（环境科学专业论文）壳聚糖海藻酸钠固定化硝化细菌去除水体中氨氮的研究.pdf

a b s t r a c t o nt h ec o n d i t i o no fl i m i t e df i s h e r yr e s o u r c e sa n dc u l t i v a b l ew a t e r , t h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t o ff i s h e r i e sd e p e n d so ni n c r e a s i n gi n t e n s i t yo fb r e e da q u a t i c st oe l e v a t et h eo u t p u to f p e ru n i tw a t e r t h ehj i g hc o n c e n t r a t i o no ft o t a la m m o n i an i t r o g e ni sd e r i v e df r o mt h eh i g hi n t e n s i t y o fb r e e da q u a t i c s , h i g hr a t e so ff i s he x c r e t i o na n df e e dl o a d i n g i ti sah a r m f u le n v i r o n m e n tf a c t o r t h a tc a nr e s t r i c tf i s hp r o d u c t sa n dc a u s ew a t e re u t r o p h i c a t i o n s oi tb e c o m e sm o r en e c e s s a r yt o r e m o v et h ea m m o n i u mn i t r o g e nf r o mb r e e da q u a t i c sw a t e r i no r d e rt or e d u c et h eh a r mo fa m m o n i an i t r o g e np o l l u t i o n ，t h em i c r o o r g a n i s mi sa d o p t e dt o c o n t r o lw a t e rq u a l i t y , b u tt h a ti se a s ya f f e c t e db yo u t s i d ee n v i r o n m e n ta n dh a sb a da b i l i t yt or e s i s t e n v i r o n m e n ti m p a c t o n c ed a m a g e d ，s y s t e mw a sh a r dt or e s t o r e t h ed i s p o s a le f f e c to ft h em e t h o d i su n s t e a d y t h em i c r o o r g a n i s mt e c h n i q u ei s a d v a n t a g e o u st on o to n l yf i xa d v a n t a g eg e r m ， i n c r e a s ed e c o m p o s ee f f i c i e n c yo fd i f f i c u l td e c o m p o s e do r g a n i cm a t t e r , a l s om a i n t a i nt h eh i g h c r e a t u r ed e n s i t yi nt h ee q u i p m e n t ，b ee a s yt os e p a r a t es o l i df r o ml i q u i d s ow et r e a tn h 4 + - ni n f i s h e r yw a s t e w a t e rb yi m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s m st e c h n o l o g y t h i s p a p e rm a i n l y i n t r o d u c e di m m o b i l i z e d m i c r o o r g a n i s m st e c h n o l o g y , c h o o s i n g o f i m m o b i l i z e dc a r r i e r s ，t h em e t h o d su s e df o ri m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s m sa n dn i t r a t i o nm e c h a n i s m o fn i t r o b a c t e r i a i ti n t r o d u c e du n i f o r m i t yd e s i g nm e t h o da n dm a t hm o d e l t h ei m m o b i l i z e d m i c r o b i a lb e a d sw e r em a d ef r o me n t r a p p i n gn i t r o b a c t e r i aw i t hc h i t o s a na n da l g i n a t ea se n t r a p m e n t c a r r i e rt ot r e a tn h 4 + - ni nf i s h e r yw a s t e w a t e r t h i sp a p e ri sa i m e dt of i n do u t t h eb e s tc o n d i t i o n so ft h ei m m o b i l i z e dm i c r o b i a lb e a d s c r o s s l i n k e db yg l u t a r a d e h y d et ot r e a tn l l l 4 + 一ni nf i s h e r yw a s t e w a t e r , w h i c hi sm a d ef r o m e n t r a p p i n gn i t r o h a c t e r i aw i t hc h i t o s a na n da l g i n a t ea se n t r a p m e n tc a r r i e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s i n d i c a t e dt h a t l 5 1 7 c h i t o s a n ，a l g i n a t e3 ，c a c l z4 6 5 ，g l u t a r a d e h y d e1 1 1 3 ， n i t r o b a c t e r i a5 5 ，3 m l w e r et h eo p t i m a lc o n d i t i o n s t h em e a n sh a sl i t t l et o x i c i t yt on i t r o b a c t e f i a s t a b l eq u a l i t y , e a s yo p e r a t i o n ，l o wp r i c e ，a n dh i g hm e c h a n i c a ls t r e n g t h t h en h 4 + - nr e m o v a l e f f i c i e n c yo ff i s h e r yw a s t e w a t e ri sh i g h k e yw o r d ：i m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s m ，n i t r o b a c t e r i a ，n h 4 + 一n ，c h i t o s a n ，a l g i n a t e m a t hm o d e l i l 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对要本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字 论文作者签字 丞瓣 c ：齐去芳 印钳月上；日 狡孑西 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁化 1 1 国内外养殖水体的现状 水产养殖业在我国已经形成产业规模，并在国民经济中占有重要的地位。但 由于长期集约化养殖，池塘老化，水体微生态环境日趋恶化，养殖水体的污染愈 发难以控制。由于大量使用化学方法和抗生素类药物，导致水体生态平衡遭到严 重破坏，加之畜禽养殖业的规模化发展，大量的未经处理的有机畜禽粪便排入江 河、湖泊，这引起了海水赤潮、湖泊富营养化现象的频繁发生，对水产养殖业造 成一定的影响。 养殖水体的污染从广义上讲包括外源性污染物和养殖自身污染，从狭义上 讲，指的是养殖自身污染。平时所指的养殖水体的污染为后一种，主要是指在养 殖过程中因养殖方式或养殖技术等原因而造成的水体污染。养殖水体作为人工生 态系统，主要依靠投饵和施肥来促进鱼类生长，提高养殖品种产量。在这个特定 的生态系统中，存在着物质能量的输入和产出之间的不平衡，投饵和施肥所培养 的浮游生物只有部分被鱼类同化吸收，另一部分以代谢产物和残饵的形式直接进 入水体。 集约化养殖水体中有机物和氨氮污染尤为严重，其中氨氮可高达 1 3 5 o m 矾j 1 1 。氨氮污染已成为制约水产养殖环境的主要胁迫因子i z l 。过高的氨氮 可引起水体( 特别是封闭水体) 的富营养化，表现为藻类的过量繁殖及继而引起的 水质恶化以至湖泊功能退化；其次是氨氮的耗氧特性会使水体的溶解氧降低，从 而导致鱼类死亡和水体黑臭；再次，当水体的p h 值较高时，氨对鱼类等水生生 物也具有毒性。尤其在养虾过程中，氨氮含量的控制已成为养虾是否成功的关键。 因此，去除氨氮污染对保证水体生态环境的良性循环和促进养殖业健康发展都具 有重要作用。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 2 固定化微生物技术的简介 1 2 1 固定化微生物技术的发展及优点 固定化微生物技术是在固定化酶的基础上发展起来的一项新技术。国外从六 十年代开始研究固定化技术，我国从七十年代后期在医药方面开展了固定化细胞 技术的研究。 固定化微生物技术是用化学或物理手段将游离微生物固定在限定的空间区 域，并使其保持生物活性，反复利用的一种方法。固定化微生物技术处理养殖水 体具有以下特点【3 】： 1 ) 能有效维持商浓度生物量，从而提高处理负荷，减少处理装置的容积； 有利于优势菌群的固定，提高难降解化合物的降解效率；3 ) 耐受不良环境条件及 有毒有害物质的能力强；4 ) 系统还可通过培养，恢复降解污染物质的相对活力， 从而延长固定化细胞的使用寿命；5 ) 污泥产量少；6 ) 对水质及p h 的变化有较好 的稳定性。由于固定化微生物技术是将驯化后的有特殊降解功能的菌种加以固 定，使其封闭在高分子网络载体内，因此，在处理养殖水体时可使反应器内保持 高浓度微生物数量，反应启动快，反应设备小型化。细胞固定后既增大了机械强 度，又能纯化和保持高效菌种，产污泥量少，无污泥膨胀，耐毒性强，固液分离 效果好，因此具有广泛的应用前景。 目前该项技术在实际中应用还不广泛，主要原因在于载体成本太高，载体对 基质和产物的扩散存在阻力以及制作工艺尚不能规模化生产。此外，应用于养殖 污水的处理还必须设计构建与配套的工艺流程，这相对于目前水产养殖的条件而 言，无疑提高了水处理成本，相信通过不断地研究和改进，固定化微生物技术将 成为一项高效而实用的养殖废水生物处理技术。 1 2 2 固定化方法与载体的选择 i 2 2 1 固定化方法的简介 目前，将这一技术用于养殖水体氨氮处理的研究越来越受到人们的重视1 4 】 固定化微生物的制备方法多种多样，但总体可分为四大类型：吸附法( 载体结合 2 第一章绪论 法1 、交联法、包埋法和共价键结合法闭。 吸附法：又叫载体结合法，是微生物细胞通过自然附着力( 物理吸附、离子 结合) 等方式，固定在载体表面和内部形成生物膜，故载体( 填料) 的选择是关键。 一般要求载体内部多孔、比表面积大、传质性能良好、性质稳定、强度高、价格 低廉等。该法制备简单，对生物活性影响较小，但单位重量的成品固定化小球中 的细胞量较少。 交联法：是利用两个功能团以上的试剂，直接与微生物细胞表面的反应基团 进行反应，形成共价键以固定细胞。此法化学反应激烈，对细胞活性影响很大， 而且交联剂的价格也较高，这些都限制了其在废水处理中的广泛应用。 包埋法：又可以分为高分子合成包埋、离子网络包埋及沉淀包埋。该法操作 简单，可以将细胞锁在特定的高分子网络结构中，这种结构紧密到足以防止细胞 渗漏，而允许底物渗透和产物扩散。该法操作简单，对细胞活性影响较小，在养殖 水体氨氮污染生物修复中的应用实例很多t 6 7 1 共价键结合法：共价键结合法是细胞表面上官能团和固相支持物表面的反应 基团形成化学共价键连接，从而固定微生物。该方法固定化微生物稳定性好，不 易脱落，但限制了微生物的活性，同时反应激烈，操作与控制复杂苛刻。 1 2 2 2 载体的选择 载体是细胞固定化技术的关键，因此，理想的细胞固定化载体应该具备的条件 是：( 1 ) 对生物无毒；( 2 ) 性质稳定，不易被微生物分解，并能耐受由生物繁殖引 起的破裂；( 3 ) 传质性能良好，透气性和透光性良好；( 4 ) 强度高，寿命长； ( 5 ) 固定化操作简单；( 6 ) 对其他生物的吸附小；价格低廉等。固定化微生物的载 体可分为无机载体、有机高分子载体和复合载体三大类 8 1 。 其中一类是天然高分子凝胶载体，如海藻酸钠、琼脂、纤维素、壳聚糖、淀 粉等；另一类是有机高分子凝胶载体，如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚矾、硅胶、 光硬化树脂、聚氨酯等。由这些物质制成的凝胶小球通常表面有一层较薄的均匀 球壳，结构为外密内疏，内部呈蜂窝状，有大量孔洞，可以固定许多微生物。 有机合成高分子载体一般强度较高，化学稳定性好，但传质性能较差。实际 应用需注意其表面亲水性、粒度均一性和内部孔的结构。 天然高分子载体一般对生物无毒，传质性能良好，但强度较低，在厌氧条件 3 广东工业大学工学硕士学位论文 下易被微生物分解。由天然海藻提取的海藻酸钠温和无毒，适合于固定活细胞或 敏感细胞，它的价格较低，是应用比较广泛的细胞固定化载体。用海藻酸钠与氯 化钙交联生成海藻酸钙固定的微生物活性较高，但其缺点是在含有多价阴离子以 及高浓度电解质溶液中不稳定，钙离子容易脱落。 壳聚糖是线型的高分子聚合物，分子链中含有大量具有反应活性的n h 2 和 - o h ，能进行许多化学反应，形成各种衍生物。它具有良好的成膜性和吸湿性， 在p h q + q + q ( q - 1 ) + 1 。 2 1 3 安排因素水平表 确定采用的均匀设计表后，下一步需安排因素水平表，根据各种均匀设计表 及其使用表，将各因素的水平值在均匀设计表中对号入座即可。 2 1 4 制定试验安排表测定试验结果 根据所选择的均匀设计表中安排的实验条件进行测定，测得的结果计算成平 均值后列于结果栏内。 2 1 5 列出回归方程 回归方程的系数用最t j 、- - 乘法求得。对于线性回归方程，利用试验中设定的 因素值( 试验条件) 和测定结果值求出回归方程系数的正则方程组，解该方程组 1 4 第二章数据分析方法原理 即可求得回归系数。 如回归方程含有二次项或交互作用项，方程为多元二次回归方程，可以通过 变量变换将二次项及相关项化为一次项。令 x t - - x i x j ( i , j = l ，2 ，q ) ( 2 5 ) 将方程( 2 2 ) 化为 y j b 0 4 - 荟6 而 q 石 式中肼。q + q + q ( q - 1 ) ，再用多元线性回归法可求出各系数。 回归方程系数b l 表示因素x l 在其他因素不变的情况下，) ( l 变化一个单位引 起y 值变化的大小，一般而言，它的绝对值越大，该因素越重要。但回归系数大 小与因素的单位有关，不能直接进行比较，如果利用回归系数b l 评价变量对目 标值y 的影响大小，必须化成标准回归系数b i 。后才能进行比较衡量。标准回归 系数b l 。按式计算。 6 ：呐匡 、f ，一 式中，h 工为正则方程系数，b 为总变差平方和。 2 1 6 优化试验条件 ( 2 7 ) 回归方程反映了各个因素对响应值的函数关系，回归方程的极值点对应的试 验条件就是所要求的最佳条件。在几何上可将回归方程看作m + l 维的曲面，其 中1 、2 、m 维对应于因素变量x 1 、x 2 、x m ，第m + l 维对应于响应值y 。 a 例如图2 - 1 即为二因素的响应曲面，响应曲面中最高点( y 一) 响应的因素水平 x l * 和x 2 即为所求的最佳条件。 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 - 1 三维响应曲面 f i g 2 - 1t h r e ed i m e n s i o nr e s p o n s e dc u r v i n gs u r f a c e 求响应面极值可采用多种优化方法，如逐步登高法、最速上升法、单纯形法 等。一种最简单的方法是因素轮换法，现将其他因素首先保持在初始水平上，仅 对一个因素寻优，找到该因素最优点后并固定在这一点，再对另一个因素寻优。 对每个因素都寻优一次后，再开始第二轮寻优，如此循环若干次后便能找到最优 条件【5 2 l 。 2 2 数学模型 所谓数学模型，是指针对或参照现实世界中某类事物系统的主要特征、主要 关系，经过简化与抽象，用形式化的数学语言概括或近似地加以表述的一种数学 结构。一般表现为数理逻辑的逻辑表达式、各种数学方程( 如代数方程、微分方 程、积分方程等) 及反映量与量之间相互关系的图形、表格等形式它或者能解释 特定现象的现实状态，或者能预测对象的未来状态，或者能提供处理对象的最优 决策与控制好的数学模型应具备可靠性和可解性( 也叫适用性) 两方面的特性： 可靠性指在允许的误差范围内，能反映出该系统有关特性的内在联系；可解性指 易于数学处理与计算。数学模型有三个特点：第一，它是实际问题的简单化、抽 象化的数学结构，是舍弃次要因素、突出主要因素的结果，是实际问题的一种模 型，虽源于实际，但非实际的原型；第二，它是数学的抽象，可以推广到与原实 际问题相近的一类问题；第三，它可以作为某数学建模在科学技术发展中的重要 作用越来越受到数学界和工程界的普遍重视，它已成为现代科技工作者必备的重 要能力之一。 数学模型方法将复杂的研究对象简单化、抽象化，撇开对象的一些具体特征， 减少其参数，只抽取其主要量、量的变化及量与量之间的相互关系，在“纯粹” 第二章数据分析方法原理 的形态上进行研究，突出主要矛盾，忽略次要矛盾，用数学语言刻画出客观对象 量的规律性，简洁明了地描述现实原形，揭示出其本质的规律，并在对模型修正、 求解的基础上使原问题得以解决，可以说，数学模型是对现实原形的一种理想化 处理，是一个科学的抽象过程，因而具有高度的抽象性与形式化特征这一特征使 其成为一种经典的数学方法，并随着科学技术的数学化趋势，超越数学范畴，广 泛地应用在自然科学、工程技术和社会科学的一切领域 数学作为一门研究现实世界数量关系和空间形式的科学，在它产生和发展 的历史长河中一直是和人们的生产活动及许多学科的需要密切相关的。数学的特 点不仅在于概念的抽象性、逻辑的严密性和结论的明确性，而且在于它的应用的 极其广泛性。进入2 0 世纪以来，数学的应用不仅在它的传统领域继续取得许多 重要进展，而且迅速进入了一些新的领域，特别是随着知识经济的进一步发展， 数学科学的地位将发生巨大的变化，它已经变成了经济领域的重要科学。所以数 学是认识和利用自然规律改造世界，创造事物的必要工具。 数学建模近来受到越来越多的重视是有其时代背景的。随着计算机技术的迅 速发展以及信息时代的到来，尤其是因为以知识创新为核心的知识经济时代的出 现，对于数学的应用提出了越来越大的需求，使其不仅在它得心应手的传统的物 理领域有用武之地，而且还更多地渗入了过去数学领域涉足不多的非物理领域， 尤其是社会科学领域。 我们将参考均匀设计，以壳聚糖、海藻酸钠、氯化钙、戊二醛、硝化菌的浓 度为影响因素，以氨氮的去除率为试验结果目标值，设计不同配方的实验，得到 不同工艺条件下的氨氮去除率，再对数据进行数据建模工作，求出目标值与5 个 工艺参数( 自变量) 之间的关系模型。 1 7 广东工业大学工学硕士学位论文 第三章固定化小球的制备及去除氨氮的研究 本文将讨论采用壳聚糖和海藻酸钠作为复合载体，包埋固定化硝化细菌，制 备固定化小球的方法，研究寻找了固定化硝化细菌小球的最佳工艺条件，并处理 养殖水体中的氨氮。 海藻酸钠是存在于褐藻类中的天然高分子，由b 1 。4 结构的d 型甘露糖醛酸的 钠盐( m ) 和a - ! ，4 结构的趔古罗糖醛酸的钠盐( g ) 组成的线性高聚物。它们按以下 次序排列：甘露糖醛酸块m m m 一，古洛糖醛酸块g g _ g 一，交替块 m g - 小仁七一。海藻酸钠与多价阳离子接触时( 如钙离子) ，具有瞬时凝胶化 特性，因此可以在温和条件下实现对微生物的包埋。海藻酸盐分子链g 块很易与 c a 2 + 作用，在两条分子链g 块间形成一个洞，结合形成“蛋盒，模型 5 3 1 ，形成热不 可逆凝胶，从而将硝化细菌固定化在凝胶网络中。 壳聚糖是甲壳素脱乙酸化的产物，由2 氨基2 脱氧葡萄糖通过a 1 ，4 糖苷键 连接而成的带正电直链多糖。分子链中含有大量氨基，在酸性溶液中，氨基被质 子化，成为阳离子胺基多糖【5 q ，因而属于阳离子型高分子电解质，亦属天然高分 子电解质，它的优势在于：从技术角度来看，它的阳离子特征和在溶液中的高电 荷密度【跚使其在液态介质中可与带聚阴离子电解质以及小分子阴离子相互作用， 形成聚电解质复合物：从材料特性来看，它是天然多糖中唯一的碱性多糖，具有 良好的生物相容性。 壳聚糖阳离子胺基与海藻酸钠阴离子，通过正负电荷吸引，产生瞬时凝胶化 作用，形成聚电解质半透膜。它的显著优点是：制备过程温和、快捷、固定化的 硝化细菌活性损失小。另外，壳聚糖胺基可与戊二醛基形成s h i 嘲，在小球表面 形成一层致密的保护膜，可增加小球的强度。 固定化技术在广泛的科学领域中占有重要的地位，寻求具有高亲和性、较多 反应功能团、制备简便、价廉及生物相容的载体一直是该领域中的重要课题。壳 聚糖作为其中的一种固定化载体，具有以下几个特点： 1 ) 壳聚糖是性能良好、很有前途的固定化载体。它是环保型的天然生物材料， 来源丰富、无毒、无污染，可以通过吸附、网格吸附、双功能试剂和其它活性剂 第三章固定化小球的制各及去除氨氮的研究 的共价交联、凝胶的包封等方法进行酶的固定化，产物的使用安全性比较容易有 保证，这对医药、食品、化妆品等工业更有特殊的重要性。 2 ) 壳聚糖的稳定性很好，能够长期操作，可以再利用。在工业反应器操作中， 当形状一定时，它有较好的机械强度。因此极有工业化前景。 3 ) 复合载体技术、新的固定化方法很少用壳聚糖载体，大力加强这方面的研究 工作，必定会推动该类载体及其固定化的应用与发展。 3 1 实验部分 3 1 1 实验材料 壳聚糖：脱乙酰度 9 0 ，生化试剂，上海源聚生物科技有限公司： 戊二醛：2 5 ，分析纯( a r ) ；天津市大茂化学试剂厂， 海藻酸钠：化学纯( c p ) ，天津市福晨化学试剂厂； 无水氯化钙：化学纯( c p ) ；广东台山化工厂； 乙酸：分析纯( a r ) ；广东汕头市西陇化工厂； 硝化细菌：珠江水产研究所微生物制剂厂p 1 0 9d u m l ) n 地+ n 标准溶液；n 0 2 - n 标准溶液；n 0 3 一n 标准溶液； 纳氏试剂( 碘化汞+ 碘化钾+ 氢氧化钠) ；酒石酸钾钠溶液； 对氨基苯磺酸；a 一萘胺；0 8 氨基磺酸；盐酸； 其它的化学纯和分析纯( 广州化学试剂厂) ： k 2 h p 0 4 ，m g s 0 4 7 h 2 0 ，n a a ，m n s 0 4 ， f e s 0 4 7 h 2 0 ，n h 4 c i ，葡萄糖， n a h c 0 3 3 1 2 实验仪器 恒温水浴电动搅拌器：江苏省金坛市宏华仪器厂 m - 4 恒温磁力搅拌器：江苏省金坛市宏华仪器厂 7 2 1 光栅分光光度计：上海第三仪器厂 电子天平：北京赛多利斯天平有限公司 电热恒温水浴锅( h h s 2 ) ：上海沪南科学仪器联营厂 广东工业大学工学硕士学位论文 7 5 2 紫外光栅分光光度计：上海实立仪器技术服务有限公司 3 2 模拟废水的制备 将k 2 i - i p 0 45 2 m g ，_ a g s 0 4 7 h 2 02 5 r a g ，n a c i1 2 5 m g ，m n s 0 42 5 r a g ， f e s 0 4 7 i - 1 2 02 5 m g ，葡萄糖5 0 0 m g 溶于1 l 蒸馏水中，并用n a h c 0 3 调节p h 值为7 5 根据自己需要配置不同浓度的n i - h o 溶液。 3 3 实验分析方法 在本节中，我们将对试验中需要用到的氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的测试 方法作一简单介绍，然后再对影响试验结果的固定化小球的制各及其强度的测试 进行说明，最后还讨论固定化硝化细菌的复活问题。 3 3 1 氨氮的测定纳氏试剂比色法刚 原理：氨氮是指以游离态的氨或铵离子( n 地+ ) 等形式存在的氮。氨氮与 纳氏试剂反应生成黄棕色络合物，该络合物的色度与氨氮的含量成正比。 测定方法：取一定量水样v 于5 0 m l 比色管中，稀释到刻度。加入l m l 酒 石酸钾钠溶液，摇匀，再加入纳氏试剂1 0 m l ，摇匀放置1 0 r a i n 后，用7 2 1 光 栅分光光度计在4 2 0 n m 波长处，以试剂空白为参比测其吸光度。从标准曲线上 查得氨氮含量。除以水样的体积得氨氮含量。 测定过程中水样稀释及试剂制用水均为无氨去离子水。 所需试剂：n h 4 + - n 标准溶液、纳氏试剂( 碘化汞+ 碘化钾+ 氢氧化钠) 、 酒石酸钾溶液、2 5 氢氧化钠溶液、1 0 硫酸锌溶液。 本方法适用范围：最低检出浓度为0 0 5 m g l ，测定上限为2 m g l 。 绘制标准曲线： 在7 个5 0 m l 比色管中，分别加入0 ，o 5 0 ，1 0 0 ，2 0 0 ，4 0 0 ，6 o o ，8 0 0 m l 的1 0 u g m l 氨氮标准溶液，再加水至刻度，稀释到刻度。加入l m l 酒石酸钾钠 溶液，摇匀，再加入纳氏试剂1 0 m l ，摇匀。放置1 0 m i n 后，用7 2 1 光栅分光光 度计在4 2 0 r i m 波长处，光程长2 0 r a m 的比色皿，以试剂空白为参比测其吸光度。 2 0 第三章固定化小球的制各及去除氨氮的研究 以吸光度为纵坐标，氨氮质量为横坐标，做标准曲线如图3 - 1 。 氨氮质量u g 图3 - 1 氨氮标准曲线 f i g 3 1a m m o n i an i t r o g e ns t a n d a r dc u r v e 3 3 2 亚硝酸盐氮的测定- - ( 1 一萘胺分光光度法嘲 原理：对氨基苯磺酸与a 一萘胺在酸性介质中可同亚硝酸根反应，生成一 种红色偶氮染料，色度与亚硝酸根的浓度成正比。 测定方法；取一定量水样于5 0 m l 比色管中，稀释到刻度。加入2 0 m l 的亚 硝酸试剂，摇匀，放置3 0 m i n 后，用7 2 1 光栅分光光度计在5 4 0 n m 波长处，光 程长1 0 m m 的比色皿，以试剂空白为参比测其吸光度。从标准曲线上查得亚硝酸 盐氮的含量。 所需试剂：n 0 2 - - n 标准溶液、亚硝酸试剂( 等体积的对氨基苯磺酸与a 一 萘胺混匀组成，现用现配) 。 本方法适用范围：最低检出浓度为0 0 0 3 m g l ，测定上限为0 2 5 m g l 。 绘制标准曲线： 在7 个5 0 m l 比色管中，分别加入0 ，1 0 0 ，2 0 0 ，3 0 0 ，5 0 0 ，7 0 0 ，1 0 0 0m l 的l u g m l 亚硝酸盐标准溶液，再加水至刻度，稀释到刻度。加入2 0 m l 的亚硝 酸试剂，摇匀，放置3 0 r a i n 后，用7 2 1 光栅分光光度计在5 4 0 n m 波长处，光程 长1 0 m m 的比色皿，以试剂空白为参比测其吸光度。 6 5 4 3 2 l 0 l o o o o o o o 毯宋餐 广东t 业大学工学硕士学位论文 以吸光度为纵坐标，氮质量为横坐标，做标准曲线如图3 2 。 o2468l o1 2 氮含量u g 图3 2 亚硝酸盐氮标准曲线 f i g 3 - 2n i t r i t en i t r o g e ns t a n d a r dc u r v e 3 3 3 硝酸盐氮的测定紫外分光光度法【蜘 原理：利用硝酸根离子在2 2 0 n m 波长处的吸收而定量测定硝酸盐氮，溶解 的有机物在2 2 0 n m 处也有吸收，而硝酸根离子在2 7 5 n m 波长处没有吸收。因此， 在2 7 5 n m 波长处作为一测量，以校正硝酸盐氮值。氨基磺酸在酸性介质中可同 硝酸根反应，生成物对紫外光的吸光值度与硝酸根的浓度成正比。 测定方法：取一定量水样于5 0 m l 比色管中，稀释到刻度。用7 5 2 紫外光栅 分光光度计在2 2 0 r i m 及2 7 5 n m 波长处，以试剂空白为参比测其吸光度。根据 2 2 0 n m 及二倍2 7 5 n m 波长吸光值之差，从标准曲线上查得硝酸盐氮的含量。 所需试剂：n 0 3 - n 标准溶液、0 8 氨基磺酸、i m o l l 盐酸。 本方法适用范围：最低检出浓度为0 0 8 m g l ，测定上限为4 m g l 。 绘制标准曲线： 在7 个5 0 m l 比色管中，分别加入0 ，1 0 02 0 03 0 0 5 0 07 0 0 1 0 0 0m l 的1 0 u g m l 硝酸盐氮标准溶液，再加水至刻度，稀释到刻度。加1m l0 1 m o l l 蛎：8衢卫坫0 m 0 m o m o m o m 越米釜 第三章固定化小球的制各及去除氨氮的研究 的盐酸，再加0 1 m l 0 8 的掩蔽剂氨基磺酸溶液，用光程长1 0 m m 的比色皿，以 试剂空白为参比，在2 2 0 n m 及2 7 5 n m 波长处，测其吸光度。以5 0m l 去离子 水加1m l 0 1 m o f l 的盐酸作参比。a e = a 2 2 0 - - - 2 a z z 5 以吸光度为纵坐标，氮质量为横坐标，做标准曲线如图3 3 。 0 0 0 20 0 40 0 60 0 80 1 0 1 2 氮的含量m g 3 4 结果与讨论 图3 - 3 硝酸盐氮标准曲线 f i g 3 - 3n i t r a t en i t r o g e ns t a n d a r dc u r v c 在本节中我们将利用均匀设计试验法为基础，安排不同工艺条件的固定化小 球的制备及其对应去除氨氮的效果进行初步试验，然后对试验结果进行数理统 计、推求数学模型及优化工艺参数。 3 4 1 固定化小球制备及其模拟废水的处理试验 3 4 1 1 固定化硝化细菌小球的制备方法 取5 0 m l 海藻酸钠溶液与硝化细菌混合，用滴管慢慢将其滴入到5 0 m l 壳 聚糖的醋酸溶液和1 0 m l 氯化钙的混合溶液中，以一定的转速搅拌，形成小球， 洗涤，将小球再加入戊二醛溶液中，同时快速搅拌五分钟，洗涤，将固定化的小 球置于4 c 环境中固定1 2 h 。固定化小球的机械强度和去除氨氮的效率，与壳聚 5 4 5 3 5 2 5 1 5 o 4仉m卫m j m o 0 o 0 o 越米餐 广东工业大学工学硕士学位论文 糖、海藻酸钠、氯化钙、戊二醛、硝化菌的用量及浓度，放入戊二醛中交联的时 间等有关，我们选取壳聚糖、海藻酸钠、氯化钙、戊二醛的浓度以及硝化细菌的 用量作为最主要的五个影响因素，参考均匀设计，结合我们的实际试验情况，设 计了如表3 - 1 所示的1 9 组不同工艺配方的试验。为了不令各因素水平差距过小， 本文采用了拟水平法减少水平数。实验条件和氨氮去除率如表3 - 1 、3 - 2 所示。 表3 - 1 固定化硝化细菌实验表 t a b l e 3 - 1e x p e r i m e n t a lt a b l eo fi m m o b i l i z e dn i t r o b a c t e r i a 3 4 1 2 固定化硝化细菌活性的恢复 经包埋固定化后的硝化细菌在制备了的固定化小球中会暂时失去活性，使用 前必须让其活性恢复。按照固定化小球与模拟废水的体积比h5 0 把固定化小球 放到1 l 的模拟废水中，使其自然恢复活性。每天测定氨氮的浓度，一般情况， 到第三天时氨氮浓度开始降低，说明硝化细菌的活性已经恢复。 第三章固定化小球的制各及去除氨氮的研究 3 4 1 3 固定化硝化细菌去除氨氮的试验结果 将固定化小球放入1 l 的模拟废水中，去除水体中的氨氮，去除氨氮过程中 氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的浓度变化如表3 2 ，3 3 所示 表3 - 2 试验水样中氨氮的浓度情况 t a b l e 3 2t h ea m m o m u mn i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n 注：时间均为硝化细菌恢复活性以后 表3 3 亚硝酸盐氮、硝酸盐氮浓度变化情况 t a b l e 3 3c o n c e n t r a t i o nc h a n g eo fn i t r i t en i t r o g e na n dn i t r a t en i t r o g e n 2 4 h 后亚硝酸2 4 h 后硝酸4 8 h 后亚硝4 8 h 后硝酸7 2 h 后亚硝7 2 h 后硝酸 序号盐氮浓度盐氮浓度酸盐氦浓度盐氮浓度酸盐氮浓度盐氮浓度 ( m g l - 1 ) ( m g l - 1 ) ( m g l - i ) ( m g l - 1 ) ( m g l - 1 ) ( m g l - ) 由上表可以看出，以固定化小球来处理含有氨氮的废水，在碳源充足、一定 的溶解氧条件下，经过一定的反应时间，出水中氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的 含量均较低。我们还可以发现，在反应过程中，硝化反应的产物亚硝酸盐氮 和硝酸盐氮并没有累积，其浓度始终保持较低的水平。产生这种现象的原因是在 处理废水过程中，进行了同步硝化反硝化，达到去除氨氮的目的。 3 4 2 固定化技术条件的优化 3 4 2 1 工艺模型的导出 上述1 9 次试验是一般性试验，我们将对上述表3 1 的数据进行数学建模工作， 以便求出优化工艺条件和对工艺参数的特点进行讨论。 根据多元线性拟合理论，作者利用v i s u a lb a s i c 6 0 语言编写，以w i n d o w s 操作系统支持的“数学模型”推求的软件系统，只要将原始数据矩阵以文件形式 第三章固定化小球的制备及去除氨氮的研究 输进，便可按软件系统的提示较快地求出变量间的数学模型及相关的评估参数。 对1 9 次试验的5 个变量( x li ) 【5 ) ( 如表3 1 ) 和氨氮去除率( 如表3 2 ) 构成( 1 9 x 6 ) 的原始数据矩阵进行处理。 3 4 2 2 多种模型及其讨论 对上述( 1 9 x 6 ) 的数据矩阵进行处理，可以推导出5 个参数( x 1 x 5 ) 与氨 氮去除率之间的多种关系模型。下面列出的一次、二次、三次幂函数，而表3 - 4 为这三种模型的评价参数。 3 种模型的函数形式分别为： ( 1 ) y 1 = 8 9 0 “6 8 x x r o 5 2 1 x x 2 + o 6 9 x x 3 + 0 6 x x 4 - 1 4 4 x x 5 ( 2 ) y 1 = 8 6 6 - 9 0 2 x x l + 5 3 6 x x l 2 + 2 0 4 x x 2 - o 3 0 5 x x z 2 + 5 1 l x x 3 - o 8 1 6 x 3 z + 6 2 s x x 4 1 5 8 ) ( 4 2 3 1 7 x x s + o 2 0 9 x x 5 2 ( 3 ) y - - 4 3 9 - 3 5 4 x x l + 3 6 2 x x t 2 - 1 0 5 x x l 3 - 3 1 9 x x 2 + 1 0 4 x 2 2 1 o o x x 2 3 + 4 3 5 x 3 2 4 9 x x 3 2 “0 7 x x 3 3 + 3 1 5 7 x x 4 2 0 6 x x 4 2 + 3 8 8 x x 4 3 - 3 0 3 x x s + 7 4 4 x x 5 2 - 5 7 1 x x s 3 表3 43 种模型的相关参数 t a b 3 - 4t h er e l a t e dp a r a m e t e r so ft h r e es p e c i f i cm o d e l s 模型模型准确率残差平方和q剩余标准差。 模型1 9 6 23 0 54 8 模型29 6 52 4 05 5 模型3 9 8 55 94 4 注：q - ( ) ，试验值一) ，报台恤) 2 胃 由表可知，随着自变量的幂指数增高，模型的准确率上升，反映模型预报误 差的残差平方和( q ) 值、剩余标准差( s ) 降低，x i 采用x i 3 的模型预报判别准确率比 x i 采用x i l 、) ( i 2 的准确率要高一些，所以采用模型3 作为氨氮去除率的预报模型。 模型准确度为9 8 5 ，剩余标准差s = 4 4 。 广东工业大学工学硕士学位论文 3 4 2 3 各工艺参数对因变量的重要性及相关性程度的判断 要考虑m 个自变量中哪一个因子对y 的贡献大，也就是评价对目标值主要 影响的因素是哪些。可以用偏回归平方和来衡量。 回归平方和就是回归差方和，是指各拟合值yi 对实验值y i 的差方和，是与 所有自变量x i 对y i 的贡献有关。一般而言，自变量越多，其回归平方和越大。 假如去掉某一个变量，则回归平方和就会减少。如果减少得少，则说明该变量是 次要因素；如果减少得多，则该变量就重要。我们定义取消某一变量x 后，回 归平方和所减少的数值为对此自变量x i 对y 的偏回归平方和v i 。所以可以利用 偏回归平方和v i 的大小来衡量各自变量在回归方程中起的作用。v i 越大，说明 该因素越重要，贡献越大 表3 - 5 是模型3 各工艺参数对氨氮去除率( y ) 的偏回归平方和c v i ) 的统计 结果，它的数值越大，表明该项对y 的贡献越大。综合考虑各工艺参数的不同 幂次单项值及其平均值的v i 值，可以把五个工艺参数对氨氮去除率的影响分为 三类：主要影响因素为戊二醛浓度、氯化钙浓度、壳聚糖浓度，一般性影响因素 为硝化细菌量，次要影响因素为海藻酸钠浓度。 表3 - 5 各工艺参数的偏回归平方和v i 值 t a b 3 - 5t h ev a l u eo ft h es q u a r es u mo ft h ed e f l e c t i v er e g r e s s i o no fa l li n d e x e s6 q ) 续表3 - 5 第三章固定化小球的制各及去除氪氮的研究 3 4 3 各因素与氨氦去除率的关系分析及最优工艺参数的确定 从上述求得的函数模型3 中，分别裁取某个x i ( i = l ，2 ，3 ，4 ，5 ，含) ( i 的一、 二、三次幂) ，并作出y 与) 【i 的函数曲线( 图3 4 一图3 8 ) 。因为曲线仅反映5 个自变量中其中一个x 与y 的关系，没有反映y 与其它4 个自变量的关系，故图 中纵坐标值只有相对意义。 3 4 3 i 壳聚糖浓度对氨氮去除率影响 壳聚糖浓度与氨氮的关系曲线如图3 4 所示。 l 矗， 图3 4 壳聚糖浓度对y 影响的关系曲线 f i g 3 - 4t h er e l a t i o n s h i pc u r v eb e t w e e nc h i t o s a nc o n c e n t r a t i o na n dy 由图3 4 可知，当壳聚糖的浓度大于0 7 时，随浓度的增大，氨氮去除率 也随着增加，当壳聚糖的浓度为1 6 时，氨氮的去除率达到最高，以后壳聚糖 浓度再增加，氨氮去除效果反而变差。这可以理解为开始由于壳聚糖浓度增加时， 形成固定化小球的比表面积增加，传质性能提高，去除氨氮率升高；但壳聚糖浓 度过大时，会使小球表面的聚电解质膜更加致密，传质性能降低，从而氨氮的去 除率降低。所以壳聚糖浓度的最佳为1 5 1 7 。 广东工业大学工学硕士学位论文 3 4 3 2 氯化钙浓度对氨氮去除率的影响 氯化钙浓度与氨氮的关系曲