（环境工程专业论文）厌氧氨氧化微生物培养及控制条件研究.pdf

苏州科技一学院硕十学位论文摘 要 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼皇曼曼鼍曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼。一i 一一一i ；i ；_ i 曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼 摘要 近年来，厌氧氨氧化技术( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ，a n a m m o x ) 以其 独特的优点代替传统生物脱氮技术成为当今微生物学和废水处理领域的一个研究 重点。但厌氧氨氧化菌生长速率极为缓慢，对外界环境条件十分敏感，因而难以实 现工程化。本文是在总结前人研究厌氧氨氧化工艺及本课题组前期实验研究成果基 础上，以s b r 反应器为对象，在恒定温度3 7 士1 下，对于恢复中的厌氧氨氧化菌 做进一步的负荷提高实验，在实验条件相同的情况下，分析两种负荷提高方式( 缩短 水力停留时间和提高进水基质浓度) 对反应器脱氮性能的影响，同时分析了高浓度基 质对厌氧氨氧化活性的影响；并考察了不同接种泥源、不同筛除培养方式得到的厌 氧氨氧化菌对氨氮及亚硝氮的转化比例及碳酸氢钠投加量对微生物生长和反应系 统p h 值的影响。主要研究结果如下： 1 、采用s b r 装置，接种原培养的厌氧氨氧化污泥，在两个完全相同的反应器 及实验条件下分析缩短水力停留时间和提高基质浓度对反应器性能的影响。通过比 较氨氮与亚硝氮去除率得出，较缩短水力停留时间而言，提高进水基质浓度更易于 总氮负荷的提高。 2 、在通过提高进水基质浓度提高负荷的过程中，反应器连续运行1 3 8 天，进 水总氮容积负荷由起始的o 0 3 9 5 k g n m 3 - d 逐步提高到0 1 1k g n m 3 - d 。n l - h + - n 及 n 0 2 - - n 的去除率最高达到1 0 0 ，平均为9 2 5 6 和9 1 9 1 。 3 、当n h 4 + - n 浓度为4 0 5 m g l 、n 0 2 一一n 浓度达到5 4 0m g l 时，两氮出水浓度 均有上升，微生物活性受到抑制。根据进水基质浓度与厌氧氨氧化平均活性之间的 关系曲线可以得知，该抑制主要来自于亚硝氮。 4 、在稳定运行的反应器中，考察由厌氧污泥厌氧筛选、好氧污泥厌氧筛选、 好氧污泥好氧筛选得到的微生物对亚硝氮与氨氮的转化比例分别为1 3 2 7 、1 3 0 6 及 1 2 2 。三者存在差异的主要原因在于接种污泥及培养方法不同。由厌氧污泥厌氧筛 选得到的微生物对亚硝氮与氨氮的转化比值最为接近经验值1 3 2 。 5 、根据厌氧氨氧化反应方程式计算得出，代谢1 9 n i - h + 合成细胞所需的碳酸氢 钠量为0 3 2 5 9 。并通过实验分析得到在满足微生物生长所需碳源后，营养液中较高 浓度的n a h c 0 3 不会对厌氧氨氧化反应造成影响；并计算出溶液p h 值与碳酸氢钠 含量的关系式；同时研究得出，在p h 为8 0 时厌氧氨氧化活性最大。 关键词：厌氧氨氧化，总氮负荷，两氮比例，碳酸氢钠量，p h i m a s t e rd i s s e r t a t i o no fs u z h o uu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y a b s t r a c t ab s t r a c t a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ( a n a m m o x ) h a sr e p l a c e d t h et r a d i t i o n a l n 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 nt e c h n o l o g yt op l a yag r e a ti m p o r t a n c ei nm i c r o b i o l o g y a n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tw i t hi t su n i q u ea d v a n t a g e si nr e s e n ty e a r s h o w e v e r ，t h es l o w g r o w t hr a t eo fa n a m m o x b a c t e r i aa n di t ss e n s i t i v i t yt oe x t e r n a le n v i r o n m e n tm a k et h e p r a c t i a lu t i l i z a t i o nv e r yd i f f i c u l t i nt h i sp a p e r ，s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r sw e r eu s e dt o s t u d yt h en i t r o g e nl o a di n c r e a s i n gb a s e do nt h er e t u r n sa b o u ta n a m m o x p r o c e s su n d e r t h et e m p e r a t u r e3 7 4 - 1 t w om a n n e r s ( s h o r t e nt h eh r ta n di n c r e a s et h ec o n c e m t r a t i o n o fs u b s t r a t e ) i ni n c r e a s i n gn i t r o g e nl o a dh a v eb e e nd i c u s s e di nt h es a m ee x p e r i m e n t a l c o n g d i t i o n s a n da n a l y s e t h e t h e i m p a c t o f h i g h s u b s t r a t e 。c o n c e r n t r a t i o no n a n a m m o xa c t i v i t y b e s i d e s 。i n v e s t i g a t et h et r a n s l a t i o nr a t i oo fn 0 2 一_ nt on h 4 1 。- nb y m i c r o o r g a n i s m sg a i n e df r o md i f f e r e n ts l u d g e sa n dd i f f e r e n tc u l t i v a t i o n a l s ot h ei m p a c t o fn a h c 0 3o nt h eg r o w t ho fm i c r o o r g a n i s ma n dt h ep ho ft h es y s t e mh a v eb e e n a n a l y s i z e d t h em a i nr e s u l t sw e r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： l 、t h ee x p e r i m e n to fc o m p a r i n gt w om a n n e r si ni n c r e a s i n gn i t r o g e nl o a dw a s p e r f o r m e di nt w os b r s ，s e e d e dw i t ha n a m m o xs l u d g ee n r i c h e dp r e v i o u s l y r e s u t sc a n b eg a i n e dv i at h er e m o v a l so fn i - h + - na n dn 0 2 。一ni nt w or e a c t o r st h a tc o m p a r i e dw i t h t h es h o r t e no ft h eh r t ，i n c r e a s i n gt h es u b s t r a t ec o n c e r n t r a t i o ni sm o r ep r o n et ot h e i n c r e a s i n go fn i t r o g e nl o a d 2 、b a s e do nt h er e s u l tl ，i n c r e a s et h en i t r o g e n l o a dw i t hh i g hs u b s t r a t e c o n c e m t r a t i o n n er e a c t o r so p e r a t e df o r13 8 d s ，t h em a x i m u mr e m o v a l so fn h 4 + - na n d n 0 2 一na c h i e v e1 0 0 ，a v e r a g i n g9 2 5 6 a n d9 1 9 1 r e s p e c t i v e l y 3 、w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fn h 4 + na n dn 0 2 一nu pt o4 0 5 m g la n d5 4 0m g l ， t h ec o n c e n t r a t i o no ft h e mi ne f f l u e n ti n c r e a s e d b ，t h ea c t i v i t yo fa n a m m o xw a s i n h i b i t e d a c c o r d i n gt ot h ec u r v eo fs u b s t r a t ec o n c e r n t r a t i o nt oa n a m m o x a c t i v i t y ，t h ei n h i b i t i o n c a m ef r o mn 0 2 - - n ，w h i c hi sr e v e r s i b l e 4 、b yc u l t i v a t i n ga n a e r o b i cs l u d g ea e r o b i c l y 、a e r o b i cs l u d g ea e r o b i c l ya n d a e r o b i c s l u d g ea n a e r o b i c l y ，t h et r a n s l a t i o nr a t i oo f n 0 2 一一nt on 1 4 4 + 一nb ym i c r o o r g a n i s m sg a i n e d f r o mt h et h r e ew e r e1 3 2 7 、1 3 0 6a n d1 2 2 t h ed i f f e r e m c ee x i s t e da m o u n gt h e mi s m a i n l yb e c a u s et h ec u l t i v a t i o nm a n n e ra n dt h ei n o c u l a t i o nw e r ed i f f e r e n t t h et r a n s l a t i o n r a t i oo fn 0 2 - - nt on i - h + - nb ym i c r o o r g a n i s mg a i n e db yc u l t i v a t i n ga e r o b i cs l u d g e a n a e r o b i c l yi sm o r ec l o s et o1 3 2 5 、a c c o r d i n gt o t h ee q u a t i o no fa n a m m o x ，m i c r o o r g a n i s mm e t a b o l i z e s l l m a s t e rd i s s e r t a t i o no f s u z h o uu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y a b s t r a c t _m ign h 4 + f o rs y t h e n s i z a t i o no fc e l ln e e d i n go 3 2 5 9n a h c 0 3e x t r ah i 曲c o n c e n t r a t i o no f n a h c 0 3h a sn oi m p a c to na n a m m o xm i n u st h ee n o u g hc a r b o nf o rt h eg r o w t ho f m i c r o o r g a n i s m a l s oc a l c u l a t et h er e l a t i o n g s h i po fp ha n dt h ec o n t e n to fn a h c 0 3i nt h e s o l u t i o n ，a n da tp h8 0 ，t h er e a c t i o nr a t eo f a n a m m o xi sh i g h e s t k e y w o r d s ：a n a m m o x ，n i t r o g e nl o a d ，r a t i oo f n i t r o g e n ，n a h c 0 3 ，p h 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：茎叠壅：日期：碰年l 月二羔日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文 的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于 收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服 务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意 学校在不以赢利为目的的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全 部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：茎燮煎日期：趋亟年月j 互日 挣剐币虢毯磐嗍避年上月堡日 苏州科技学院硕十学位论文 第一章绪论 第一章绪论 作为有机生命体的重要组成元素，氮污染已成为全球关注的热点。但时至今同， 随着工业生产的发展、人民生活水平的提高，用水需求量大大增加，污水的排放量 与日俱增。同时，农业生产化学肥料的大量使用，我国含氮物质的排放量迅猛增加， 由此引发的水体富营养化问题日益突出，不仅引起我国大部分的地下水和地表水均 受到了不同程度的污染，并已严重危害到人类赖以生存的生态环境。 氮在水体中的主要存在形式为有机氮、分子态氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐 氮等；而在未处理的原废水中，氮的主要存在形式为有机态氮和氨态氮；经二级生 化处理后出水中氮的主要存在形式为氨态氮和硝态氮。在一定的条件下( 如氧化、微 生物代谢等) ，各种氮可以相互转化。在好氧条件下，氨氮能够被亚硝化细菌和硝化 细菌氧化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，因而，水体中的氨氮浓度并不固定。根据我国 地面水环境质量标准，三氮出现的水质意义如下表【lj 所示，根据该表，通过监测水 体的氨氮、亚硝酸盐氮及硝酸盐氮，可以得知水体的受污染状况。 表1 1 水中出现三氨( 氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮) 的意义 注：- t -在水中j j j 现：”一4 _ 任水中小i i 土兕 近年来，氨氮已成为全国地表水总体水质污染的重要指标之一。氮污染对生态 环境及人类造成的危害主要表现为氨氮的危害，及由其在特定条件下生成的氮氧化 物、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的危害。 ( 1 ) 氮氧化物的危害 作为评价人类生存环境质量优劣的重要指标之一，氮氧化物的含量必须得到控 制。相比较氧而言，n o 对生物体血红蛋白的亲和力非常强，当其进入血液后能与 血红蛋白结合生成高铁血红蛋白，从而导致高铁血红蛋白症和中枢神经损害。此外， 1 苏州科技学院硕十学何论文第一一章绪论 i 曼曼曼曼曼曼曼皇! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼i ii i 舅曼曼 长时间暴露在较高浓度( 1 0 1 5 r a g l ) 的n 0 2 环境下易导致肺的损害，严重者会引起 肺癌等症状的发生。 除了对生物体的危害外，过量的氮氧化物排放带大气中，会导致光化学烟雾的 发生；遇水生成的h n 0 2 和h n 0 3 会形成酸雨。 ( 2 ) 氨氮、亚硝酸盐氮及硝酸盐氦的危害 目前，水污染中无机氮的污染主要表现为氨氮，及其转化得来的亚硝酸盐氮和 硝酸盐氮。大量的氨氮会消耗水体中的溶解氧，对鱼类及其他水生动物造成一定的 毒害作用；同时也破坏了原有的生态平衡。由氨氮转化得来的n 0 2 。- n 及n 0 3 。n 对 人体健康影响很大，是潜在的致癌因素。 水体中氮素的来源主要有工业废水、农业废水和生活污水三大方面。 工业废水中的氮主要取决于工厂所用原料性质及废水管理技术，同时也与工艺 种类有关。不同类型工厂所产生的废水中氨氮、亚硝氮及硝态氮的含量是不同的； 对同一类产品，不同的工厂排放废水中氮的含量也不同。产生高浓度含氮废水的工 厂主要为含氮产品的加工厂和使用厂。 农业废水中的氮主要来源于农药和人工合成的化肥。氮肥施入土壤后并非完全 被植物吸收，部分会随水流进入地表水和地下水。为了取得高额农作物产量常常超 额使用化肥农药，加上我国科学使用肥料问题未得到有效解决，导致进入水体的流 失的氮肥量目益增多。 生活污水中含有的氨氮和有机氮主要来源于人体中蛋白质的废弃物和粪便等。 此外由厨房洗涤、洗衣等带来的氮污染也占较大比例，城市垃圾渗滤液中也含有较 高的氨氮。 环境污染的加剧以及公众环境意识的增强，促使越来越多的国家和地区制定更 加严格的氨氮排放标准。我国于1 9 9 6 年颁布实施的污水综合排放标准 ( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 2 1 ，在保留原二级氨氮排放标准( 医药原料药、染料、石油化工工业 s 5 0 m g l 、其他排污单位 4 ，+ 9 h ，o + 2 h + a g = - 2 9 7 材m o i n h a +( 1 1 1 ) n 0 2 一+ 哪+ 寸2 + 2 0a g = 一3 5 8 k j m o l n h 4 + ( 1 1 2 ) s h a r o n a n a m m o x ：该工艺分别在两个反应器中实现部分硝化和厌氧氨氧 化，能优化两类细菌的生存环境，运行性能稳定，已获得了小试【6 1 和中试研究i 7 1 。 此外，n o x 及需氧反氨化工艺( a e r o b i cd e a m m o n i f i c a t i o n ) 也是近年来发现的新型 生物脱氮工艺。n o x 工艺主要是利用n o x 能提高n e u t r o p h a 纯培养液的硝化速率、比 氨氧化速率、细胞生长速率、最大细胞密度及好氧反硝化能力来达到高效脱氮。其 更为重要的作用体现在亚硝化菌的厌氧氨氧化中，当厌氧氨氧化系统中n 0 2 浓度增加 时，n h 4 + n 和n o z - - n 的消耗速率和n 0 3 - - n 的生成速率会增加。目前该工艺已在中试 中得到应用。 需氧反氨化工艺是一种不需要添加c o d 的一步除氨氮过程。己在中试试验和污 水处理厂中进行了测试，即转化部分n h 4 + - n 至n 0 3 - - n ，部分至氮气。它的发现是基 于c a n o n 工艺，即在氧限制条件下，利用了硝化菌和厌氧氨氧化菌的协同作用。但 由于其包括了传统硝化过程，因而效果不是很理想，总氮负荷及去除率均较低。 5 苏州科技学院硕 。学仲论文 第一章绪论 表1 2 生物脱氮技术一览表 6 苏州科技学院硕十学伊论文 第一章绪论 在以上这些新方向中，厌氧氨氧化利用独特的生物机体以亚硝酸盐作为电子受 体把氨氮氧化为n 2 ，最大限度地实现了氮循环的厌氧硝化，对提高城市污水处理厂 脱氮效率、改善城市水环境质量具有重要意义，显示出良好的应用前景。 厌氧氨氧化反应突破了传统硝化反硝化反应繁复的电子转移过程，由一3 价和+ 3 价态氮直接相互作用生成n 2 ，从而极大地降低了能耗、加药量等消耗。以厌氧氨氧 化反应为基础的脱氮工艺，具有反应速度快、处理效率高、污泥量少、节能降耗等 优点，对化肥、焦化、污泥消化液、垃圾渗滤液等高氮低碳废水的脱氮处理尤其有 效，为这些目前废水脱氮处理中的难题提供了一种非常好的解决方案，已得到国内 外相关学者的广泛认可。 7 苏州科技学院硕十学伊论文第：章厌氧氩氰化原理及研究进展 第二章厌氧氨氧化原理及研究进展 鉴于传统硝化反硝化存在的诸多问题，近年来，生物脱氮技术的新发展突破了 传统的认识，厌氧氨氧化反应的发现，不仅丰富了人们的微生物学知识，也为研究 和开发生物脱氮新技术提供了理论依据。 厌氧氨氧化反应是由b r o d a 于1 9 7 7 年首先提出，并由m u l d e r 等人于1 9 9 5 年 在一个反硝化脱氮流化床反应器中得以验证厌氧氨氧化作用的存在。厌氧氨氧化反 应是指在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌直接以n h 4 + _ n 为电子供体，n 0 2 - n 为电子受 体，将n 吖一n 、n 0 2 一- n 转化为氮气的生物氧化过程，其存在是基于营养守恒及热 力学计算假设。同时，该工艺的发现说明反硝化并非氮气生成的唯一途径【l 引。 2 1 厌氧氨氧化脱氮原理 2 1 1 厌氧氨氧化机理 生物氮循环是由许多种能催化不同反应的微生物的复杂作用而组成。对厌氧氨 氧化过程中各种氮素是如何转化的，至今还没有定论。经过十多年的研究，国内外 的研究者们提出了多种厌氧氨氧化反应途径，主要是对中间产物不是很明确。其中 v a n d eg r a a f 等人用1 n 作为示踪元素，研究了厌氧条件下的氨氧化，提出了浮霉状 菌纲细菌在厌氧条件下以亚硝酸盐为电子受体的氨氧化代谢途径b s ( 图2 1 ) 。研究认 为，在氨的厌氧氧化过程中，n h 2 0 h 是最有可能的电子受体。而n h 2 0 h 自身是由 n 0 2 一州分解而来，n h 4 + 一n 和n h 2 0 h 反应生成n 2 h 4 ，而n 2 h 4 被转化为氮气的过 程是为了给n 0 2 一_ n 还原为n h 2 0 h 的反应提供等量的电子。 n h +n o z i n 0 3 n 2 图2 - 1 厌氧氨氧化工艺可能的代谢途径 基于此反应途径，j e a e n | 1 6 1 等人提出两种可能的厌氧氨氧化反应机理( 图2 2 ) 。 其一：一个由周围是膜的酶复合体把氨和n h 2 0 h 转化为n 2 h 4 ，n 2 h 4 则在外周胞质 8 苏州科技学院硕十学位论文 第二：章厌氧氦氧化原理及研究进展 内氧化为氮气。利用内部电子转移，酶复合体负责n 2 h 4 氧化，而在这种酶复合体 的细胞质位置上n 0 2 - - n 被还原为n h 2 0 h 。其二：氨和n h 2 0 h 在细胞质内被一种 周围是膜的酶复合体转化为n 2 h 4 。n 2 h 4 在外周胞质内转化为氮气，它产生的电子 通过电子传输链传递给细胞质内的亚硝酸盐还原酶。n 0 2 - n 则被还原为n h 2 0 h 。 机理一： 机理二： i 胞质 。m1 厂 黪。”“ 二】文【l 畸飞：三。刁 艮，。 蔓外液 、 掣。之4 h h 图2 2 厌氧氨氧化可能的两种反应机理 随着人们对厌氧氨氧化菌内部分子结构及酶系研究的不断深入，在j e t t e n 提出 的厌氧氨氧化机理的基础上， k u e n e n t l 7 】等人提出了c a n d i d a t u s “b r o c a d i a a n a m m o x i d a n s ”的厌氧氨氧化机理( 图2 3 ) 。 n 0 1 l 图2 3c a n d i d a t u s “b r o c a d i aa n a m m o x i d a n s ”的厌氧氨氧化机理 9 苏州科技7 f - 9 c 硕f ：学何论文第一：章厌氧氯氧化原珲及研究进展 ! i i_ _ i i ! 皇曼曼蔓皇曼曼曼曼曼曼曼! 蔓曼! ! ! ! 曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼! ! 曼 在初始的反应过程中，n 0 2 一n 被亚硝酸还原酶( n r ) 转化为n h 2 0 h ( 式2 1 ) ；而 后，在联氨水解酶( h h ) 的作用下，n h 2 0 h 和n h 3 反应生成n 2 h 4 ( 式2 2 ) ；在 a n a m m o x s o m e 中的羟氨氧化还原酶( h a o ) 将反应生成的n 2 h 4 转化为n 2 ，同时产生 4 个电子提供给亚硝酸还原酶( 式2 3 ) ，开始新一轮的厌氧氨氧化反应。 n 0 2 一+ 5 日+ + 4 e n i l 2 伽+ h 2 0 n h 4 + n h 2 0 hjn 2 h 4 + h 2 0 + h 1 n 1 h jn 1 + 4 h + 4 e 表2 1 总结了不同电子受体氧化氨氮的产能情况与可行性。 表2 1 不同电子受体氧化n l - h + - n 及a n a m m o x 产能比较1 8 l ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 由该表可以看出，在以n 0 2 - 为电子受体时，产能较大，且无需氧气参与，并节 省了碳源。综合比较表1 2 中所列各种脱氮技术的原理及特点，厌氧氨氧化是目前 最为经济的一种生物脱氮工艺。 从能源方面考虑，相比较其他工艺，厌氧氨氧化最为经济，但厌氧氨氧化菌是 一种生长极为缓慢的菌种，倍增时间是好氧硝化菌的1 4 倍左右( 表2 2 ) ，在工程上 较难以实现。 表2 2 好氧与厌氧氨氧化的相关参数【1 9 】 1 0 苏州科技学院硕卜学何论文 第：章厌氖氰氧化原理及研究进展 曼曼曼鼍曼曼曼曼! i 一一 ； i _ i _ 一i 一一一曼i 曼曼曼鼍曼曼曼 2 1 2 厌氧氨氧化菌及其特征 厌氧氨氧化菌是一类化能自养的厌氧菌。厌氧氨氧化是在一个类似于细胞器官 的生物团内完成的，称之为厌氧氨氧化体【2 0 l ，氨氮经过联胺和羟氨，最终被氧化为 氮气。至今，已在多个缺氧地带发现厌氧氨氧化菌的存在，如黑海缺氧带1 2 、哥斯 达黎加的海岸线地带【2 2 】、海洋缺氧区【2 3 】及巴尔的摩入港口【2 4 】等。 目前，通过分子学技术已鉴定并暂时命名的厌氧氨氧化菌主要有c a n d i d a t u s b r o c a d i aa n a m m o x i d a n s 研2 5 1 、c a n d i d a t u s k u e n e n i as t u t t g a r t i e n s i s 州2 6 1 、c a n d i d a t u s s c 口l i n d u 口s d ，d k i n i i ”1 2 1j 、c a n d i d a t u s s c 口l i ，z d u db r o d a p ，、c a n d i d a t u s s c 臼l i 疗d u a w a g n e r i ”【2 7 j 。其中b r o c a d i aa n a m m o x i d a n s 是在流化床反应器中发现的，其最适温 度和p h 条件为4 0 和8 0 ，最大比氨消耗速率( 以单位蛋白质计) 为( 4 5 5 ) n m o v ( m i n r a g ) ，倍增时间为l l d ；k u e n e n i as t u t t g a r t i e n s i s 是在德国和瑞士几个污 水处理厂的生物膜反应器中发现的，其最适温度和p h 条件为3 7 c 和8 0 ，适宜生 存于中温偏碱性环境；s c a l i n d u as o r o k i n i i 是近一两年- a 发现的，对其生理特性的研 究相对较少。此外，2 0 0 7 年k a r t a l 掣2 8 】在实验室的生物反应器中成功富集了厌氧氨 氧化菌，并暂时命名为c a n d i d a t u s a n a m m o x o g l o b u sp r o p i o n i c u s 。 ( 1 ) a n a m m o x 菌的形态特征 1 9 9 9 年j e t t e n 1 6 】等从a n a m m o x - i - _ 艺的反硝化流化床反应器中分离并获取了 a n a m m o x 细菌，经富集培养后获得了一种优势自养菌，该优势菌种为一种具有不 规则球状的革兰氏阴性菌。而从其它研究学者来看，他们也一致认为厌氧氨氧化菌是 圆形和椭圆形的革兰氏阴性菌，直径不到1 岬【2 9 j ，具有蛋白质的s 层，细胞壁上存在 漏斗状结构，无肽聚糖，厌氧氨氧化菌有一个单一双分子层( 膜) 即厌氧氨氧化体 ( a n a m m o x o s o m e ) 。厌氧氨氧化菌的细胞质因此被a n a m m o x o s o m e 分为3 个部分：( a ) 外 部区域( 细胞壁( c e l l w a l l ) ，细胞质膜( c y t o p l a s m i c m e m b r a n e ) ，p p 质( p a r y p h o p l a s m ) ， 细胞内质膜( i n t r ac y t o p l a s m i c m e m b r a n d e ) ) 。( b ) 核糖质( r i b o p l a s m ) 。( c ) 厌氧氨氧化 体膜( a n a m m o xo s o m e m e m b r a n e ) ，厌氧氨氧化体( a n a m m o x o s o m e ) ，类核( n u c l e o i d ) 1 3 0 1 。 在富集培养期间，细胞内的c 型细胞色素不断增加，厌氧氨氧化菌污泥颜色从棕色变 为深红。 ( 2 ) a n a m m o x 菌的生理特征 迄今为止，由于没有分离到纯的菌株，因而很难研究厌氧氨氧化菌的生理特征。 研究者们只能从反应器中是否发生厌氧氨氧化，以及在什么条件下脱氮效率最佳来 间接说明其生理生化特性。其相关特征主要包括：高活性的最适温度范围、最佳p h 苏州科技， 。院硕十学何论文 第二章 厌氧氦氧化原理及研究进展 皇曼曼l 一一； 一一一一| 。m mmm 皇曼曼曼曼曼曼曼 值以及能承受的最大基质浓度，对这些因子，各研究所得结论均有差异( 见2 3 节) 。 此外，对厌氧氨氧化菌的倍增时间，还没有统一的看法，这主要也是由于培养 a n a m m o x 细菌所采用的反应器，泥源等不同条件造成的。g r a f f 3 1j 等首次报道的 倍增时间为3 0 d ，后经s t r o u s 等人纠正为1 1 d ，这也是目前较为认知的值。其余各 研究得出的a n a m m o x 细菌倍增时间如下表所示： 表2 3a n a m m o x 细菌倍增时间 从各研究得知，厌氧氨氧化微生物倍增时间基本在1 0 d 以上，足以说明其难以富 集培养。从上表中的试验结果来看，a n a m m o x 菌在u a s b 反应器中培养比在s b r 反应器中培养所需要的时间更短，但这还需更为详细的实验证明。 对厌氧氨氧化菌形态及生理特性的鉴定主要有荧光原位杂交和p c r 扩增分析 法。目前主要采用的是分子技术，尤其是1 6 sr r n a 基因分析技术的引进为鉴别水 体中生物群的种类提供了便利。因而，需不断的加强对a n a m m o x 细菌生理生态 特性的研究，以为厌氧氨氧化技术在废水脱氮处理中的应用提供坚实的理论基础。 2 2 厌氧氨氧化反应器的启动 反应器的启动是通过合理的操作，使其中的生物量得到富集，生物活性不断提 高，工艺性能逐步改善并最终达到设计要求的运行过程。在厌氧氨氧化反应器的启 动过程中，起到关键控制作用的是反应器的选择和接种污泥来源以及各种环境因 子。 2 2 1 不同泥源富集a n a m m o x 菌 迄今为止，国内外学者在厌氧氨氧化反应接种污泥来源的影响问题等方面已取 得了重要的进展【3 5 4 0 1 。接种的污泥主要包括两大类，即己富集成功的厌氧氨氧化污 泥和含厌氧氨氧化菌的普通污泥，其中含厌氧氨氧化菌的普通污泥主要包括：好氧 1 2 苏州科技- 学院硕十学何论文 第：章 厌氧氦氰化原理及研究进展 活性污泥、好氧硝化污泥、厌氧消化污泥、厌氧颗粒污泥、甲烷颗粒污泥等。 对污泥的富集方法主要分两种【4 i 】：一种是对污泥进行好氧筛选。根据好氧氨氧 化菌和厌氧氨氧化菌之间的共生关系，先对污泥进行好氧培养，富集硝化细菌，提 高污泥硝化活性，使相应的好氧氨氧化菌的量增加。然后把富含好氧氨氧化菌的污 泥在厌氧的条件下进行厌氧氨氧化菌的富集培养。另一种是直接对污泥进行厌氧筛 选，培养a n a m m o x 菌。一般接种的普通污泥中均含有一定量的异养菌。在无机 环境的厌氧条件下，异养菌因无有机物供给而营内源消化反硝化( 只提供n 0 2 - - n ) ， 逐渐消耗自身而被筛除。两种筛选方案都是排除异养菌，只要系统能够提供厌氧氨 氧化菌需要的严格的无氧环境或界面，这两种筛选法都能得到较高浓度的厌氧氨氧 化菌。 对不同泥源条件下的厌氧氨氧化反应的比较主要通过对氨氮、亚硝态氮、硝态 氮及p h 等指标的分析，以及启动时间等方面的比较来分析不同泥源对厌氧氨氧化 的影响。 n u t c h a n a tc h a m c h o i 3 7 l 等人分别接种好氧活性污泥、厌氧消化污泥进行厌氧氨 氧化反应；朱静平【4 2 】等人在研究厌氧氨氧化菌的富集培养过程中，选择接种污泥为 好氧硝化污泥；此外，赵志宏1 4 3 j 及d e x i a n gl i a o 等人【3 8 1 分别利用厌氧颗粒污泥及甲 烷颗粒污泥启动厌氧氨氧化反应。各反应启动的环境条件、时间及进水氨氮浓度、 成功启动后氨氮、亚硝氮的去除率、总氮负荷如下表所示： 表2 4 不同泥源条件的a n a m m o x 反应的各参数比较 注：各研究所用反应器均为s b r ；反应器稳定时的进水浓度；撑稳定运行时的最人去除率；$ 最大总氮负衙 由上表可以看出，上述五种污泥，即好氧活性污泥、好氧硝化污泥、厌氧消化污 泥、厌氧颗粒污泥和甲烷颗粒污泥均能成功启动厌氧氨氧化反应。比较厌氧消化污泥 1 3 苏州科技学院硕十学何论文 第。：章厌氰氦氧化原珲及研究进展 皇曼曼! ! 曼曼曼曼! 蔓曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼i一一ii i i i 一。曼曼! 曼曼! 曼曼曼曼! 曼曼曼 和好氧硝化污泥，从启动时间看，好氧硝化污泥的启动时i b j 比厌氧消化污泥要长，这 是因为厌氧氨氧化菌本身生长很慢，接种好氧污泥时，其转变为厌氧状态需要一个过 程；而直接选用厌氧污泥无需经历从好氧到厌氧的过渡阶段，从而能够在相对较短时 间内得到较高活性的厌氧氨氧化菌。袁怡m j 在其论文中也提出，接种厌氧消化污泥的 反应器比接种好氧活性污泥的反应器提前一个月表现出了强了a n a m m o x 转化能 力，并在后续研究中通过进一步提高进水氨氮及亚硝氮浓度得到接种好氧活性污泥、 厌氧消化污泥及好氧硝化污泥三个反应器的总氮负荷分别达到o 1 9 4 k g n ( m 3 - d ) 、0 4 5 4 k g n ( m 3 d ) 、0 4 0 8k g n ( m 3 d ) 。同样，赵宗升【3 9 j 在其关于接种污泥的选择培养研究中 指出，厌氧消化污泥符合厌氧条件；而好氧硝化污泥中所含的氨氧化菌的代谢途径多 样性为其进行可能的厌氧氨氧化代谢提供了理论支持。其通过实验分析得到接种厌氧 消化污泥比好氧硝化污泥培养的厌氧氨氧化菌启动快，但在较长的运行期内后者去除 效果较好，并指出工程中的厌氧氨氧化过程以接种好氧硝化污泥更为有利。 除了采用单一泥源作为种泥外，也有研究剖3 5 j 采用好氧污泥和厌氧污泥的混合 物来富集培养厌氧氨氧化污泥。首先将好氧污泥用含有机碳的模拟废水进行好氧培 养，然后再接种厌氧污泥于反应器中，只要严格控制厌氧氨氧化所需的环境条件， 同样能成功启动厌氧氨氧化反应。 2 2 2 研究a n a m m o x 工艺采用的反应器 由于a n a m m o x 菌是一种生长极为缓慢的菌种，无法使用普通生物技术进行 培养。在研究厌氧氨氧化反应时，对反应器的选择非常重要，必须具有较强的生物 截留能力，保持反应器内有足够的生物量，适合长期富集、培养及定量分析；此外， 厌氧氨氧化菌一般位于生物膜或生物絮体的内层，底物必须扩散到内层，才可能发 生厌氧安氧化反应，因而，反应器必须保证固液传质良好。 自厌氧氨氧化工艺问世以来，国内外学者采用了各种不同反应器进行厌氧氨氧 化反应，主要有s b r t 3 7 , 4 2 , 4 5 , 4 6 】、u a s b l 4 7 4 9 1 、生物膜反应器1 5 0 , 5 1j 、推流式反应器【5 2 1 、 a s b r l 4 0 】、流化床【5 3 l 、气提式反应器【3 3 1 等。反应器本身的特性对能否成功启动厌氧 氨氧化具有很大的影响。 ( 1 ) s b r 由于s b r 易于形成基质、微生物及产物的均匀分布、在基质限制条件 下能够稳定运行，且持留微生物能力强，有利于生长缓慢的厌氧氨氧化菌的富集培 养，目前采用s b r 启动厌氧氨氧化反应得较多。根据金仁村等1 5 4 】对厌氧氨氧化反 应器稳定性的模糊性评价，与生物膜反应器相比较，虽然s b r 抗水力负荷冲击能 力强，易于厌氧氨氧化菌的生长和积累，但其综合抗负荷冲击( 基质浓度负荷与水力 冲击负荷) 能力相对较弱，因而在采用s b r 时需特别考虑基质浓度负荷冲击的影响。 1 4 苏州科技学院硕f ? 学何论文第二i 章厌氧氩氧化原珲及石j f 究进展 曼曼曼曼曼曼! ! ! 曼! ! ! ! ! 曼! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! ! 曼曼曼曼曼! 曼! 皇曼! m m l m m o 曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼! ! 曼 朱静平等【4 2 i 采用s b r 反应器，以好氧硝化污泥为种泥，经1 4 2 d 于较高负荷下 成功启动了厌氧氨氧化反应器，总氮容积负荷为0 4 3k g n ( m 3 d ) ，n i l 4 + 一n 和n 0 2 - - n 的平均去除率为8 1 2 和8 5 7 ，在稳定运行阶段，氨氮去除量、亚硝氮去除量、 硝态氮生成量三者之比值为l ：1 3 8 ：o 1 8 ，且整个反应器中适应厌氧氨氧化运行方 式的菌种增殖较快。徐庆云【”j 也使用s b r 反应器分别接种好氧污泥和厌氧污泥经 过9 0 天及8 0 天后，两氮去除效率均达到9 0 以上，前者总氮负荷达0 2 7 5 k g n ( m 3 - d ) 。 ( 2 ) u a s b 作为一种厌氧反应器，u a s b 在厌氧氨氧化反应器启动运行及污泥培 养中已逐步得到应用。张龙i 47 j 等人在使用u a s b 启动厌氧氨氧化反应研究中提出，厌氧 氨氧化反应器成功启动的标志是在反应器中培养出活性高且适于处理含氮废水的颗 粒或絮状活性污泥，并提出影响厌氧氨氧化反应器能否成功启动的条件包括接种污泥 理化性质、进水水质、反应温度、碱度、水力停留时间等。z h o us h a o q i 等人1 4 州也 使用u a s b ，历时5 6 d ，成功获得了具有厌氧氨氧化活性的污泥，稳定运行时氨氮、 亚硝氮的去除量和生成的硝态氮德量的比例为1 ：1 6 1 ：0 2 5 ，并在反应器的下部形成 了褐色颗粒污泥。此外，钟红春等人1 3