（环境工程专业论文）海洋硝化细菌富集培养与固定化方法研究.pdf

胃岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 氨氮是海水养殖系统的主要污染物，目前多采用生物法进行处理。处理过程中，氨 氮在硝化细菌作用下被转化为硝态氮，后者进一步被反硝化细菌转化为游离氮气。硝化 过程是生物脱氮的限制性步骤，其核心是硝化细菌。由于硝化细菌具有严格自养、生长 缓慢、对环境因子变化敏感等特性，使其在与异养菌的竞争中处于劣势，极易被系统淘 汰，造成海水中硝化菌群十分贫乏。因此提高处理系统中硝化细菌的浓度对生物脱氮具 有十分重要的意义。 本课题建立一种海洋硝化细菌的富集培养方法，考察了硝化细菌富集培养过程中活 性污泥性质变化，确定了海洋硝化细菌应用的适宜条件。同时对硝化细菌的固定化方法 进行研究。 通过研究得到如下结论： 1 、建立一种海洋硝化细菌富集培养方法。在2 5 3 0 ，p h 7 5 8 5 ，d 0 2 5 m g l ， 氨氮浓度1 0 0 m g l 条件下，经过1 6 1 9 d 的培养，可以得到硝化速率为 4 1 8 m g ( n i - t _ 4 + - n ) g ( m l s s ) h 】_ l 的海洋硝化细菌培养物，海洋硝化细菌数量达到 2 0 x 1 0 m p n m l 。在培养过程中s v 、s v i 、硝化强度、硝化速率和产酸能力等指标均出 现规律性变化。海洋硝化细菌培养物不能利用大多数常见碳源，可利用糊精、l 一海藻糖、 吐温4 0 、n 一乙酰一d 一半乳糖胺、n 一乙酰一d 葡萄糖胺、d 葡萄糖醛酸、l 阿拉伯糖、d 葡萄糖6 磷酸。 2 、海洋硝化细菌培养物的最佳应用条件是p h 8 5 ，温度2 54 c ，好氧。该培养物对 人工配制的含氨氮海水及海参育苗废水均具有较好的去除效果，对人工配制含氨氮海水 4 8 h 氨氮去除率在7 0 以上，对海参育苗废水2 4 h 氨氮去除率可达6 9 5 6 。 3 、采用琼脂、海藻酸钠、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺4 种包埋剂分别对海洋硝化细菌 进行固定化，从固定化颗粒的成球难易、机械强度、对氨氮的去除效果、使用寿命等方 面对这4 种固定化方法进行了综合比较，确定海藻酸钠包埋法为适宜的海洋硝化细菌固 定化方法，采用该方法固定化的硝化细菌小球对氨氮浓度为5 m g l 和1 0 m g l 的海水， 1 2 0 h 去除率分别为1 0 0 和5 7 3 。 关键词：氨氮；海洋硝化细菌；富集培养；固定化；包埋法 =重量堡三奎堂三兰堡圭茎堡墼圣 a b s t r a c t a m m o n i an i t r o g e ni st h em a i n p o l l u t a n t o fm a r i c u l t u r ea n d p o u l t r ys y s t e m b i o t r e a t m e n tm e t h o di so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d st or e m o v ea m m o n i an i t r o g e na t t h ep r e s e n tt i m e d u r i n gt h eb i o - t r e a t m e n tp r o c e s s ，a m m o n i an i t r o g e ni si n v e r t e dt on i t r a t e n i t r o g e n ，a n dt h e ni n v e r t e dt on 2b yd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a t h er e s t r i c t i v es t e po fb i o l o g i c a l n i t r o g e nr e m o v a li sn i t r i f i c a t i o np r o c e s s ，n i t r o b a c t e r i ai st h ek e yp o i n t i th a st h ec h a r a c t e r so f s t r i c t l ya u t o t r o p h i c ，p o o rg r o w t ha n db es e n s i t i v et oe n v i r o n m e n t a lf a c t o r , s oi ti sr e c e s s i v ei n t h ec o m p e t i t i o nt ot h eh e t e r o t r o p h yb a c t e r i a a n dc a nb ew a s h o u tb yt h es y s t e me a s i l y , t h e n m a k et h en i t r o b a c t e r i al e a n n e s si nt h es e a w a t e r s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt oi n c r e a s et h e c o n c e n t r a t i o no f n i t r o b a c t e r i ai nt h ep r o c e s ss y s t e m t h i sp a p e re s t a b l i s h e sam e t h o do fm a r i n en i t r o b a c t e r i ae n r i c h m e n t ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c c h a n g e so fa c t i v es l u d g ed u r i n gt h ep r o c e s so fn i t r o b a c t e r i ae n r i c h m e n ta r eo b s e r v e da n dt h e s u i t a b l ec o n d i t i o n so fm a r i n en i t r o b a c t e r i au t i l i t ya r ed e t e r m i n e d a tt h em e a n t i m e t h e m e t h o do f n i t r o b a c t e r i af i x a t i o ni ss t u d i e d t h er e s u l t so f t h ei n v e s t i g a t i o na r ea sf o l l o w s ： l 、am e t h o do fm a r i n en i t r o b a c t e r i ae n r i c h m e n tc u l t u r ei se s t a b l i s h e d u n d e rt h e c o n d i t i o no ft h et e m p e r a t u r e2 5 - 3 0 。c ，p h 7 5 - 8 5 ，d 0 2 5 m n l ，t h ec o n c e n t r a t i o no f a m m o n i an i t r o g e nl o o m g l ，b ec u l t u r e df o r1 6 - 1 9 d ，i tc a l lg e tt h em a r i n en i t r o b a c t e r i a c u l t u r ew h i c hh a st h er a t eo fn i t r i f i c a t i o na t4 18 m g ( n h 4 + - n ) g ( m l s s ) h i 。1a n dt h eq u a n t i t y o ft h em a r i n en i t r o b a c t e r i ac a nr e a c ht o2 0 x10 1 0 m p n m i d u r i n gt h ec u l t i v a t i o np r o c e s s t h ed a t eo fs v 、s v i 、t h en i t r i f y i n gc a p a c i t y 、t h er a t eo fn i t r i f i c a t i o na n dt h ec a p a b i l i t yo f p r o d u c ea c i da l la p p e a r e dt h er e g u l a r i t yc h a n g e m a r i n en i t r o b a c t e r i ac u l t u r ec a n tu s et h e m a j o r i t yo fc o m m o nc a r b o ns o u r c e ，b u tc a nu s ed e x t r i nl - m y c o s e 、t w e e n 4 0 、 n a c e t y l d g a l a c t o g e n 、n - a e e t y l - d g l u c o s a m i n e 、d g l u e t v o n i c a c i d 、l - a r a b i n o s e 、 d g l u c o s e 一6 p h o s p h o r i c 2 、t h eo p t i m a l a p p l i c a t i o nc o n d i t i o n so fm a r i n en i t r o b a c t e r i a c u l t u r ea r ep h 8 5 ， t e m p e r a t u r e2 5 * c ，a e r o b i c t h i sc u l t u r eh a sg o o dr e m o v a le f f e c tt ot h ea r t i f i c i a lp r e p a r a t i o n s e a w a t e rw h i c hc o n t a i n sa m m o n i an i t r o g e na n ds e ac u c u m b e rn u r s e r yw a s t e w a t e r t r e a t i n gt o t h ea r t i f i c i a lp r e p a r a t i o ns e a w a t e rw h i c hc o n t a i n sa m m o n i a n i t r o g e nf o r4 8 h ，t h er e m o v a lr a t e i sa b o v e7 0 ，a n dt r e a t i n gt os e ac u c u m b e rn u r s e r yw a s t e w a t e rf o r2 4 h ，t h er e m o v a lr a t ec a n r e a c ht o6 9 5 6 1 1 重墅堡三奎兰三耋堡圭耋堡篁圣 3 ，u s i n ga g a r ，s o d i u ma l g i n a t e 、p o l y v i n y l ，p o l y a c r yl a m i d ea s4e m b e da g e n t st o i m m o b i l i z em a r i n en i t r o b a c t e r i ai n d i v i d u a l l y , c o m p a r i n gt h e s e4k i n d so fi m m o b i l i z a t i o n m e t h o d sa tt h ea s p e c t so fi m m o b i l i z a t i o np a r t i c l e sb a i l i n gd e g r e eo fd i f f i c u l t y 、m e c h a n i c a l r o b u s m e s s 、t h er e m o v a le f f e c to fa n 3 a t l o n i an i t r o g e n ，i tc o n f i r m e dt h a tt h es o d i u ma l g i n a t e i m m o b i l i z a t i o ni st h ep r o p e rf i x a t i o nm e t h o do fm a r i n en i t r o b a c t e r i a t h em a r i n en i t r i f y i n g b a c t e r i ap e l l e tw a su s e dt ot r e a tt h es e a w a t e rw h i c hh a st h ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i a n i t r o g e n5 m g la n d1 0 m g lf o r1 2 0 h t h er e m o v a lr a t e sa r e1 0 0 a n d5 7 3 r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：a m m o n i an i t r o g e n ；m a r i n en i t r o b a c t e r i a ；e n r i c h m e n tc u l t u r e ；i m m o b i l i z a t i o n ； i n v e s t m e n t i t l 青岛理工大学工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 氨氮的污染现状及其危害 近年来由于我国工农业生产的快速发展、人口的剧增以及城市化程度的不断提高， 导致含氮工业废水和生活污水排放量显著增加。据国家环境保护总局环境统计年报 ( 2 0 0 5 - 0 7 ) ，2 0 0 4 年全国废水排放总量4 8 2 4 亿吨。比上年增加4 9 。工业废水排放量2 2 1 1 亿吨，城镇生活污水排放量2 6 1 3 亿吨。废水中氨氮排放总量1 3 3 万吨，比上年增加2 5 ， 其中工业废水中氨氮排放量4 2 2 z i - 吨，比上年增加4 5 ，占氨氮排放总量的3 1 7 ；城 镇生活污水中氨氮排放量9 2 8 万吨，比上年增加1 7 ，占氨氮排放总量的6 8 | 3 。工业 废水排放达标率9 0 7 ，城市生活污水处理率3 2 3 。大量未经处理的含氮废水排入湖泊、 河流和近海海域，不仅恶化了天然水体的质量，影响渔业发展并危害人类健康，而且加 剧了水资源的紧缺。氨氮污染的主要危害为： ( 1 ) 造成水体的富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 氮是植物和微生物的主要营养性元素，氨持续进入水体，可作为生物的营养物质而 诱发“富营养化”，造成水生植物和藻类过度生长，并由此衍生出一系列不良的后果。 水生植物和藻类大量繁殖，覆盖水面，降低水体的透明度和观赏价值。“赤潮”使海 面呈现红色，让人感到一片萧条；藻类密度过高，阻塞鱼腮和贝类水孔，影响呼吸作 用；藻类产生气味物质，使水体散发异常气味，如土腥味、霉腐味、鱼腥味等；有 些藻类产生的毒素会富集在水产物体内，并通过食物链影响人体的健康，甚至使人中毒： 如果以富营养化水体为水源，藻体可堵塞滤池而影响水厂生产；所含的毒素和气味物 质则影响饮用水的质量。 ( 2 ) 通过硝化作用引起水体缺氧 通常l m g 氨氮氧化成硝态氮需耗4 6 m g 溶解氧。2 0 c 时，水中的饱和溶解氧浓度约 为9 m g l ，许多鱼类生活所需的溶解氧浓度都在5 m g l 以_ 1 2 ，也即要求水中溶解氧的饱 和度大于5 6 。水体中氨氮愈多，耗去的溶解氧愈多，水体中黑臭现象愈发严重。这就 影响了水体中鱼类等水产物的生存，使其易因缺氧而死亡，进而对水生生态系统造成严 重影响。 ( 3 ) 对水生生物产生毒害 氨是水生植物和藻类的营养物质，同时也是鱼类和水生动物的毒性物质。在水中， ：童墅堡三奎量三耋堡圭耋堡堡圣 氨以离子( n h 4 + ) 和分子( n h 3 ) 的形态存在，引起毒害作用的主要是n h 3 。当p h 为 中性时，氨氮主要以铵离子( n h 4 + ) 形式存在；当p h 为碱性时，氨氮主要以游离氨( n h 3 ) 的状态存在。升高p h 或温度，可明显增强氨氮的毒性。夏天，在一些富营养化程度高 的水体中，光合作用很强，c 0 2 消耗很大，p h 上升很快，极易诱发水生生物的氨中毒。 ( 4 ) 增加污水的处理成本 污水中n i - 1 4 + - n 的增加会增加污水的处理成本。以氯气处理法计，每增加l g n h 4 + - n 则需增加8 1 0 9 的氯气量。若以化学中和法、沉淀法处理，也会增加化学沉淀剂的投入 量。除此之外，氨还会与一些含铜及铜合金设备中的铜组分反应引起相关设备的腐蚀。 ( 5 ) 影响海水养殖业的发展 随着水产养殖事业的发展，养殖密度的不断增加。养殖水体中有害物质也不断增加。 其中，n h 4 + 及n 0 2 - 浓度提高是引起鱼虾等致病的直接或间接因素1 ，2 1 。养殖污染物的排 放、沉积可引起水体富营养化，造成水质恶化，严重时导致养殖生态系统失衡、紊乱乃 至完全崩溃。近年来海水养殖废水排放总量已超过陆源污水排放，这可能是导致海洋环 境不断恶化的重要原因之一。 近年来在我国渤海，南海，东海，黄海等近海水域均发生了不同程度的赤潮，对农 业、渔业造成了严重的损失。我国大部分湖泊、水库等重要的城市供水水源的水体富营 养化问题日趋严重，给净水厂带来了一系列问题，直接影响城市居民的生活。由于氮素 污染的种种危害以及公众环境意识的增强，迫使越来越多的国家和地区制定严格的污水 排放标准。例如，美国、日本和欧共体等发达国家和地区都规定排放水的总氮浓度为 l o m g l ，我国在污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 中明确规定氨氮的一级排放标准为 1 5 m g l 。 1 2 氨氨处理方法研究现状 近半个世纪以来，人们对转化和去除污水中的氨做了大量的工作，已研究和开发出 多种废水脱氮技术，主要分为两大类：即物理化学脱氮技术( 空气吹脱法、选择性离子 交换法、折点氯化法、磷酸氨镁沉淀法等) 和生物脱氮技术。 1 2 物化法 i 2 1 1 空气吹脱法 青岛理工大学工学硕士学位论文 在废水中，n h 3 和n h 4 + 之间存在着化学平衡( n h 4 + n h 3 + h + ) ，并受p h 和温 度的影响。在2 5 * ( 2 和p h 为7 的条件下，n h 3 所占的比例为0 6 ：温度不变，p h 提升 到1 1 时，n h 3 所占的比例增大到9 8 2 。提升温度，n h 3 所占的比例也随之提高。 空气吹脱法( a m m o n i as t r i p p i n g ) 除氨工艺的流程如图1 1 所示。先将废水p h 调节 到1 0 5 1 1 5 ：然后把废水泵引至吹脱塔内，通气吹脱废水中的氨；氨可用硫酸回收。一 般采用n a o h 或c a o 调节废水p h ，采用冷却塔作为吹脱装置。在p h 9 0 、气水比 3 5 9 0 m 3 m 3 的条件下，生活污水的氨吹脱率可达9 0 以上。 氨和尾气 排泥空气 出水 图1 - 1 空气吹脱法除氨工艺 f i g 1 1t h ep r o c e s sc h a r to f a m m o n i as t r i p p i n g 空气吹脱法的主要问题是：冬季( 低温) 氨吹脱效率不高；若以石灰调节p h ， 易在吹脱塔内形成水垢；逸出的氨会污染空气。 1 2 1 2 选择性离子交换法 斜发沸石是一种天然的氨离子交换材料，它对氨离子的选择性高于钙、镁和钠等离 子。在选择性离子交换法( i o ne x c h a n g e ) 中，废水被泵入装有沸石的离子交换柱，利用 柱内沸石对氨离子的选择性吸附作用，去除废水中的氨氮。沸石对氨氮的总交换量约 2 8 r a g ，当交换容量饱和时，可使用再生剂再生。 其缺点是吸附剂易出现堵塞现象，需要频繁再生，运行成本高，操作难度大。 1 2 1 3 折点氯化法 折点氯化法( b r e a k p o i n tc h l o r i n a t i o n ) 是向废水中投加足量氯气，使氨氧化成氮气的 废水脱氮技术。折点氯化法涉及的化学反应为 n h 4 + + h o c l 一n h 2 c l + h 2 0 + r ( 1 - 1 ) 青岛理工大学工学硕士学位论文 n h 2 c i + 0 5h o c l 一o 5 n 2f + 0 5h 2 0 + 1 5 r + 1 5c 1 一( 1 2 ) n h 4 + + 1 ，5 h o c i - - 0 5 n 2f + 1 5h 2 0 + 2 5h + + 1 5c 1 一 ( 1 3 ) 折点氯化的反应速率很快，在p h 6 0 7 0 的条件下，不到1 5 s 即可完成反应。由于 反应完成后存在余氯，通常投加s 0 2 脱氯。s 0 2 脱氯反应为 s 0 2 + h o c l + h 2 0 一c l 一+ s 0 4 2 - + 3 h +( 1 - 4 ) 每脱除1 份h o c i 需要l 份s 0 2 。 1 2 1 4 磷酸氨镁沉淀法 磷酸氨镁沉淀法( m a g n e s i u ma m m o n i u mp h o s p h a t ep r e c i p i t a t i o n ) 处理氨氮是2 0 世纪 9 0 年代兴起的一种新的处理方法【3 1 。其原理是向废水中投加磷酸盐和氧化镁，使氨形成 m g n h 4 p 0 4 沉淀而被去除。形成磷酸氨镁的化学反应为 m g ”q - p 0 4 3 + n h 4 + 一m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0i ( 1 5 ) 磷酸氨镁( m a p ) 为碱式盐，在酸性条件下易溶解，沉淀反应最好在较高的p h 下进 行。但若p h 超过9 5 ，产生的m a p 会释放出刺鼻的氨昧。在氨沉淀中，理想的投加比 例是m g ：p ：n = 1 3 ：1 ：1 0 当污水中氮、磷、镁含量较高时，会在管道中结晶沉淀，引起堵塞，需要增加一些 强制输送设备，从而会导致运行成本的增加：另外还会使得化学费用相对来说比较高， 并且处理产生沉淀的费用也是比较高的【5 捌。 1 2 2 生物法 污水生物脱氮技术是通过反应器和控制手段实现时间或空间上的好氧缺氧环境， 达到硝化反硝化脱氮的目的。根据污水处理工艺的不同分为活性污泥脱氮工艺和生物膜 脱氮工艺。 1 2 2 1 活性污泥脱氮工艺 活性污泥脱氮工艺从过去的实验室阶段发展到目前生产性研究和应用阶段，是目前 普遍采用的生物脱氮技术。在工程上应用较多的活性污泥脱氮工艺有a 0 3 2 艺、a 2 o 工艺、氧化沟工艺、s b r t 艺。 a o i 艺通过构筑物设置缺( 厌) 氧区和好氧区，在好氧区发生含氮有机物的氨化、 硝化反应，缺氧区发生反硝化反应，从而达到去除有机物和脱氮的目的。该工艺的特点 是流程简单，占地少，反硝化时无须外加碳源、易于控制污泥膨胀，但脱氮效率较低， 4 童墅堡三奎耋三耋堡圭霎堡堡圣 耐冲击负荷能力差。 a 2 o i 艺是在传统的活性污泥基础上增加厌氧区、缺氧区，污水首先进入厌氧区与 回流污泥混合，在兼性厌氧菌的作用下，将污水中的生物能降解的大分子有机物转化为 小分子( 如v f a s ) 。在缺氧区，反硝化菌利用污水中的基质对好氧区回流液 n 0 3 一，进 行反硝化脱氮，而进入好氧区的有机物浓度较低，有利于好氧区的自养硝化菌的生长， 从而达到较好的脱氮效果。 氧化沟工艺同时具有完全混合型反应器和推流型反应器的特点，由于曝气设备的作 用，使溶解氧呈现分区现象，即在曝气区发生硝化反应，在曝气区( 处于缺氧状态) 实现 反硝化脱氮。研究表明，通过曝气设备的调节控制充氧量形成有效的缺氧区，提高脱氮 效率。 s b r ( 序批式活性污泥法) 工艺是美国诺罗丹大学r l i r v i n e 教授于2 0 世纪7 0 年代 末首先提出的。该工艺具有投资少，耐冲击负荷，污泥不易膨胀，能够有效去除n 、p 的特点。近年来，随着电子学技术和控制机械的发展，程控装置和电子计算机以及检测 仪表的性能大幅度提高，使得s b r i 艺操作、控制更加方便可靠。s b r 2 k 艺可以通过限 制曝气或半限制曝气等运行工况在时间上实现缺氧厌氧好氧组合，并通过各个过程的 时间控制，达到脱氮的目的，e l a o 、a 2 o i 艺省去了混合液和污泥的回流，降低了运 行成本。 传统活性污泥脱氮技术目前已大量应用到城市污水工程，积累了许多实际经验，但 仍存在一些问题急需解决。因此，对传统活性污泥脱氮工艺过程控制和生物脱氮机理的 进一步深入研究将是今后污水生物脱氮研究的主要方向之一。 1 2 2 2 生物膜脱氮工艺 生物膜脱氮工艺大多数处于小试、中试及半生产性实验阶段，生物转盘、生物滤池、 生物流化床等生物膜法反应器均可以设计成具有脱氮功能的系统、三级生物滤池脱氮系 统。这些生物膜脱氮系统相对于活性污泥脱氮系统具有更好的稳定性、污泥浓度高、产 泥量少，但能耗大。生物膜脱氮技术要应用到城市污水工程，还有许多问题有待解决。 因此，对生物膜脱氮生物脱氮理的深入研究和开发新型经济、高效生物膜反应器将是今 后污水生物膜脱氮技术研究的主要方向。 1 2 2 3 生物脱氮新工艺 青岛理工大学工学硕士学位论文 近些年废水生物脱氨技术取得了快速发展，涌现了一批具有创新意义的生物脱氨工 艺，如短程硝化一反硝化( s h a r o n ) 工艺、厌氧氨氧化( s h a r o n a n a m m o x ) 工艺、好氧脱氨 工艺、基于亚硝酸盐的全自养型氮去除工艺( c a n o n ) 、氧限制自养型硝化一反硝化( o l a n d ) 工艺。其中，短程硝化反硝化工艺和短程硝化一厌氧氨氧化工艺已投入生产应用。 s h a r o n ( s i n g l er e a c t o rf o rh i 曲a c t i v i t ya m m o n i ar e m o v a lo v e rn i t r i t e ) 工艺是荷 兰d e l f t i 业大学于1 9 9 7 年提出并成功开发的脱氮新工艺【7 _ j ，其基本原理是将氨氮氧化 控制在亚硝化阶段，然后进行反硝化，达到脱氮目的。2 0 世纪9 0 年代末，人们机智地利 用亚硝酸细菌和硝酸细菌在生理学和生长动力学上的差异，通过有效的工程手段和操作 措施，成功地实现了短程硝化【9 j 。该工艺具有以下特点：硝化与反硝化在同一反应器中 完成，简化工艺流程，节省反硝化过程需要外加的碳源。以甲醇为例，n 0 2 反硝化l p , n 0 3 一 反硝化节省4 0 的碳源，减少2 5 左右的供气量，节省动力消耗。迄今为止，已有两个 城市污水处理厂应用短程硝化一反硝化工艺，脱氮效果令人满意。 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 ) i 艺是荷- - z - d e l f l i 、 k 大学于2 0 世纪 末开始研究，并于2 1 世纪成功开发的一种新型的废水脱氮工艺1 1 1 , 1 2 1 。其原理是在厌氧的 条件下，以n 0 3 一、n 0 2 - 为电子受体，将氨氧化为n 0 2 。 o l a n d ( o x y g e nl i m i t e da u t o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o n ) 工艺是1 9 9 8 年首先 由比利时g e n t 大学微生物生态实验室开发的脱氮新工艺。其原理是通过控制溶解氧，使 硝化过程控制在n 0 2 - 阶段，通过n 0 2 一氧化n h n 0 4 + 形成n 0 2 ，达到脱氨目的。k u a i 等人 指出，利用o l a n d 工艺进行生物脱氮，可比全程硝化一反硝化工艺耗氧量减少6 3 ，并完 全免用反硝化所需的有机物质i l 。杨红等人以硝化污泥脱水液为基质，采用悬浮填料床 反应器进行o l a n d 工艺脱氮研究，达至u 7 0 的脱氮率。 近几十年来城市污水脱氮处理中采用物理化学方法的并不多或者说基本上不作为 城市污水脱氮的主要工艺【】“。因为物理化学工艺基建投资昂贵，运行维护复杂并且会带 来环境的二次污染( 如在吹脱工艺中会向大气中排放氨氮，造成大气污染) 在实际应用中 受到限制。生物法则因处理效率高、能耗低、稳定性强、技术投资少、工艺简单、无二 次污染、运行方式灵活等优点成为近年来一种污水处理的重要方法，得到广泛应用【怕】。 废水生物脱氨过程的核心是脱氮细菌 1 ”。硝化细菌是生物硝化脱氮中起主要作用的 微生物，直接影响硝化效果和生物脱氮的效率。据研究表明，污水中硝化细菌的浓度与 硝化速率成正比i l ”，故提高硝化细菌的浓度对生物脱氮具有十分重要的意义。 国外已有硝化细菌培养方面的技术专利，其中一些已形成工业化生产，但产品价格 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 较昂贵，且必须经常性向反应器中投加，阻补充流失的硝化细菌。国内还没有商品化的 硝化细菌菌剂进入市场，而且所做的研究大多是在淡水环境下进行的，不适用海水高盐 度等特点。因此，开发简单经济的海洋硝化细菌富集技术，对于海水氨氮污染的治理具 有特殊的意义。 1 3 硝化细菌概述 硝化细菌( n i t r i f y i n gb a c t e r i a ，o r n i t r i f i e r ) 是一类好氧细菌，能在有氧气的水中或沙 砾中生长，并在氮循环水质净化过程中扮演着重要的角色。它们包括形态互异类型的一 些杆菌、球菌以及螺旋型细菌，属于绝对自营性微生物的一类，是历史上最早发现的表 现为化能无机自养型的微生物。w i n o g r a d s k y 通过实验证明了这种细菌能以c 0 2 为唯一碳 源而产生有机物质及细胞【1 9 l 。从此，关于硝化细菌的研究便不断地发展起来。 1 3 1 硝化细菌的种类与特性 根据基质，硝化细菌分为氨氧化细菌( a m m o n i a o x i d i z i n gb a c t e r i a ) 和亚硝酸盐氧化细 菌( n i t r i t e o x i d i z i n gb a c t e r i a ) ；根据产物，硝化细菌分为亚硝酸细菌和硝酸细菌。 氨氧化细菌( 亚硝酸细菌) 有自养型与异养型之分，一般认为自养型氨氧化细菌是 硝化作用的主要菌群。所有自养型氨氧化细菌都是革兰氏染色阴性细菌，自养生长时， 以氨为唯一能源，以c 0 2 为唯一碳源；混合营养生长时，可同化有机物质。适合大多数 氨氧化细菌的生长条件是：温度2 5 3 0 * ( 2 ，p h 7 5 8 0 ，氨浓度2 1 0 m m o l l 。倍增时间8 4 , 时至数天。 亚硝酸盐氧化细菌( 硝酸细菌) 也都是革兰氏染色阴性细菌。自养生长时，以亚硝 酸盐为唯一能源，以c 0 2 为唯一碳源：混合生长时，可同化有机物质。适合大多数亚硝 酸盐氧化细菌生长的条件为：温度2 5 3 0 * ( 2 ，p h7 5 8 0 ，亚硝氮浓度2 - 3 0 m m o l l 。倍 增时间1 0 小时至数天。 1 3 2 脱氮机理 硝化反应是指将氨氮转化成硝态氮的过程。包括两个基本的反应步骤：一是由亚硝 酸菌( n i t r o s o m o n a s ) 参与的将氨氮转化为亚硝酸盐( n 0 2 - ) 的反应；一是由硝酸菌 ( n i t r o b a c t e r ) 参与的将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐( n 0 3 - ) 的反应。这两项反应均 需在有氧的条件下进行，常以无机碳化合物如c 0 3 2 。、h c 0 3 和c 0 2 n 碳源，从与无机氮 重塾堡三奎耋三耋堡圭耋堡堡塞 化合物如n h 3 、n h 4 + 或n 0 2 - 的氧化反应中获得能量。 硝化反应的速率主要取决于氨氮转化为亚硝酸氮的反应速率。 亚硝化反应：n h 4 + + 1 5 0 2 型壁墅堑专n 0 2 一+ 2 h + + 1 7 6 k j ( 1 - 6 ) 硝化反应：n 0 2 - + 0 5 0 2 塑壁堕斗n 0 3 + 2 h + + h 2 0 + 3 7 5 k j ( 1 - 7 ) 总反应：n h 4 + + 2 0 2 型垡堕斗n 0 3 - + 2 h + + h 2 0 + 2 1 3 5 k j ( 1 8 ) 1 3 3 影响硝化过程的环境因素 由于硝化细菌化能自养的特殊性，导致硝化细菌易受外界因素的影响，大致包括以 下几点因素： ( 1 ) 温度。生物硝化反应可以在4 - 4 5 。c 的温度范围内进行。温度不但影响硝化菌的 比增长速率，而且影响硝化菌的活性。大多数硝化细菌的合适生长温度为1 5 - 3 5 。c 。大 于2 0 。c 时，硝化细菌的活性较高，但超过3 8 。c 时，硝化作用将完全停止。水温降至1 5 。c 以下时，硝化速率急剧下降，并且常常会出现亚硝酸盐的积累。在1 0 3 5 。c 之间，温度 每升高l o ，硝化速率可提高3 倍1 2 0 】。 ( 2 ) 溶解氧( d 0 ) 。硝化反应必须在好氧条件下进行，溶解氧浓度影响好氧、厌氧微 生物的比例，进而影响到硝化反应速率。一般建议硝化反应中溶解氧浓度大于2 m g l ， 低于0 5 m g l i t 化作用明显减弱。实际工程应用中还必须考虑不同的有机负荷f m 和溶解 氧浓度条件下溶解氧对生物絮体的穿透能力。d o 值太高不仅不经济，而且会使硝化速 率降低，影响脱氮效果。 ( 3 ) p h 。硝化菌对p h 变化非常敏感。分别当p h 值在7 0 7 8 和7 7 8 1 时活性最强1 2 l j ， p h 超出这个范围，活性就大大减少。当p h 值降n 5 5 5 时，硝化反应几乎停止。硝化反 应表明污水中每氧化1 9 氨氮硝化需要消耗碱度7 1 4 9 ( c a c 0 3 计) 。在污水中碱度低，而氨 氮浓度高，不得不投加碱以便污水p h 值在合适的范围来保证硝化过程的正常进行。一般 p h 值在7 0 8 0 对硝化速率影响不大。 ( 4 ) 有毒物质。有些有机物对硝化菌有抑制作用，并且与p h 值有关。 ( 5 ) c n 和泥龄。在硝化过程中保持一定的泥令，合适的碳氮比，对硝化及脱氯均 有影响。原污水中含碳有机物与未氧化含氮物质的浓度比值一般较高( 通常为1 0 - 1 5 ) 。 可生物降解含碳有机物值与含氮物质浓度之比，是影响生物硝化速率和过程的重要因 素。对于活性污泥系统，由于硝化菌比增长速率低，世代期长，如果泥龄较短，将使硝 青岛理工大学工学硕士学位论文 化菌来不及大量增殖，就从系统中排出。为使活性污泥系统得到良好的硝化效果，就必 须有较长的泥龄。在工程应用中，污泥龄一般应控制大- 于3 0 d ，这样可以保持系统中较 多数量的硝化菌。a h a r o na b e l i o v i c h 认为废水c o d 大- 7 ：5 0 0m g r l ，硝化时间在6 - 7 d 范 围内效果最好。y u i c h is u w a 等认为过高的n h 4 + - n 浓度对硝化细菌和硝化效率均有一 定的影响【2 3 】。 1 _ 3 4 硝化细菌在水处理中的应用 硝化细菌菌剂产品在废水处理中的实际应用目前在国内还鲜见报道，但是研究在工 业废水、市政污水中氨氮的降解、微污染水源水中氨氮的去除方面，关于硝化细菌作用 的文献报道则有很多。王磊等通过培养硝化细菌活性污泥，采用投菌法去除氨氮或用该 污泥挂膜生物滤池法去除氨氮【2 4 l ：在活性污泥系统曝气池中投加浮动填料以提高系统的 硝化能力j 2 ”；或采用新的生物脱氮工艺，如悬浮载体活性污泥法( s c a s ) 1 2 6 、缺氧生物 吸附活性污泥法【2 ”、间歇式活性污泥法【2 8 1 、生物膜分级硝化系统【2 9 1 、复合生物反应器 法p 0 j 等。王匡i 祥等研究认为自然水体中硝化细菌分布广泛，他对同一水体不同小生境的 硝化细菌的分布作了深入的研究。硝化细菌是水体中的正常菌群，在水体氮循环中具有 重要意义 3 ”。马悦欣等研究了牙鲜自净式养殖槽水层和过滤层亚硝化细菌含量分别为 3 o 1 0 2m l 。1 和2 o x l 0 4 m l ，硝化细菌含量分别是2 o x l 0 2m l 1 和3 0 x 1 0 3 m l 。无循环过滤 槽中亚硝化细菌和硝化细菌含量分别为3 5 1 0 3 m i 。和3 5 x 1 0 3 m l 1 【3 “。王鸿泰等研究了池 塘中亚硝酸盐对草鱼种的毒害作用。硝化细菌在合成自身物质时可同化和异化硫化氢， 达到水质净化，改良池塘底质，维护良好的水产养殖生态环境 ”】。 d a n i l s h a g o p i a n 综述了硝化细菌的特点，推荐开展硝化细菌水生微生态研究口4 1 。 c s c h u s t e r 等用硝化细菌处理闭合循环养殖水系统，氨氮含量比对照降低7 7 f 3 ”。n s a u t h i e r 等使用硝化细菌生物滤池处理循环养殖水，氨氮负荷可达到2 4 1 9 m 3 d t 3 6 j 。r g r o m m a n 等用生物滤池也得到了相同的结果【3 ”。a b e y s i n g h e 等采用缺氧好氧生物滤池处 理模拟养殖水体，两个生物滤池交替处于有氧缺氧环境【3 8 ，结果表明脱氮作用和磷的 去除均有较好的表现【3 吼“。据此原理，人们将硝化细菌用于观赏鱼的养殖，不存在养殖 水体浑浊，绿色细菌贴附缸壁生长的现象。 尽管国外己开发出商品化的用于水产养殖的硝化细菌活菌制剂，投加后可迅速使氨 氮浓度大幅度下降，减少了死鱼，但用在水处理上，则费用较高，不经济。美国g e s 公 司生产的活性菌液( 简称l l m o ，l i q u i dl i v em i c r o o r g a n i s m s ) 具有很强的活性，含细菌 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 数量为5 x 1 07 个m l ，菌液中含有硝酸细菌和亚硝酸细菌以及其它降解菌，经使用发现脱氮 效果显著，氨臭味被消除。据r i a m a r mbe 报道：某化工厂在采用两步生物增强技术， 投加降解硝基苯和对硝基苯的菌以及氨氧化菌后，可将出水中i 拘n h 4 + 从1 2 0 m g l 降到 2 0 m g l 。 氨氮污染在养殖水体尤其是循环水的工厂化海水养殖体系中成为一个主要制约因 素。目前关于直接投加人工培养的硝化细菌以去除养殖水中的氨氮与亚硝氮的实例方面 的研究还比较少。因此需要开发出价格便宜、应用广泛的硝化细菌菌剂，使之既能快速 地去除养殖水体中的氨氮，减少水产养殖生物的死亡，增加养殖业的经济效益；又能有 效降低含氮废水及污染水体中的氨氮，为后续的反硝化脱氨工艺提供良好的条件。这将 是硝化细菌在水处理应用方面的重要课题。 1 4 硝化细菌固定化技术 生物固定化技术是现代生物工程领域中的一项新兴技术，是使生物催化剂( 酶、微 生物细胞、动植物细胞、细胞器等) 更广泛、更有效使用的一种重要手段。包括固定化 酶技术、固定化细胞技术与固定化藻技术。采用固定化技术能将高效率的微生物或酶限 制在特定的材料区域内部，达到提高微生物或酶的浓度、减少微生物流失、固液容易分 离的目的。 1 4 1 固定化微生物技术的优越性及其应用 固定化微生物技术是2 0 世纪7 0 年代发展起来的- - f 新兴生物技术，是近十余年来 生物： 程研究的重点领域之一。它是指利用物理或化学的手段，把游离的微生物细胞定 位于载体上，使细胞仍然保持活性，可以反复利用。与天然游离细胞相比，固定化细胞 过程有许多优点：细胞固定化载体为微生物生长提供了充足的空间，保证了生物反应 器内较高的细胞浓度，使得反应速度加快，从而有较高的生产能力。由于细胞被载体 固定，因而不会产生流失现象，连续反应的稀释率大大提高。分离纯化过程中菌体细 胞从发酵液中分离十分容易。由于固定化细胞可以长期多次重复使用，既简化了游离细 胞过程需不断培养菌体的操作，又减少了营养基质的浪费。 固定化细胞技术最初主要用于工业微生物的发酵生产，后被广泛应用于能源、食品、 医药等各领域。上世纪7 0 年代后期，随着环境污染的日益严重，研究高效生物处理污染 系统的要求日益迫切。人们开始考虑将固定化细胞技术用于废水生物处理，与传统的悬 青岛理工大学工学硕士学位论文 浮生物处理法相比，固定化细胞有着明显的优越性，主要表现在：处理效率高、稳定性 强、能纯化和保持高效菌种、微生物浓度高、产泥量少、固液分离效果好、反应易于控 制、丧失活性可恢复。因此，该项技术在废水生物处理，尤其是在特种废水处理领域中， 获得了广泛的研究。固定化细胞技术已应用于b o d 去除、硝化一反硝化、脱磷、去酚、 氰的降解、l a s ( 直链烷基苯磺酸钠) 降解、重金属离子的去除与回收以及印染废水的 脱色处理等。 1 , 4 2 细胞固定化方法及载体种类 用于固定化技术的微生物