（环境工程专业论文）西湖引水吸附固定化生物反硝化脱氮新技术试验研究.pdf

分类号 u d c 密级 学校代码 ! q 垒窆2 武多萎理歹大浮 学位论文 指导老师 申请学位级别亟 论文提交日期丝垒! ! 兰：1 4 3 0 0 7 0 论文答辩日期2 q ! q1 1 1 婴 学位授予单位 盛垫堡三盘堂学位授予日期 答辩委员会主席堂茧垂评阅人壅高盘 丢拯达 2 0 1 0 年1 1 月 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师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钋， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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。 签名：越日期：竺也：1 2 = 7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授 权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文， 并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名，：石吐导师c 签名之牲日期：赳 摘要 杭州西湖是一个典型的富营养化的浅水湖泊。为了改善西湖的水质，我国 采取了许多措施。引水工程就是该措施中的一个。第二次大规模的引水工程在 2 0 0 3 年正式运行。2 0 0 3 年的钱塘江引水工程与1 9 8 6 年的钱塘江引水工程相比， 有两大改进之处。1 ：引水的水量大幅增加；2 ：引入的钱塘江水在入湖前要经 过两个沉淀池处理，经过沉淀池处理后的出水的透明度大幅提高，还可使总磷 含量下降。本课题以钱塘江引水入湖前的玉皇山沉淀池的出水作为好氧反硝化 反应器的进水，进水的水质与其他地表径流的水质相比，其特点为含氮高含碳 低。 本课题试验所用的主要装置为好氧反硝化反应器。好氧反硝化反应器由有 机玻璃材料制成，呈圆柱体形。填料采用串联式挂置。用培养好的好氧反硝化 细菌进行挂膜，挂膜成功后填料固定于反应器内。 试验过程中三套装置同时运行，第一套装置的好氧反硝化反应器内放置天 然纤维l s 填料，生物膜直接附着在天然纤维l s 填料上；与第二套装置中的好 氧反硝化反应器内放置用海藻酸钠改进过的天然纤维l s 填料，生物膜附着在海 藻酸钠上；第三套装置中的好氧反硝化反应器内放置用琼脂改进过的天然纤维 l s 填料，生物膜附着在琼脂上。通过对比相同水力停留时间的出水水质情况， 证明了天然纤维l s 填料可作为好氧反硝化菌生化反应的碳源。试验过程不断地 改变装置的水力停留时间，当水力停留时间为6 h 时，好氧反硝化反应器的总氮 的去除率到达9 0 以上；当水力停留时间为4 h 时，总氮的去除率到达7 5 以上， 当水力停留时间为2 h 时，总氮的去除率到达4 0 以上。本课题试验利用好氧反 硝化细菌处理高氮低碳水源，取得了良好的脱氮效果 关键词：钱塘江引水，好氧反硝化反应器，脱氮，去除率，天然纤维l s 填料 a b s t r a c t h a n gz h o uw e s tl a k ei sat y p i c a lo ft h es h a l l o wl a k eo fe u t r o p h i c a t i o n i no r d e r t oi m p r o v et h ew a t e rq u a l i t yi nw e s tl a k e ，o u rg o v e r n m e n th a st a k e nm a n y a c t i o n s ， o n eo fw h i c hi st h ew a t e rd i v e r s i o np r o j e c tt h es e c o n dl a r g e - s c a l ed i v e r s i o np r o j e c ti n 2 0 0 3 c o m p a r i n gt h ed i v e r s i o np r o j e c to fq i a nt a n gr i v e ri n2 0 0 3w i t ht h a ti n1 9 8 6 ， t h e r ea r et w ob i gi m p r o v e m e n t s 1 ：t h ed i v e r s i o no fw a t e ri n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , 2 ： b e f o r ei n t r o d u c i n gt h eq i a nt a n gr i v e rw a t e ri n t ot h el a k e ，t h ew a t e rm u s tb et r e a t e d b yt w os e t t l i n gt a n k s ，t h r o u g ht h et r e a t m e n to fw h i c ht h et r a n s p a r e n c yi sd r a m a t i c a l l y i n c r e a s e da n dt o t a lp h o s p h o r u sc o n t e n td r o p t h i st o p i ci sam e t h o dt h a tt h ee f f l u e n t o fm o u n ty uh u a n gi su s e da st h ei n f l o wo ft h ea e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o nr e a c t o rb e f o r e t h ed i v e r s i o ni n t ot h el a k eo ft h eq i a nt a n gr i v e r ，w h i c hm a k e sw a t e rc o n t a i nh i g h n i t r o g e na n dl o wc a r b o ni nc o m p a r i s o no ft h eq u a l i t yo ft h es u r f a c er u n o f fw a t e r t h em a i nd e v i c eu s e di nt h et o p i cf o rt e s t i n gi st h ea e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o nr e a c t o r a e r o b i cd e n i t r i f l c a t i o nr e a c t o ri sm a d eb yo r g a n i cg l a s sm a t e r i a l sa n di t sc y l i n d r i c a l i ns h a p e f i l l e ri sh u n gb yc o m b i n a t i o n c u l t i v a t i n ga e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o nb a c t e r i at o f o r mam e m b r a n e ，a n dt h e nf i xt h ei n f i l lt ot h er e a c t o r 硼1 f e es e t so ft h ed e v i c ew o r ka tt h es a m et i m e t h ei n f i l lo ft h ef i r s ta e r o b i c d e n i t r i f i c a t i o nr e a c t o ri sn a t u r a lf i b e rl s ，t ow h i c hb i o l o g i c a lm e m b r a n ed i r e c t l y a t t a c h e d t h ei n f i l lo ft h es e c o n ds e to fa e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o nr e a c t o ri sn a t u r a lf i b e r l si m p r o v e db ya l g i n a t ea n db i o l o g i c a lm e m b r a n ea t t a c ht os o d i u ma l g i n a t e t h e i n f i l lo ft h et h i r ds e to fa e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o nr e a c t o ri sn a t u r a lf i b e rl si m p r o v e db y a g a ra n db i o l o g i c a lm e m b r a n ea t t a c h e dt oa g a r t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ft h e w a t e rq u a l i t yo ft h es a m eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，n a t u r a lf i b e r sf i l l e rl sc a nb eu s e d a sc a r b o ns o u r c e so fa e r o b i cb i o c h e m i c a ld e n i t r i f y i n gb a c t e r i a c h a n g i n gt h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ec o n s t a n t l yd u r i n gt h et e s t w h e nt h e h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e i s 6 h ，a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o nr e a c t o r so ft o t a ln i t r o g e n r e m o v a lr e a c h e dm o r et h a n9 0 w h e nh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ei s 4 h ，a e r o b i c d e n i t r i f i c a t i o nr e a c t o r so ft o t a ln i t r o g e nr e m o v a lr e a c h e dm o r et h a n7 5 w h e n h y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m ei s 2 h ，a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o nr e a c t o r so ft o t a ln i t r o g e n l i r e m o v a lr e a c h e dm o r et h a n4 0 t h i st o p i ca c h i e v e sg o o de f f e c to fn i t r o g e nr e m o v a l u s i n ga e r o b i cd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a t od e a lw i t hh i 【g h n i t r o g e nt r e a t m e n ta n dl o w c a r b o nw a t e l k e yw o r d s ：i n t r o d u c i n gt h eq i a nt a n gr i v e rw a t e r ，a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o nr e a c t o r s ， n i t r o g e nr e m o v a l ，r e m o v a lr e a c h e d ，n a t u r a lf i b e rl s i i i 目录 摘里要l a b s t ra c t i i 目j 畏i 第1 章引言1 1 1 研究背景1 1 1 1 西湖富营养化状况。1 1 1 2 钱塘江引水工程现状2 1 2 文献综述4 1 2 1 好氧反硝化脱氮技术的现状与发展4 1 2 2 固定化微生物脱氮技术的概况5 1 2 3 植物丝瓜络天然纤维在水处理中应用的研究进展7 1 3 研究目的1 0 1 4 技术路线与技术创新点1 1 1 4 1 本课题的研究路线1 1 1 4 2 创新点。1 1 第2 章试验材料与方法1 2 2 1 试验材料1 2 2 1 1 培养液1 2 2 1 2 菌种1 2 2 1 3 填料及填料预处理1 3 2 2 试验方法1 3 2 2 1 原水水质1 3 2 2 2 试验目标1 4 2 2 3 测试方法与仪器1 4 第3 章试验方案与技术路线1 6 3 1 试验方案1 6 3 2 技术路线1 7 第4 章试验结果与讨论1 9 4 1 第一阶段试验结果与讨论1 9 4 1 1 第一阶段h r t = 6 h 时的试验现象与结果1 9 4 1 2 第一阶段h r t = 4 h 时的试验现象与结果2 3 4 1 3 第一阶段h r t = 2 h 时的试验现象与结果2 8 4 1 4 第一阶段h r t - - l h 时的试验现象与结果3 2 4 1 5 第一阶段试验结果讨论3 7 4 2 第二阶段试验结果与讨论3 8 4 2 1 第二阶段h r t - - 6 h 时的试验现象与结果3 8 4 2 2 第二阶段h r t = 4 h 时的试验现象与结果4 4 4 2 3 第二阶段h r t = 2 h 时的试验现象与结果5 0 4 2 4 第二阶段试验结果讨论5 6 第5 章结论与建议5 8 5 1 试验结论5 8 5 2 试验的不足之处与建议5 9 参考文献一6 0 攻读硕士学位期间发表论文一6 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 西湖富营养化状况 第1 章引言 杭州西湖位于我国浙江省杭州市西部，杭州市市中心，旧时被称为武林水、 钱塘湖、西子湖，宋代的时候才开始始称为西湖。西湖以它秀丽的湖光山色与 众多的名胜古迹闻名中外，是我国著名的旅游胜地，也被誉为人间天堂。在被 誉为人间天堂的同时，另一个事实也不容世人忽视，即西湖是一个富营养化湖 泊。它是由淡水湖沼经历了海水入侵，再经过海水的蒸发，逐渐淡化，形成现 在的西湖【。所以说，西湖的富营养化在西湖形成的早期就已经存在了，只是那 时的富营养化水平较低，表现出来的负面影响不明显。 水体的富营养化一般是指氮、磷等微量植物性营养物较大量进入湖泊、海 湾等相对封闭的，水体流动缓慢，引起的藻类和其它水生植物的大量繁殖，导 致水体的透明度减小，溶解氧下降，水质恶化，进一步使其它的水生生物大量 的死亡，最终使水体的生态系统与水体的功能受到阻碍和破坏的现象1 2 5 j 。 水体富营养化有许多危害，其中最主要的危害有6 方面。1 ) 水域的生态平衡 遭到破坏。在正常的情况下，湖泊水体中的各种生物都处于相对的平衡的状态。 但是，当水体受到污染，达到富营养水平时，氮、磷等营养物质进入湖泊、水 库等，引起藻类以及其他浮游生物快速繁殖，微生物大量消耗水中的溶解氧， 使水体中的溶解氧的含量下降，水质恶化，使鱼类以及其他生物大量死亡，生态 平衡遭到破坏【6 1 。2 ) 降低水体的透明度。在富营养化的水体中，生长的藻类以蓝 藻、绿藻为主要藻类。这些水藻会浮在湖水的表面上，这就形成了一层“绿色 浮渣 ，使水质变得很浑浊，透明度明显呈降低趋势，湖水的感官性状就会大大 下降【7 1 。3 ) 影响水体的溶解氧。水体的富营养化现象出现后，藻类大量繁殖，漂 浮在水面上的藻类会使阳光不能穿透射到水中，减少光合作用对氧的释放【8 j 。4 ) 会向水体释放出有毒的物质。富营养对水质的又一个负面影响是某一些藻类会 分泌、释放出有毒性的物质，这些有毒物质在进入水体后，如果被牲畜等动物 武汉理工大学硕士学位论文 饮入体内，有可能会引起牲畜肠胃道炎症。人如果饮用了此水，也会产生消化 道炎症，因而有害人体的健康【9 1 。5 ) 会使水的味道和周围空气的味道变得腥臭难 闻。如果水体发生富营养化，水体的生态平衡遭到破坏，大量的水生动植物死 亡，会产生硫化氢等有臭味的气体，另一方面，有一些藻类也会散发出腥味异 剿1 0 】。6 ) 影响供水。当产生富营养化时，藻类大量生长，会造成供水厂的一些设 备堵塞，使之不能正常供水。另外，当水体的水质变坏的时候，就会加大水处 理过程中混凝、沉淀的效剁1 1 j 。 我国对西湖流域实行了监测管理。根据目前的杭州市的地面水环境的保护 功能区的划分，西湖为i i i 类水质的重点风景游览区，钱塘江干流中的杭州段的 控制目标水质是i i 类，运河水系以及杭州城区内河的控制目标水质是i i 类。 然而经过长期以来的环境监测的成果却表明了：西湖的现状水质是v 类，明显存在一定的富营养化；钱塘江的现状水质基本上能够达标；部分运河 的水系以及城区内河的现状水质是劣于v 类，已经不能达标了。杭州市的西 北部的运河西面区域受到取水口和地形条件两方面的限制，目前的情况是仅由 岳湖处用泵抽1 1 7 m 3 s 的环境用水，因而无法实现运西地区的河网水体得流动， 另外，由于城市的基础设施尚未配套，所以该地区得的水质状况是最差的。特 别是余杭塘河的南面，紫金港的西面区域，其水质条件已经是劣于v 类【1 2 1 。 针对我国西湖的富营养化状况，政府采取了一系列降低富营养化水平的措 施，例如截污、引水、疏浚、砌岸等。虽然在七十年代末期，这些措施有效地 降低了西湖的富营养化水平。但是，随着我国经济的快速发展，这些补救措施 已经不能满足要求。2 0 0 3 年，我国又一次实行了引水工程。 1 1 2 钱塘江引水工程现状 为了控制西湖的富营养化水平，我国一共实行了两次引水工程。第一次是 1 9 8 6 年的引水工程【1 3 l ，一次是2 0 0 3 年的引水工程【体1 7 1 。 1 9 8 6 年的引水工程：我国于1 9 8 6 年第一次实行钱塘江的引水工程，此次西 湖的引水工程是通过将钱塘江的水引入西湖，从而实现了把水体中的浮游藻类 和营养盐稀释的目的，另一方面也起到了补充水源与稳定水质的效果。该次引 水工程在一定的程度上改善了西湖的水质，但是引水冲污工程也有其局限性， 它对西湖的水生态环境的贡献被局限在引水工程的进水口处的小南湖，但是对 2 武汉理工大学硕士学位论文 其他的湖区的水质的改善作用不太明显，而且近年以来，钱塘江受潮汐作用和 自身污染的影响，一年中能够供给西湖的引水的时间是越来越短，西湖水质状 况仍然是不容乐观的i l 引。 进一步分析引水不能有效地改善西湖富营养化水平的原因，得到以下两点， 1 ：引水水质自身的问题。引入的钱塘江水水质状况较差，水体中氮、磷的含量 较高。2 ：底泥问题。在西湖形成的初期，西湖已经具有一定水平的富营养化， 经过长期的演化，水体中的氮、磷等营养物质进入并储存在底泥当中。当水体 水质发生变化时，底泥中氮、磷等营养物质就会被释放出来，重新进入水体， 使水体的氮、磷的含量上升。 由于1 9 8 6 年的引水工程目前已无法成为稳定西湖水质的措施，我国在2 0 0 3 年的时候又一次实施了引水工程。 2 0 0 3 年的引水工程：第二次的钱塘江引水工程是利用原九溪出口作为从钱 塘江引水的进水口，引水的流量是3 5 m 3 ( 其中环境引水量为2 5 m 3 ) 。以取水口 为原点，向西北方向铺设输水箱涵，终点在屏风山疗养院上游5 0 0 m 处。整个 引水工程经过输水隧洞、留下河、分流河、新开河流入运西河网。整个引水工 程包括倒虹吸、箱涵、取水枢纽、管理区、连接河道、输水隧洞、维护区等， 整个引水工程的输水线路长约1 2 5 千米( 包括穿山隧洞约长8 千米) 。钱塘江引水 工程的卫星扫描图见图1 - 1 。 图1 - 12 0 0 3 年钱塘江引水工程卫星扫描图 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 0 8 年，杭州钱塘江引水入城工程的输水隧洞已经全线贯通。作为整个引 水工程的关键控制性工程，8 1 公里长的输水隧洞已被成功攻克。相信在不久的 将来，第二次引水工程将全面投入使用。 2 0 0 3 年的引水工程与1 9 8 6 年的引水工程相比，主要有两大改进之处。第一 是引水工程的水量大幅增加了，2 0 0 3 年的引水工程的引水量由0 4 亿立方米增 加到了1 2 亿立方米，第二是引入的钱塘江水在入湖前要经过两个沉淀池处理， 经过沉淀池处理后的出水的透明度大幅提高，还可使总磷含量下降【l 圳。 1 2 文献综述 1 2 1 好氧反硝化脱氮技术的现状与发展 世界上，最初给出好氧反硝化( a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o n ) 的科学确证的是k r u l 与m e i b e r g 1 2 0 - 2 1 1 1 ，r o b e r t s o n 与k u e n e n 【矧在实验室条件下，最早观察到在有氧存 与n ，与卜纠在买验室条件f ，最早观祭剑在硐氧存 在的情况下发生了反硝化现象。而p o c h a n a 2 3 j 在s b r 的反应器中观察到了污水 中9 5 的总氮去除率。目前，在许多实际运行的好氧硝化池中也经常发现有3 0 的总氮损失【2 4 1 。我国的罗固源【2 5 墩授在无回流间隙曝气系统中发现了令人可 喜的现象：即好氧反硝化所去除的氮的比例为总氮去除率的3 0 - - 4 0 ；谢曙光教 授等【2 6 】对地表水处理中的好氧反硝化进行了探索性研究，在水力负荷比较高的 条件下取得了总氮去除率为2 0 3 0 的效果；赵宗升等1 2 7 1 在处理渗滤液的时候， 利用普通的活性污泥法中的好氧反硝化处理污水工艺达到了1 0 的总氮去除 率。梁刘艳等【冽在利用s b r 处理高氨氮的废水的时候，通过质量衡算也很好地 证实在好氧阶段有大约占总氮去除7 0 左右的氮的去除量。丁爱中等【冽则从另 一方面出发，在土壤中分离出一种兼性细菌，称为d n l l ，在研究中发现其能够 在好氧的条件下还原硝酸盐。现今，随着生物脱氮技术不断的迅速的发展，国 际上许多专家对好氧反硝化中的微生物的代谢机理进行了许多研究。r o b e r t s o n 等例就在反硝化与脱硫系统中第一次提出了好氧反硝化菌，该好氧反硝化菌称 为：粪产碱菌( a l c a l i g e n e sf a e c a l i s ) 、泛养硫球菌( t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a ) ， p s e u d o m o n a ss p 等。其它的好氧反硝化菌还有t h a u e r as p 、m i c r o v i r g u l a a e r o d e n i t r i f i c a n s 、p s e u d o m o n a ss t u t z e r i 等。g u p t a l 3 1 j 对泛养硫球菌t h i o s p h a e r a p a n t o t r o p h a 进行了比较深入的研究，研究表明该好氧反硝化菌在好氧和厌氧条 4 武汉理工大学硕士学位论文 件下都能生长。r o b e r t s o n 3 2 j 认为泛养硫球菌t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a 可以用 n h 4 + n 为电子供体，利用n 0 2 。n 或者n 0 3 n 作为电子受体，然后通过形成聚 b 羟丁酸( p h b ) 来存储能量，从而达到除氮合成细胞质以及产能的目的，同时他 认为协同呼吸是好氧反硝化的一个重要机理，协同呼吸就意味着氧和硝酸盐可 以同时作为电子受体，而有机物提供的电子流就可以同时传递给反硝化酶系统 和氧，所以反硝化可以在有氧的条件下产生。p a t u r e 卸【3 3 】等在对m i c r o v i r g u l a a e r o d e n i t r i f i c a n s 与不能够进行异养硝化的菌株c o m a m o n a ss p s g l y 2 研究的时 候，也认为好氧反硝化的机理的关键是协同呼吸作用。在对泛养硫球菌 t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a 的研究中，p a t u r e a u 等从反硝化酶系的角度很好地阐述 好氧反硝化现象【3 5 1 ，研究发现泛养硫球菌存在两种不同的硝酸盐还原酶( n a r ) ， 一个是膜内硝酸盐还原酶，另一个是膜外硝酸盐还原酶，研究表明，菌体的好 氧生长与菌体的厌氧生长分别揭示了菌体在好氧条件下与厌氧条件下这两种酶 都存在活性。只是在缺氧条件下，菌体膜内的硝酸盐还原酶被表达，但这种酶 在好氧的条件下不起作用，相反，菌体膜外硝酸盐还原酶被表达，但是这种酶 就算在很高的氧浓度条件下仍然可以作用。 本课题中采用的菌种就是利用普通曝气池中的活性污泥经过间歇式曝气培 养后，筛选、富集后的菌种。 1 2 2 固定化微生物脱氮技术的概况 微生物去除氨氮、硝态氮必须需经好氧硝化和厌氧反硝化两阶段。但是硝 化细菌、反硝化细菌的繁殖速度比较慢，如果要提高氮的去除率，这就要求反 应器要有较长的固体停留时问( s r t ) 与比较高的细菌浓度，因此采用固定化微生 物技术可以使此项要求得到满足，实现快速脱氮。目前，有较多关于固定化微 生物技术用于脱氮的研究报道。 微生物的固定化过程会因为所采用的固定方法的不同而产生一些差异。一 般来讲，微生物的固定化分过程主要分为以下三个基本的过程： 第一：微生物的细胞向载体的表面运送过程 液体中悬浮着的微生物活性细胞不断向载体的表面输送。这一个过程主要 是通过浓度梯度扩散、被动运输与主动运输三个方式来完成的。被动运输的过 程是指微生物活性细胞在微生物自身运动、沉降作用、重力及布朗运动下完成 的输送过程。与被动运输不同，主动运输则是指微生物的活性细胞借助各种扩 5 武汉理工大学硕士学位论文 散力以及水力流态的作用向载体的表面不断扩散的过程，它在微生物活性细胞 向载体的表面扩散与附着这两个过程中起着重要和主导的作用。除此以上两个 方式外，由于微生物的活性细胞的浓度差而生产的微生物的活性细胞的浓度梯 度也在促使其向载体的表面转移的过程中欧也具有不可忽视的重要作用。 第二：不可逆的附着过程与可逆的附着过程 微生物在通过上面所进的途径被输送到载体的表面以后，然后通过各种各 样的化学力与物理力的作用使得微生物的活性细胞附着并且牢牢的固定在载体 的表面上。另外，由于在附着固定的过程中，微生物的活性细胞与载体的表面 之间会有各种作用力。这些作用力具有不同的特性，有的作用力可以表现为促 进固定与附着的引力，而另外一些作用力则是表现为阻止微生物的活性细胞附 着的斥力，由于存在着这两者相反的作用力，使得微生物的活性细胞的固定化 过程分为了不可逆、可逆这两种不同的情况。 不可逆的附着的过程可以看成是可逆的附着过程的一种延续，不可逆的附 着的过程是由可逆的附着的过程中的微生物的活性细胞分泌出来的黏性新陈代 谢的产物( 例如多聚糖等) 而倒致的。这些在新陈代谢过程中产生的并且被微 生物的活性细胞排除微生物体外物质中的多糖类的具有黏性物质，这些黏性物 质会像胶水一样将微生物的活性细胞牢牢的黏附在载体的表面上，从而使得微 生物的活性细胞的附着过程成为不可逆的过程。 可逆的附着过程则是反映了在微生物的生存条件中存在一种水作用力。微 生物的活性细胞所具有的自身运动和布朗运动既是促进微生物活性细胞附着固 定在载体的表面上的作用力，这种作用力也可能是使已经牢牢附着在载体的表 面上的微生物的活性细胞重新返回到悬浮状态的作用力。一般来讲，造成这种 可逆的附着过程的原因主要是化学和物理的相互作用的而产生的综合结果。 第三固定化微生物的增长 微生物的活性细胞被固定化成功以后，微生物的活性细胞就会通过与主体 液相发生内部扩散作用和外部扩散作用这两种方式，与输送到微生物的活性细 胞周围的有机底物发生互相的接触作用，从而起到降解液相中的污染物的功能， 同时微生物的活性细胞自身也得到相应的生长和繁殖。所以说，相对稳定的液 体环境是有利于固定化微生物的活性细胞的逐渐增长的。 当前，固定化微生物技术在污水脱氮方面的主要优势主要表现在两个方面： 一：可以通过浓度高的固定化微生物细胞，使硝化和反硝化速率的提高；二： 6 武汉理工大学硕士学位论文 固定化微生物细胞的适应能力强，抗冲击负荷能力好，在低温、低p h 值条件下 都有比较好的脱氮效果。所以，固定化微生物技术能够在废水脱氮方面得到大 力的发展。当前，日本已经有把固定化硝化细菌应用于处理能力达到1 1 3 0 0 m 3 d 的工业装置中【3 6 1 去，这一事实充分说明了固定化微生物法在含氮废水处理工艺 中有的巨大应用潜力。 目前，固定化微生物法主要包括共价结合法、包埋法、吸附法、联合固剧了”。 本课题采用的固定化微生物技术为吸附法，称为吸附固定化。吸附法顾名思义， 是利用带电的微生物细胞与载体之间相互的静电作用，使得微生物的细胞固定的 一种方法，也是一种固定微生物的传统方法。该法得到广泛引用，废水处理中 经常用到的，生物滤池，生物接触氧化，池生物转盘等都是固定化微生物技术 的应用f 捌。微生物和吸附载体两者之间的作用力包括三个，一是范德华力，二 是氢键，三是静电作用【3 9 1 。经常用到的吸附载体有很多，主要有活硅藻土，木 屑，性炭，硅胶，多孔陶瓷，多孔玻璃，塑料，纤维素等。固定化微生物技术 的优点为操作简单，并且在微生物固定化过程中对微生物细胞活性的影响小。 其缺点为所固定的微生物比较容易受所用载体的表面积与种类的限制i 。州副。另 外，微生物和载体之间的吸附强度也不够大，所以往往采用引入亲水与疏水的 配位体以后，再制成载体衍生物，以此用来来固定化微生物1 4 6 - s o 。 本课题中采用固定化微生物技术，利用微生物与载体的作用力，将培养好 的好氧反硝化细菌固定在作为固体缓释碳源的植物丝瓜络天然纤维上。 1 2 3 植物丝瓜络天然纤维在水处理中应用的研究进展 植物丝瓜络天然纤维( l u f f ac y l i n d r i c a ls p o n g e ，l s ) 是一年生攀援植物丝瓜的 果实经过风干后具有天然密布的网状纤维结构【5 1 j ，富含木质素和纤维烈5 2 j ，其 结构如图1 2 ，植物丝瓜络的组织成分见表1 - 1 。由于植物丝瓜络天然纤维具有 独特的天然微网纤维结构，因此，它被制备成各种各样的材料的结构载体， a l e s s a n d r o 等人【5 3 】就利用丝瓜络制成了网状沸石，它与传统沸石相比，其表面积 大大增加，如图1 3 所示。另外，丝瓜络还可以作为固定微生物细胞的天然载体， r o b l e 等人1 5 4 1 就利用循环生物反应器内的植物丝瓜络天然纤维载体上固定 l a c t o c o c c u sl a c t i ss p p l a c t i s 和a s p e r g i l l u sa w a m o r i 细菌，该实验从木薯淀粉中成 功地提取出了l 乳酸，见图1 4 。m a z m a n c i 等人1 5 5 j 把f u n a l i at r o g i i 细菌固定在 植物丝瓜络天然纤维的表面，成功地实现了r e a c t i v eb l a c k5 类型的染料废水的 7 武汉理工大学硕士学位论文 脱色处理。据报道，a k h t a r 等人【5 6 】在植物丝瓜络天然纤维表面固定的c h l o r e l l a s o r o k i n i a n a 绿藻，该绿藻对污水中镉的最大吸附值可以达到1 9 2 m g g ，另外，7 3 2 的重金属镉被成功吸附。s a e e 等人旧将蓝、绿藻固定在植物丝瓜络天然纤维 的表面，并放置在圆柱体形固定床反应器中，见图1 5 ，该反应器对水体中镉的 最大吸附量可以达到5 7 7 6 m g g 。另外，植物丝瓜络天然纤维还可以作为水质吸 附的纯天然材料【5 8 j 。h a s s a n 5 9 】等人研究过植物丝瓜络天然纤维的氨化反应与离 子交换的性能。 由此可知，植物丝瓜络天然纤维具有适宜的形状、比表面积、稳定性和孔 隙率，而它的经济性能也十分优越，所以植物丝瓜络天然纤维必将在污水处理 领域得到十分广阔的应用。 图1 2 植物丝瓜络天然纤维结构图 f i g 1 - 2s t r u c t u r eo fl u f f ac y l i n d r i c a ls p o n g e 图1 3 丝瓜络生物结构网状沸石 f i g 1 3b i o m o r p h i cz e o l i t ef r a m e w o r k sa c c o r dt ol u 砌c y l i n d r i c a ls p o n g e 8 武汉理工大学硕士学位论文 ，m 蝴d i l m l l g g u l g t 冀j 鲋 w l 抽哺， a ，m m 删 图1 4 丝瓜络载体循环产【厂乳酸反应器示意图 f i g 1 - 4s k e t c hm a p o fc i r c u l a t i n gl o o pb i o r e a c t o rf o rl - l a c t i ca c i dp r o d u c t i o n 图1 4 固定蓝绿藻前后丝瓜络表面性状 f i g 1 4 f i b r o u sn e t w o r ko fl o o f as p o n g e ( a ) b e f o r ea n d ( b ) a f t e r i m m o b i l i z a t i o no fc y a n o b a c t e r i a lc e l l so fs y n e c h o c o c c u ss p 9 武汉理工大学硕上学位论文 表1 1 丝瓜络纤维及其他农作物、植物纤维化学成分 t a b 1 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no flc y l i n d r i c a la n ds o m ec o m m o n a g r o b a s e da n dw o o df i b e r s 型a ( 综h o 票l o c e l 素l u l a 一篙素肾鬻k l a s o n 篙酒麓萃 纤维类型a ，8 。篙素肾骠篙旧。戆午 鬻紫 7 7 o4 9 02 0 02 2 o o 42 0 竺烹 6 94 5 01 0 02 8 00 22 0 1 3 研究目的 2 0 0 3 年第二次实施引水工程中引入的钱塘江水在入湖前要经过两个沉淀池 处理，经过沉淀池处理后的出水的透明度大幅提高，还可使总磷含量下降。但 是，目前研究表明钱塘江水在入湖前虽然经两个沉淀池处理，但是处理后的出 水中氮、磷的含量仍然偏高，对改善西湖富营养化的作用不显著。为了进一步 除去出水中的氮、磷，本课题组采用固定化生物技术对沉淀池出水进行进一步 生化处理，利用微生物的新陈代谢作用，将水体中的氮、磷作为营养物质，转 1 0 武汉理工大学硕上学位论文 化成微生物的细胞结构，然后将剩余污泥排除水处理体系，从而到达脱氮除磷 效果，使钱塘江引水中的氮、磷含量进一步降低，使引水能更好地改善西湖富 营养化水平，提高西湖水质质量。 根据本课题的具体要求，反应器的进水中含有较高浓度的总氮，但是进水 中的有机碳的含量很低，不足以维持正常的微生物的新陈代谢作用。为了节约 能源，本课题希望在不投加碳源的情况下，保证微生物的正常代谢作用。经过 多方考虑，本课题利用利用植物丝瓜络天然纤维填料做为好氧反硝化细菌生化 反应的碳源，也希望通过本次试验，验证植物丝瓜络天然纤维是否可以作为固 体缓释碳源。 1 4 技术路线与技术创新点 1 4 1 本课题的研究路线 本实验是采用同步培驯的，在s b r 反应器中利用间歇曝气的方式来培养、驯 化、筛选出好氧反硝化细菌。最初，反应器的进水为好氧反硝化细菌的培养液， 在培养驯化阶段的过程中，通过逐渐地改变细菌的生长环境条件，来进水逐渐 达到所需筛选的菌株的生长环境。通过逐渐地改变细菌的生长环境条件也可以 给生物菌群一个适应的过程，这就避免了突然破坏好氧反硝化细菌的营养环境， 从而对菌群造成伤害，最终达到使目标细菌成为优势菌群，进一步达到富集的 目的。好氧反硝化细菌经过富集后，进行挂膜，这既是固定化微生物技术。反 应器由透明的圆筒状有机玻璃制成，反应器内径为1 0 c m ，将挂膜后的植物丝瓜 络天然纤维填料放入反应器中，组成反应器称之为新型天然生物质植物中空纤 维填料生物膜反应器。该反应器为试验装置的主要部分。当装置进水后，即可 运行反应器。反应器运行过程中，固定在植物丝瓜络天然纤维填料上的好氧反 硝化细菌利用微生物的新陈代谢作用，将水中的有机氮转化为氮气，以此达到 实现去除废水中总氮的目的。 1 4 2 创新点 将固体缓释碳源填料作为微生物新陈代谢所需的碳源，在无外加碳源的情 况下，保证生物脱氮工艺的正常运行。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 试验材料 2 1 1 培养液 第2 章试验材料与方法 利用化学纯的结晶乙酸钠、硝酸钾、氯化铵、硫酸镁、硫酸氢二甲以及少 量的微量元素的化合物，配置成一定浓度的适合好氧反硝化细菌生长的培养液， 并调节p h 值到7 5 ，用容器装好，备用。在好氧反硝化细菌培养的初期，s b r 反 应器的进水为沙湖污水厂曝气池中的进水。在培养过程中，逐步减少沙湖污水 厂曝气池中的进水，加入培养液。 2 1 2 菌种 从沙湖污水厂的曝气池中取活性污泥，放入利用有机玻璃圆筒状的s b r 反 应器进行间歇式曝气培养，在培养过程中，先曝气两小时，再静止沉淀两小时， 再曝气两小时，如此往复循环。经过半个月后的培养，从s b r 反应器中取出体 积为l m l 泥水混合液，放至装有9 m l 无菌水的容器中振荡，振荡的目的是使污 泥能高被充分地摇匀破碎。然后将破碎后的污泥按照梯度系列稀释，稀释后的 溶液放置在一旁备用。先取稀释为1 0 倍、1 0 0 倍、1 0 0 0 倍的三种菌悬液，利用 涂布平板法将菌悬液均匀涂抹在b t b 培养基唧】表面，在放进恒温培养箱中，将 恒温培养箱的温度设置在3 0 上，恒温培养2 d - - 3 d ：等菌落形成以后，再采用 接种环小心挑取出周围的培养基出现蓝色的单菌落，将单菌落接种到b t b 培养 基上；将恒温培养箱的温度设置在3 0 上，恒温培养2 d - - - ，3 d 。等菌落再次形成 之后，再一次挑取培养好的单菌落进行第二次接种，使之能够保证得到的菌株 为纯种菌。第二次接种后的纯种菌称之为初筛菌，最后将初筛菌接入d m 6 1 j 培养 基中，进行划线培养，并将恒温培养箱的温度设置在3 0 上，进行2 d - - 3 d 的恒 温培养，纯化三次使之保证得到的是纯菌株。筛选出来的菌种内含有大量的好氧 反硝化细菌，然后再对好氧反硝化细菌进