，且反应器较稳定，具有较强的抗 冲击负荷能力。 ( 4 ) 混合处理技术 为了取长补短，获得良好稳定的出水水质，实际应用中加入其他处理单元。将自 然处理法、厌氧法、好氧法相结合用于处理畜禽养殖废水。邓仕槐【6 】针对畜禽养殖场 废水的“三高”特点，i i p c o d 高、氨氮高、s s 高，应用气浮a b c a s s 湿地及生态塘 为主体的废水处理工艺。结果证明，该工艺处理后的废水c o d 氨氮、s s 等指标都能 达至u ( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 一级排放标准。林伟华等 7 1 研究7 c s t r - s b r t 艺在畜禽废水处 理中的应用，经研究表明，脱氮效果达到9 9 以上。彭军等【8 】选择新型厌氧兼氧组 合式稳定塘处理工艺，把上流式厌氧污泥床移植到兼性塘，充分利用规模化猪场的 地形地势，妥善地解决了规模化猪场污水污染负荷高和养猪行业的利润低的两大难 题。该技术的实际运行表明，废水b o d 的质量浓度 - - j i 扫9 0 0 0 m g l 降至2 0 m g l ，c o d c r 的质量浓度可由1 4 0 0 0 m g l 降至6 0 m g l ，n i - h + - n 的质量浓度可由1 2 0 0 m g l 降至 6 5 m g l 。 1 2 膜生物反应器在废水处理中的运用 1 2 1 膜生物反应器特点 膜生物反应器对有机物的去除效果来自两方面：一方面是生物反应器对有机物的 降解作用，膜生物反应系统中生物降解作用增强；另一方面是膜对有机大分子物质的 截留作用，大分子物质可以截留在好氧反应器内，获得比传统活性污泥法更多的与 微生物接触反应时间，并有助于某些专性微生物的培养，提高有机物的去除效率。 与传统的污水处理生物处理技术相比，m b r 具有以下主要特点： ( 1 ) 出水水质好 由于膜的高效截留，出水中悬浮固体的浓度基本为零；对游离菌体和一些难降 解的大分子颗粒状物质截留作用，生物反应器内生物相丰富，如，世代时间较长的 硝化菌得以富集，原生动物和后生动物也能生长；膜出水不受生物反应器中污泥膨 胀等因素的影响。 ( 2 ) 剩余污泥量少 对于传统的活性污泥法，过长的污泥龄将会导致出水中悬浮固体的增加。而 m b r 中由于膜的截留作用长污泥龄运行并不影响出水水质。剩余污泥量的减少，可 以降低污泥处理费用，简化污水处理工艺操作，特别式对于小型污水处理厂和分散 的污水处理设施，其优越性更为突出。 ( 3 ) 设备紧凑占地少 由于生物反应器内污泥浓度高，容积负荷可大大提高，而且用膜组件代替了二 沉池和过滤设备，因此，与常规生物处理工艺相比，膜生物反应器的占地面积可大 为减少。 m b r 也存在不足之处，如膜的制造成本较高、能耗较高、运行过程中膜易受到 污染而导致产水量降低，使处理成本因膜清洗和膜组件的更换而增加等。 1 2 2 膜生物反应器研究进展 1 2 2 1 国外研究进展 1 9 6 9 年，美国的s m i t h 首次报道了美国的d o r r - o l i v e r 公司把活性污泥法和超滤工 艺结合的方法，该工艺用膜分离技术取代了常规的活性污泥二沉池。1 9 7 0 年，h a r d t 等人，用好氧生物反应器处理合成废水。8 0 年代以后，m b r 开始在污水处理行业得 到应用。早期的分离式m b r 均采用错流式膜组件，即被过滤流体平行于过滤表面， 与滤液交错流动，由此产生的剪切力或湍流流动以限制滤饼层的厚度。为了维持稳 定的透水率，膜面流速一般大于2 m s ，这就需要较高的循环水量，造成较高的单位 产水能耗。 日本学者y a m a m o t o 等【9 】在19 8 9 年首先开发了一体式m b r 。在一体式m b r 中，膜 组件直接置于反应器内部，通过泵抽吸得到滤液，省去了分置式所需的循环泵及管 路系统。1 9 9 2 年k n o p s 利用i y d n e y 和c o l t o n 提出的浓差极化理论研究错流式膜组件的 透水率，研究发现膜纤维长度减少可以增加透水率，并提出穿流式膜组件的构想。 1 9 9 6 年k i s h i n o 将m b r 用于生活污水回用【1 0 1 。1 9 9 9 年，一种新的一体式m b l 0 一重力淹 没式m b r 在日本试验成功【i l 】。同时，英国、美国、北欧等国家在m b r 的研究方面也 投入了很大力量。1 9 8 2 年，d o r r - o l i v e r 公司应用膜厌氧反应器系统来处理高浓度食品 废水。在8 0 年代末和9 0 年代初，z e n o n 环境公司研制成功z e n o n g e m 、p e r m a f l o wz 8 ( 由 8 个内径2 4 m m 管式组成，膜面积8 l n 2 ) 、z e e w e e d 等一系列工艺。1 9 9 9 年m a l l o n 研究了 用中空纤维膜m b r 处理1 8 0 0 m 3 d 鸡肉加工污水的费用情况。 1 2 2 2 国内研究进展 我国m b r 的研究工作起步较晚，中国科学院生态环境研究中心，自1 9 9 3 年开始 4 膜生物反应器的研究工作。刘静文【1 2 】等采用r 处理高氨氮废水，重点分析了氨氮、 有机物的去除以及膜比通量变化等。结果表明，工艺运行稳定，出水氨氮平均浓度 低于3m r d l ，m b r 能够抵抗有机物冲击负荷，氨氮容积负荷可以达到1 1 1 k g n h 3 - n ( m 3 d ) 。钱鸣飞【1 3 】等提出了一种改进一体式膜生物反应器所采用的曝气方 式，即采用射流曝气来解决常规曝气存在能耗高、氧传递速率低、以及容易导致膜 污染等问题。赵曙光【1 4 】等结合s m b r 处理生活污水的启动调试过程，介绍了s m b r 系 统启动调试的控制方法和运行经验，确定了启动实际工程的污泥浓度为0 2 5 9 l ，出 水水质优于国家中水标准( g b f r l8 9 2 0 - 2 0 0 2 ) 。 随着我国国民经济的发展的人民生活水平的提高，膜技术的应用领域也在不断 扩大，我国的膜技术和膜产业将围绕水资源开发、水处理、气体分离、天然气净化、 回收有用物质和人类健康等市场需要，建立工业新技术、节能新技术、环保新技术 和生物工程新技术【1 5 1 。 1 2 3 膜生物反应器脱氮除磷研究进展 1 2 3 1 膜生物反应器脱氮研究进展 传统的生物脱氮包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用三个反应过程。 ( 1 ) 氨化作用 微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作用。很多细菌、真菌和放线 菌都能分泌蛋白酶，在细胞外将蛋白质分解为多肽、氨基酸和氨( n h 3 ) 。其中分解 能力强并释放出n h 3 的微生物称为氨化微生物。氨化微生物广泛分布于自然界，在有 氧( 0 2 ) 或无氧条件下，均有不同的微生物分解蛋白质和各种含氮有机物。如某些 芽孢杆菌( b a c i l l a c e a e ) 、假单胞菌( p s e u d o r n o n a s ) 等。 ( 2 ) 硝化作用 硝化细菌将氨氧化为硝酸的过程称为硝化作用。1 8 9 1 年，c h 维诺格拉茨基用， 无机盐培养基成功地获得了硝化细菌的纯培养，证实了硝化作用是由两群化能自养 细菌进行的。先是亚硝酸菌将铵氧化为亚硝酸；然后硝酸菌再将亚硝酸氧化为硝酸。 亚硝酸菌有亚硝酸单胞菌属( n i 护o s o m o n a s ) 、亚硝酸螺菌属( n i t r o s o s p i r a ) 和亚硝酸球 菌属( n i t r o s o c o c c u s ) 等。硝酸菌有硝酸杆菌属( n i t r o b a c t e r ) 和硝化螺菌属( n i t r o s p i r a ) 等。这两群细菌统称硝化细菌。 ( 3 ) 反硝化作用 反硝化作用也称脱氮作用。反硝化细菌在缺氧条件下，还原硝酸盐，释放出分 子态氮( n 2 ) 或一氧化二氮( n 2 0 ) 的过程。微生物和植物吸收利用硝酸盐有两种不 同的用途，一是利用其中的氮作为氮源，称为同化性硝酸还原作用：n o ；- n h ：_ 有机态氮。另一用途是利用n o ；和n o ；为呼吸作用的最终电子受体，把硝酸还原成 氮( n 2 ) ，称为反硝化作用或脱氮作用：n o ；_ n o ；_ n 2 t 。能进行反硝化作用的只 有少数细菌，这个生理群称为反硝化菌。大部分反硝化细菌是异养菌，例如小球菌 ( m i c r o c o c c u s ) 、反硝化假单胞菌( p s e u d o m o n a sd e n i t r i f i c a n s ) 等。 传统的脱氮工艺主要建立在硝化。反硝化机理之上，主要形式有两级和单级脱氮 工艺。两级脱氮工艺是指硝化和反硝化分别在好氧反应器和缺氧反应器进行，单级 脱氮工艺是在一个反应器内通过时间序列来实现缺氧和好氧的循环过程。近年来国 内外为了克服传统生物脱氮工艺的缺点而正在积极研究开发的同步硝化反硝化( 也称 同时硝化反硝化) ( s i m u l t a n e o u s n i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n ，s n d ) 生物脱氮新技术，如 a n a m m o x ( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ) 和好氧反氨化( d e a m m o n n i f i c a t i o n ) 工艺；短程硝化反硝化( s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n t r i f i c a t i o n ) 等。 王颖【1 6 】采用缺氧好氧m b r 处理食品废水的试验中，进水氨氮为4 0 0 6 6 0 m g l 时， 硝化效果达到了9 l 。胡九如【1 7 】采用膜生物反应器处理焦化废水，结果表明：膜的 截留作用使世代周期长的硝化菌被截留在反应器内并富集成为优势菌种。在严格控 制反应器中的温度、d o 和p h 值的条件下，系统出栅3 - n 能够稳定在5m g l 以下， 去除率大于9 5 。a n j o u t l s 】研究中心采用分置式m r 脱氮工艺进行了生活污水中氮的 去除研究，结果发现，在m l s s 分别为1 5g l 、2 0g l 和2 5g l 的条件下，出水氨氮浓 度均低于lm e t , ，t n 的平均去除率为7 4 。w y f f e l s 等 1 9 j 采用浸没式m b r ，在溶解氧 为0 1 9 l 、氨氮为7 5 4g l 、温度为3 5 的条件下，发现了亚硝酸盐积的现象，出水 中亚硝态氮占主体，仅有少量的硝态氮。此现象表明，该工艺条件下氨氧化菌的增 殖速率大于亚硝酸氧化茵，从而得到亚硝酸盐的累积。李红岩等【2 0 】采用膜生物反应 器处理人工配制的无机氨氮废水，n h 4 + - n 浓度为5 0 0 m g l 、无排泥条件下运行2 0 0 d ， 研究了反应器的硝化代谢产物及细菌活性。张风君掣2 1 】比较了在相同的进水和运行 条件下，投加粉末活性炭与未投加粉末活性炭的膜透水性及对污染物的去除效果， 并分析了粉末活性炭可以提高膜过滤性能的相关机理。任防振等 2 2 1 研究了兼氧好氧 膜生物反应器工艺对食品废水的处理效果。结果表明，投加粉末活性炭的兼氧好氧 与膜生物反应器组合( a o + m b r ) 对食品废水表现出良好的净化效果，化学需氧量 ( c o d ) 的平均去除率为9 6 ，n i - h + - n 的平均去除率为9 1 ，对浊度的去除率基本达 到1 0 0 。 6 1 2 3 2 膜生物反应器除磷研究进展 生物法除磷主要是利用微生物在好氧条件下对污水中溶解性磷酸盐的过量吸收 作用，然后沉淀分离而除磷。系统除磷主要依靠厌氧和好氧交替的生物处理系统。 自然界中很多细菌能从外界环境中吸收可溶性磷酸盐，并在体内转化为合成的多聚 磷酸盐积累起来，作为储存物质。一些能过量积累聚磷盐的微生物如枯草杆菌 ( b a c i l l u ss u b t i l i s ) 、产气杆菌( b a c t e r i u ma e r o g e n e s ) 、诺卡氏菌属( n o c a r d i a ) 。 m b r i 艺一般具有很长的泥龄，并不利于磷的去除。通过工艺的改进以及采用 投加絮凝剂的化学方法，对磷的去除取得了较好的效果。g o n z a l e z 等【2 3 】研究出了序 批式生物膜反应器( s b b r ) ，试验中将反应器按进水、厌氧、好氧、排水四个阶段周 期性循环运行。k e r me s p e r s e n 等t 2 4 】将固定床生物膜反应器按序批方式运行，使反应 器交替处于厌氧缺氧状态，发现聚磷菌能利用硝酸盐作为氧化剂吸磷，实现除磷的 目的。gp a s t o r c l l i 等【2 5 】采用中试规模的移动床序批式生物膜反应器处理城市废水。当 反应器只有厌氧和好氧阶段时，在好氧段发生同步硝化反硝化以及吸磷现象。李军 等【2 6 】利用3 1 p 核磁共振谱图证实了生物除磷的机理，即除磷茵在厌氧条件下分解胞内 的聚磷酸盐并释放出正磷酸盐形式的无机磷酸盐，而在好氧或缺氧条件下吸收胞外 的无机磷酸盐后转化为聚磷酸盐而贮存于胞内，并通过菌属鉴别试验，分析了除磷生 物膜中微生物的特点和其在生物除磷过程中所起的作用，确定出淹没式生物膜法除 磷工艺中的优势菌属为假单胞菌属，其次依顺序为气单胞菌属、芽孢杆菌属、微球 菌属、硝化杆菌属【2 刀。 在m b r 系统中，高的污泥龄不利于对磷的去除作用，因此通常采用投加絮凝剂 以共沉淀模式来提高对磷的去除效果。化学沉淀除磷是利用磷酸根能和某些阳离子， 如铁盐、铝盐进行化学反应，生成不溶于水的沉淀，从而使化学反应不断向生成物 方向进行，通过泥水分离最终达到去除废水中过量磷的目的。邹联沛等f 2 8 】对膜生物 反应器中化学出磷进行了研究。结果表明：在间歇试验中，随铝盐和铁盐与t p 摩尔 比的增大t p 的去除率增大，并且随着闷曝时间的延长而t p 的去除率下降；在m b r 中 进行化学除磷时投加铝盐比铁盐好。 1 2 3 3 膜生物反应器同步脱氮出磷研究进展 m b r 同步脱氮除磷工艺根据除磷方法的不同分为生物脱氮除磷和生物脱氮化学 除磷两种。在生物脱氮除磷工艺中，根据好氧和厌氧是否在同一反应器内发生，又 可将其分为三类：单级a o 程序m b r 脱氮除磷工艺、两级a o 阶段m b r 脱氮除磷工 艺和两级a 2 o 阶段m b r 脱氮除磷工艺。目前，国内主要外采用厌氧或缺氧好氧串联 7 工艺或序批式厌氧好氧工艺对膜生物反应器进行了同时脱氮除磷研究。t h b a e 等【2 9 】 采用单级a o 程序m b r 脱氮除磷工艺对工业废水进行处理，研究结果，b o d 去除率达 9 7 9 8 ，氮的去除率为9 6 ，磷的去除率为8 0 0 。曹斌等 3 0 1 构建- j a 2 o 膜生物 反应器强化生物脱氮除磷中试系统，用于处理城市污水。结果表明，出水氮和磷达到 我国城市污水再生利用景观环境用水水质标准( g b t18 9 21 - 2 0 0 2 ) 。刘建广等【3 l 】 采用一体化膜生物反应器对城市污水脱氮除磷的特性进行研究，结果表明，当溶解 氧浓度为0 5m g l 左右时，系统在有效地去除有机污染物的同时，可达到较高的氮、 磷去除率：总磷去除率平均为9 6 ：总氮去除率平均在7 0 以上。 1 2 4 膜生物反应器在畜禽养殖废水处理中的运用 由于畜禽养殖废水的c o d 高、氨氮高、s s 高特点，运用厌氧+ 好氧相结合处理， 能有效的脱氮出磷。小林真澄等【3 2 】研究在高的污泥浓度前提下，将膜生物反应器用 于养殖污水的处理，能够大大提高容积负荷率，减少曝气池构筑物的容积。日本静 冈采用高负荷活性污泥超滤的m b r 处理粪便和化粪池的污泥，得到了较好效果【3 3 】。 豆小敏【3 4 】等采用u 型中空纤维膜和l 式中空纤维膜生物反应器，对不同的c o d 及 n h ：- n 进水浓度、d o 、h r t 进行了4 种工况试验研究。结果表明，m b r 作为猪场污 水处理好氧段是可行的，当进水c o d 平均浓度为1 8 6 0 m g l ，u 型、l 式膜平均去除率 分别为8 4 1 和8 1 2 ；n h ：- n 进水平均浓度为5 1 1m g l ，u 型、l 式膜平均去除率 分别为9 3 8 1 ，9 3 6 1 。孟海玲等【3 5 】采用中空纤维膜生物反应器作为猪场污水厌氧 后的好氧工艺进行深度处理进行了研究。结果表明，在溶解氧约为l m g l 、m i s s 维 持在8 4 8 1 3 1 9 l 的条件下，c o d 和n h ：- n 负荷分别平均为1 3 2 和0 6k g m 弓d - 1 ，均远 高于普通活性污泥法，且随着负荷的增加仍能保持稳定的去除率。陈蕊等【3 6 】对好氧 颗粒污泥膜生物反应器与普通膜生物反应器处理模拟畜禽废水进行了比较研究，结果 表明，好氧颗粒污泥膜生物反应器具有更为稳定良好的出水水质，同时，发现好氧 颗粒污泥膜生物反应器膜通量的下降速度明显低于普通活性污泥膜生物反应器下降 速度，好氧颗粒污泥膜生物反应器具有减缓膜污染的优势。 1 3 分子生物技术在废水处理中的运用 传统的微生物分析测定技术，如显微镜观察、选择性培养基计数、纯种分离等 技术，由于方法本身的局限性，很难真实准确地反映出环境微生物中细菌的种类和 数量。同时，对于环境样品的培养分离， 对微生物原有种群结构会有影响和破坏。 周期较长、工作量大，且培养基的选择性 随着分子生物学技术的发展，使得有关的 8 分子生物学技术运用到环境科学与工程的许多分支学科。通过运用分子生物学技术 对微生物种群结构的研究，掌握对水处理效果起关键作用的微生物的状态和动向， 从微观、机理、动态等多个角度了解微生物在废水中起的作用以及不断提高的污水 处理效果。 自2 0 世纪8 0 年代中期以来，1 6 sr d n a 序列分析技术、核酸探针分析技术、温度 梯度胶凝胶电泳分析、呼吸链泛醌分析技术等在内的微生物分子生物学方法的研究 和应用获得了快速的发展，克服了环境样品研究中传统微生物分析方法的局限性， 使废水生物处理系统的微生物生态研究及其在废水生物处理实践的应用有了科学方 法。 1 3 11 6 sr d n a p c r p a c e 等【3 7 】通过对5 sr d n a 基因的序列分析来研究微生物的生态和进化，该方法很 快被用于微生物多样性研究领域。由于5 sr d n a 基因相对较小，携带信息相对较少， 因而揭示微生物群落多样性的能力有限。随后发展的1 6 sr d n a 基因序列分析因提供 了更多信息，且效率更高，特别是其进化具有良好的时钟性质，在结构与功能上具 有高度的保守性，称为“细菌的化石”1 3 8 1 。既能体现不同菌属之间的差异，又能利用 测序技术来较容易地得到其序列认为一种较成熟的技术被更广泛的运用于各个领域 3 9 - 4 3 1 o 1 6 sr d n a 基因序列分析是主要基予已建立的微生物1 6 sr d n a 基因序列数据库， 用以确定细菌的系统发育及进化关系。高平平等瞰】在对含酚废水生物处理系统的研 究中，针对4 种不同类型的降酚菌设计专一性引物和探针，通过p c r 扩增监测这些菌 群在活性污泥中的动态变化及生态功能和地位，并将降酚菌的分类地位至少可以确 定到属的水平。黄正等 4 5 1 利用氨氧化细菌与亚硝酸氧化细菌1 均1 6 sr d n a 特异性引物 进行p c r 扩