（环境工程专业论文）包埋固定化菌株qy37处理高盐含氮废水的试验研究.pdf

摘要 近年来，我国近海海域污染日益恶化，对我国经济社会可持续发展造成较大影 响。生物固定化技术是现代生物工程领域中的一项新兴技术。作者较为系统阐述了 单独包埋和混合包埋两种具体固定化工艺技术，及其在s b r 反应器中处理高盐高 氨氮废水的应用效果。 通过单因素实验，考察了不同p v a 凝胶、海藻酸钠、氯化钙等浓度和交联时 间、凝胶小球的直径等包埋条件，确定了q y 3 7 的最佳包埋条件：p v a 浓度为 1 0 ，海藻酸钠浓度为1 ，c a c l 2 浓度为4 ，包菌量为1 0 m l 。包埋剂p v a 和添加 剂s a 最佳包埋比是1 0 ：1 ，强化剂活性炭、纳米材料最佳包埋比是5 ：4 。考察了 p h 、温度、d o 等环境条件对包埋固定化脱氮效果的影响，确定其最佳环境条件： p h 值为8 0 ，温度为3 0 ，d o 为1 0 m g l 。 对不同碳源的选择和优化进行了分析和总结。在异养硝化好氧反硝化菌株 q y 3 7 固定化过程中分别加入乳糖、柠檬酸钠、可溶性淀粉、蔗糖、葡萄糖作为碳 源研究其脱氮效果。实验结果显示：可溶性淀粉作为碳源的脱氮效果最佳，脱氮率 能达到8 5 ；确定菌株q y 3 7 菌最适碳源的浓度是8 l 。通过对碳源的包埋方式研 究，实验结果显示将碳源和异养硝化好氧反硝化菌株q y 3 7 一起包埋的小球脱氮效果 较好，最终脱氮率达到9 2 以上。 以对异养硝化好氧反硝化菌菌株q y 3 7 固定化后的脱氮效果为考察标准，研究 了分别以碳纳米管、多孔陶粒、活性炭、石墨四种材料为吸附、包埋固定化载体和 不同包埋方式对固定化脱氮效果的影响。 关键词：菌株q y 3 7 ；高盐生物脱氮；包埋固定化 l i i ii il 1l l l rl ll l fl i i y 2 0 4 3 14 1 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ep o l l u t i o no fc o a s t a lw a t e rw a sw o r s e n i n gi no u rc o u n t r y t h e p o l l u t i o n s h a v e g r e a ti m p a c t o no u rc o n t i n u a b l ee n v i r o n m e n t t h eb i o l o g i c a l i m m o b i l i z a t i o ni sak i l l do fn e wa n dr i s i n gt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fm o d e r nb i o l o g i c a l e n g i n e e r i n g , i n t h e p a p e r , i m m o b i l i z a t i o nw a si n t r o d u c e d t h es i n g l e a n dm i x e d e m b e d d i n gt e c h n o l o g i e sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l ，t h el a t e s ta p p l i c a t i o n so fi m m o b i l i z e d b i o t e c h n o l o g yi nn i t r o g e n c o n t a i n e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti ns b r r e a c t o rh a v eb e e n i n t r o d u c e da n ds u m m a r i z e ds y s t e m i c a l l y b ys i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t s ，w eh a v ei n v e s t i g a t e d t h ei n f l u e n to fd i f f e r e n t e m b e d d i n gc o n d i t i o n ss u c ha sp v ag e l ，s o d i u ma l g i n a t e ，c a l c i u mc h l o r i d ec o n c e n t r a t i o n a n dc r o s s l i n k i n gt i m e ，t h ed i a m e t e ro fg e lb e a d s d e t e r m i n et h eo p t i m a le m b e d d i n g c o n d i t i o n so f q y 3 7 ：c o n c e n t r a t i o no f p v ai s10 ，c o n c e n t r a t i o no fs o d i u ma l g i n a t ei sl c o n c e n t r a t i o no fc a c l 2i s4 ，i n c l u d i n gb a c t e r i av o l u m ei s10 m l t h eb e s te m b e d d i n g r a t i oo fe m b e d d i n gm e d i u mp v aa n da d d i t i v e ss ai s10 ：1 ，t h eb e s te m b e d d i n gr a t i oo f e n h a n c e ra c t i v a t e dc a r b o na n dn a n o m a t e r i a l si s5 ：4 a n do t h e re n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s s u c ha sp h ，t e m p e r a t u r e ，d oo nn i t r o g e nr e m o v a l ，t og e tt h eo p t i m u ma p p l i c a t i o n c o n d i t i o n s d e t e r m i n et h eo p t i m u me n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ：p hv a l u ei s8 0 ，t h e t e m p e r a t u r e i s3 0 ，d oi s1 0 r a g l i nt h i ss t u d y , t e s t sw e r ec o n d u c t e dt os t u d yt h ep o t e n t i a l so fi m m o b i l i z e dd e n i t r i f i e r o fas t r a i nc o d e da sq y 3 7t or e d u c en i t r a t ei nt h ep r e s e n c eo f5d i f f e r e n tc a r b o ns o u r c e s ： l a c t o s e ，s o d i u mc i t r a t e ，s o l u b l es t a r c h ，c a n es u g a r , g l u c o s e t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ： t h ee f f e c to fs o l u b l es t a r c hi sb e s t i tw a sf o u n dt h a tn i t r o g e nr e m o v a lr a t ew a sa b o v e8 5 ；t h eo p t i m a lc o n c e n t r a t i o no fc a r b o ns o u r c e si s8g l b e s i d e s ，t h ew a yo fe m b e d d i n g c a r b o ns o u r c ei ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a td e n i t r i f i c a t i o nr a t eb ye m b e d d i n g c a r b o ns o u r c ea n db a c t e r i at o g e t h e ri sh i g h e rt h a nt h a tb ye m b e d d i n gc a r b o ns o u r c e i n d e p e n d e n t l y ， a n dt h en i t r o g e nr e m o v a lr a t ew a sa b o v e9 2 t h ei n f l u e n c eo ff o u rk i n do fm a t e r i a l s ( c a r b o nn a n o t u b e s ，p o r o u sc e r a m i c ，a c t i v a t e d c a r b o na n dg r a p h i t e ) a si m m o b i l i z e dv e c t o ra n dd i f f e r e n tm e t h o d so nt h ee f f e c to f i m m o b i l i z a t i o nw a ss t u d i e dr e s p e c t i v e l y , w i t ht h ed e n i t r i f i c a t i o ne f f e c to fh e t e r o t r o p h i c n i t r i f y i n ga n da e r o b i cd e n i t r i f y i n gb a c t e r i as t r a i nq y 3 7a f t e ri m m o b i l i z a t i o n 嬲e x a m i n e d s t a n d a r d s k e y w o r d s ：s t r a i nq y 3 7 ；h y p e r h a l i n eb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l ；e m b e d d e d i m m o b i l i z a t i o n ； 第一章综述 第一章综述 本章综述了水资源现状、氮素污染的危害性和排放标准、传统生物脱氮处理技 术、新型生物脱氮处理技术、高盐含氮废水生物处理现状、生物固定化技术、以及 本论文的研究目的和意义。 1 1 水资源现状 水是地球上最宝贵的财富，是人类和一切生物生存和发展不能缺少的物质。目 前，地球上的水资源可供人们利用的淡水资源为存在于深度8 0 0 m 以下的地下蓄水 层中大部分地表水，仅占2 6 ，实际上真正可以作为人类生活和生产的水资源只 是全球总水量中的极少部分【l 】。世界水危机已经严重威胁人类生存，全世界超过1 5 的人1 2 1 将要面临中高度到高度缺水的境况，这种压力正向全球发出缺水警报【2 】。 我国水资源的总量位居世界第四，约为2 7 9 万亿m 3 ，但是人均水量仅为世界水 量的1 4 ，属于缺水的国家之一，再加上水资源在不同季节不同地区的分布不均， 以及主要河流、湖泊的水体污染，更加剧了我国的可用水资源危机。南海、黄海、 渤海和东海四大海区中的主要污染因子中都包括无机氮和活性磷酸盐。近年来，中 国海域赤潮发生次数不断增加，赤潮高发区集中在东海海域，其赤潮发生次数和累 积发生面积分别占全海域的6 9 和7 7 。在渤海湾、浙江中南部、长江口外等海域 都有大面积赤潮出现【3 】。 1 2 氮素的危害及排放标准 1 2 1 氮素的危害 氮是自然界广泛存在的基本元素之一，人类和一切生物的生长、生存均离不开 它。但是，氮素在某一空间如水体中过多地存在就会成为危害动、植物以及人类的 污染因子。氮素是水体的一种主要且重要的污染物，它在水体中通常以无机氮、有 机氮的形式存在，无机氮包括氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，有机氮包括蛋白质、 多肽和氨基酸等。有机氮可在氨化微生物的作用下转变为无机氮。 近年来，我国近海海域的污染程度日益恶化，水体中过量的氮造成水体富营养 化，不仅危害人类健康，而且影响了海洋生态平衡，阻碍了海水养殖业的快速发展， 对我国环境、经济造成较大影响。其主要危害有： ( 1 ) 使水体变得难闻。 水体富营养化后会引起一些藻类的恶性繁殖，有些藻类自身的藻腥味会造成水 质恶化，使水体散发出浓烈的腥臭，水藻在温度较高的时期大量增殖，当成团的藻 类死亡分解腐烂时，再经过水体中微生物的分解作用，水藻就会变得腥臭难闻，人 青岛大学硕士学位论文 们闻到空气中这种异味会产生不舒适的感觉，结果对人们的正常生活产生直接影 响。同时，这种腥臭味也使水味难闻，大大降低了水的质量。 ( 2 ) 降低水体的透明度。 在富营养化的水体中，大量水藻例如优势种类绿藻、蓝藻漂浮在湖泊表面，形 成一层“绿色浮渣”。经过风吹后，绿色浮渣不断地被密集、浓缩，因而使水质变得 浑浊，透明度下降，富营养化严重时透明度甚至低于0 2m ，湖水感官性状也大大 下降。这种情况在我国的巢湖相当典型【4 j 。 ( 3 ) 向水体中释放有毒物质，危害人类健康。 富营养化水体中许多藻类能够分泌有毒有害物质，并将其释放到水体当中，这 些毒害物质不但危害动物，而且对人类健康产生严重影响。海水中这些藻类所产生 的毒素会在水体中生物体内富集，通过食物链进入人体内，对人类健康产生影响， 严重的会至导致死亡。 ( 4 ) 消耗水体的溶解氧。 一方面在富营养化湖泊的深层，由于表层藻类将阳光阻隔，所以深层水体中藻 类生物的光合作用明显受到影响并且减弱，从而大量减少了溶解氧的生成。另一方 面湖泊藻类死亡后沉积到湖底并且不断分解腐烂，也会消耗水体中已有的溶解氧。 另外，排入水体的还原态氮经过硝化作用会消耗大量溶解氧，l m o l n h 3 氧化成 2 m o l n 0 3 需消耗2 m 0 1 0 2 5 1 。以上这些因素致使鱼类等需氧生物缺氧窒息甚至死亡， 从而导致水产养殖业减产甚至完全破产。 ( 5 ) 增加水处理的困难，影响供水水质。 湖泊和水库是重要的城市供水水源，约占我国城市日供水量的四分之一。被富 营养化的水体，不仅会影响日常生活的供水水质，还会给水的净化处理带来很多困 难，进而严重影响供水水质【6 】。首先，絮凝作用会被藻类分泌的物质妨碍，导致出 水水质混浊，且其经分解会生成难以降解的腐殖质，如用氯进行消毒即会生成具有 “三致”效应的有害物质。最后在水厂加氯进行消毒时，水体中少量氨不但会使氯的 含量成倍增加，而且还会使化学药剂投加量也增加，从而对水生生态产生影响 【7 】。其次，藻类在温度高的条件下增殖旺盛，过量的藻类将会堵塞滤池，而且会 透过滤池在配水系统中大量繁殖，破坏其正常运行。在富营养化水体中，水生生物 的稳定性和多样性会遭到破坏，最终影响水体生态平衡。这是因为由于藻类和植物 的过度繁殖以及对优势地位的控制，将会使一些对环境敏感且具有高度保护价值的 物种逐渐消失，而另一些物种则显著增加瞵j 。 1 2 2 氮素排放的国家控制标准 2 第一章综述 随着氮素在世界范围内污染程度的不断加剧，各国的氮素排放控制标准也越来 越严格。脱氮研究的前一阶段大家主要集中在对水体中氨氮的去除方法的研究，但 却忽视了硝态氮的脱氮研究，所以现在各国对饮水中硝态氮的去除加以重视并且有 了有比较严格的规定。根据世界卫生组织规定，硝酸盐含量不能超过1 0 m g l t 9 1 。 同样我国饮用水水质标准中规定硝态氮含量不超过1 0 m g l 【l 们。 除了合成氨工业废水等1 2 个行业所排放的污水继续执行相应的国家行业标准 之外，当前我国普遍执行的主要是国家环境保护总局和国家技术监督局联合发布的 污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 。此标准中规定了医药原材料、染料、石 油化工工业废水中氨氮的排放标准：一级为1 5 m g l 、二级为5 0 r n g l ，其他排污单 位的氨氮排放标准：一级为1 5 m g l 、二级为2 5 m g l 。 1 3 生物脱氮与反硝化 废水脱氮方法有多种，如吹脱法、折点氯化法、离子交换法和生物脱氮法。就 当前的技术水平和实践情况看来，生物脱氮法是最经济有效可行的。而且，随着生 物技术的不断发展，生物脱氮法也逐渐完善，尤其是对当前污染面最大、水质最为 复杂的城市污水，生物脱氮法是首选的处理方法。 生物脱氮指的是在硝化菌和反硝化菌参与下将氨氮和有机氮最终转化为氮气， 从而达到脱氮的目的。脱氮过程包括硝化和反硝化两个反应过程。硝化过程是氨态 和有机氮氮在亚硝酸菌和硝酸菌的作用下，被氧化成硝酸盐( n 0 3 - n ) 。反硝化过程 是硝酸盐在反硝化细菌的反硝化作用下，被还原为氮气，即脱氮过程结束。 1 3 1 生物脱氮原理 城市污水一般采用生物脱氮的方法进行处理。从反应类型方面生物脱氮法可分 为氨的硝化作用和硝酸盐( 亚硝酸盐) 的反硝化作用两种。 ( 1 ) 硝化作用 硝化作用：好氧条件下自养菌将氨化物和氨转化为硝酸根( n 0 3 ) 或亚硝酸根 ( n 0 2 ) 离子的过程。硝化作用是指氨在微生物作用下氧化为硝酸的过程。硝化细菌 将氨氧化为硝酸的过程。通常发生在通气良好的土壤、厩肥、堆肥和活性污泥中。 其反应式分别为【】： 一 n h ；+ 三0 i j 型堕马n o , + 厶l o + 2 h + 一a f 2 一 a f = 2 7 8 4 3 1 n o ；+ 二d 吗舛一a f 一 2 。 a f = 7 2 2 8 k j 青岛人学硕士学位论文 硝化反应的总反应式为： n h 二+ 2 0 z jn o ；+ h 2 0 + 2 h 一断 a f = 3 5 2 k j 硝化作用是由两类不同的硝化细菌分工负责且分两步完成的。亚硝酸菌把氨氧 化为亚硝酸，硝酸菌把亚硝酸氧化为硝酸盐【1 2 1 。亚硝酸菌和硝酸菌通称为硝酸 菌。硝化菌属于专性好氧菌种，它们可以利用无机物作为碳源，从n h 4 和n 0 2 。的氧 化反应中获得能量。在生理浓度条件下，n h 4 一氧化为n 0 2 的产生能量为2 4 2 9 3 5 2 7 k j m o l ，硝酸菌的能量利用率为6 1 0 。 第一阶段为亚硝化，即氨氧化为亚硝酸的阶段。参与这个阶段活动的亚硝酸 细菌主要有5 个属：亚硝化毛杆菌属( n i t r o s o m o n a s ) ；亚硝化囊杆菌属 ( n i t r o s o c y s t i s ) ；亚硝化球菌属( n i t r o s o c o c c u s ) 亚硝化螺菌属( n i t r o s o s p i r a ) 和亚硝化 肢杆菌属( n i t r o s o g l o e a ) 。其中，尤以亚硝化毛杆菌属的作用居主导地位，常见的有 欧洲亚硝化毛杆菌( n i t r o s o m o n a se u r o p a e a ) 等。第二阶段为硝化，即亚硝酸氧化为 硝酸的阶段。参与这个阶段活动的硝酸细菌主要有3 个属：硝酸细菌属 ( n i t r o b a c t e r ) ；硝酸刺菌属( n i t r o s p i n a ) 和硝酸球菌属( n i t r o c o c c u s ) 。其中以硝酸细菌 属为主，常见的有维氏硝酸细菌( n i t r o b a c t e rw i n o g r a d s k y i ) 和活跃硝酸细菌f n a g i l i s ) 等。 ( 2 ) 反硝化 反硝化反应是指硝酸氮( n 0 3 - n ) 和亚硝酸氮( n 0 2 n ) 在反硝化细菌的作用下被还 原为气态氮( n 2 ) 的过程【1 3 1 。在反硝化过程中，硝酸氮通过反硝化细菌的代谢活动， 可能有两种转化途径：一种为同化反硝化，即细胞合成，最终形成成为菌体的一部 分有机氮化合物；另一途径为异化反硝化，即分解，最终产物为气态氮。 1 4 脱氮处理技术 1 4 1 传统脱氮处理技术 含氮废水的去除方法有化学、物理和生物三种脱氮方法。化学方法主要有：折 点加氯、选择性离子变换等等；物理法主要有：电渗析、反渗透、吹脱等方法。化 学、物理脱氮方法有很多缺点：成本高，效能大，工艺复杂，容易对环境造成二次 污染等等，一般只能去除水中特定形态的氮，因此比较适合小型污水处理反应器使 用。生物方法主要有：硝化反硝化生物法、生物膜及氧化沟等等。相比之下，生 物脱氮方法【1 4 】投资、运转及维护费用低，基本上不会产生二次污染，适应范围广， 可以克服物理化学脱氮法的很多缺陷，目前已成为污水处理厂处理含氮废水的最重 要的方法。 4 第一章综述 ( 1 ) 传统生物脱氮技术原理及工艺 生物脱氮是废水处理过程中最为重要的组成部分，近几年学术界及工程界研究 的热点内容就是怎么能最大限度地提高脱氮效率并降低脱氮成本，这点也是污水经 过脱氮后能否达到排放标准的关键过程。 传统生物脱氮工艺过程较为复杂，脱氮过程需经过硝化反应和反硝化反应两个 不同的生化阶段才能完成。其主要步骤如下： 有机氮_ n i - 1 4 + n 0 2 。n 0 3 n 0 2 n 2 由于硝化菌和反硝化菌的生态位不同，对各种环境因素耐受范围要求不同，硝 化反作用和反硝化作用只能序列式进行，不能同时进行。硝化反应发生在好氧条件 下，由自养细菌以氧作为电子受体，把n h 4 + 氧化成n 0 2 和n 0 3 。反硝化反应是由 异养细菌以n 0 2 - 和n 0 3 作为电子受体，在缺氧或厌氧条件下，将其还原成氮气排 出。缺氧区与好氧区在传统的生物脱氮技术中多是将分开进行，形成分级硝化、反 硝化工艺【1 5 1 ，接着随后又出现了一些典型的a o 和a 2 0 工艺传统硝化反硝化工 艺。 ( 2 ) 传统生物脱氮技术的缺点 传统生物脱氮处理技术存在以下缺陷： 由于硝化菌其自养的营养代谢类型决定，其特点为生长繁殖速度慢，所以在 系统竞争过程中很容易由于对环境的耐受力较差而被其他异养菌排除。特别是在处 理高含氮废水时，再加上水力停留时间如果过长就会使系统管理和运行变得困难， 从而致使整个反应系统脱氮效率的降低。 硝化作用与反硝化作用对溶解氧的需求差别很大。两种菌的不同需求导致了 硝化和反硝化两个反应过程在时间空间上难以统一：在污水中含氮浓度较高时，自 养硝化菌对氧气和营养物的竞争能力不如好氧异养菌，从而导致异养菌在系统中占 优势：反硝化菌以有机物作为电子供体，但是有机物的存在却又影响硝化反应的速 度。 为了维持较高生物浓度并且获得较好的脱氮效果，必须同时进行污泥回流 和硝化液回流，这样就会增加系统动力消耗以及运行费用。另外硝化反应中产生的 酸需要由外加碱中和，这不仅会增加处理费用，而且会带来二次污染。 1 4 2 新型生物脱氮处理技术 传统生物处理工艺处理后的水难以满足越来越严格的污水排放标准，同 时，经济的发展所带来的水资源的日益短缺也迫切要求开发合适的污水资源 化技术，以缓解水资源的供需矛盾。随着现代分子生物学的不断发展，许多传统 5 青岛大学硕士学位论文 的生物脱氮理论得到了重新认识和扩展，与脱氮相关的微生物体内酶系统也得到了 更加深入的研究，对生物脱氮的理论认识达到了新的高度。在上述背景下，新型 的水处理技术应运而生。近年来许多国家都投入了大量资金用于开发项高新 技术，经过国内外相关研究者大量的理论研究和实践验证，发现许多常见的生物 脱氮工艺种种弊端，改革产生了许多新型的突破常规的生物脱氮处理技术。这些新 型生物脱氮处理技术主要有0 6 j 7 ：异养硝化【18 1 ，好氧反硝化【1 9 1 、厌氧氨氧化例短 程硝化反硝化【2 ，同步硝化反硝化【2 2 1 ，等。 ( 1 ) 短程硝化反硝化脱氮技术 传统的生物脱氮理论认为，完整的脱氮过程需要硝化和反硝化两个过程。在整 个脱氮反应过程中亚硝酸盐不仅是硝化作用反应的中间产物，也是反硝化作用反应 的底物，所以如果将氨氮氧化为亚硝酸盐之后不进一步氧化为硝酸盐，而是直接以 亚硝酸盐为电子受体进行反硝化，就可以实现了短程硝化反硝化脱氮。 短程硝化反硝化工艺具有很多优点：减少处理设施的占地面积，节省投资；减 少硝化反应过程的投碱量：节省碳源；节省氧气的供给，降低动力消耗；尤其适用 于含氨量较高废水处理，可以减轻游离氨对微生物反应速度的抑制，从而保证处理 效率。 ( 2 ) 同步硝化反硝化脱氮技术 基于传统的理论，一直以来反硝化过程被认为是一个严格厌氧的过程。但在一 些不严格缺氧区的污水系统中，同步硝化反硝化( s n d ，s i m u l t a n e o u sn 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 ) 过程已经逐步得到了证实1 2 引。研究表明，兼性菌的反硝化细菌会优 先利用水体中的溶解氧进行呼吸，甚至在水体中的溶解氧浓度低达0 2 m g l 时也是 如此，这一特点使它以硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体受到阻止。然而，近年来在 实际工程运行中，研究者常常发现好氧条件下的总氮会损失的情况 2 4 筇】。 同步硝化反硝化工艺的优点有：省掉n 0 2 - - - n 氧化成n 0 3 一n 后再被还原成 n 2 这两步反应，反应时间就会缩短，从而使有机碳和d o 的消耗降低：降低反应 进程中碱度的投加，减少运行费用，因为反硝化过程产生的碱度可以一定程度弥补 硝化反应碱度的消耗；减少投资，节省反应器体积或构筑物的占地面积。 ( 3 ) 异养硝化 传统的自养硝化作用( a u t o t r o p h i en i t r i f i c a t i o n ) 的定义常被作为硝化作用的定 义。它通常是指自养微生物将氨氧化为硝酸盐，并从中获得到能量的过程【2 6 1 。但是 异养硝化作用( h e t e r o t r o p h i en i t r i f i c a t i o n ) 不同于传统的自养硝化作用，它的底物 可以是无机态的氮也可以是有机态的氮。有研究者曾提出异养硝化作用的定义：异 养微生物在好氧条件下将n h 3 、n i - h + 或者氧化态3 ( o x i d a t i o ns t a t e 3 ) 有机态氮氧化 6 第一章综述 为羟胺、亚硝酸盐和硝酸盐的过程【2 7 1 。也有研究者将之归结为异养微生物将还原态 n ( 包括有机态n ) 氧化为亚硝酸盐和硝酸盐的过程【2 8 】。 ( 4 ) 好氧反硝化 2 0 世纪8 0 年代以来，人们在诸如土壤，池塘，沟渠，活性污泥等各种不同的 环境下分离出了一些好氧反硝化菌。m e i b e r g 和k r u l 是最早给出好氧反硝化 ( a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o n ) 科学确证的【2 9 ，3 0 】，他们在实验室中观察到菌体在有氧气存在 的条件下发生了反硝化作用。 近年来人们不断的在实际工程实践中发现好氧条件下的脱氮现象，p o c h a l l a 【3 l 】 在s b r 反应器中观察到了总氮去除率为9 6 ，在许多实际运行的好氧硝化池中常 常出现3 1 的总氮损失【3 2 1 。罗固源3 3 1 在研究无回流间隙曝气系统中发现，好氧反 硝化脱氮量占总氮脱除的近4 0 ；赵宗升等【3 4 】用活性污泥法的好氧反硝化工艺处 理渗滤液时，可以达到1 1 的总氮去除率。谢曙光等【3 5 】研究了地表水处理中的好 氧反硝化，在较高水力负荷下取得了总氮去除率为2 0 - - - 3 0 的效果； ( 5 ) 异养硝化好氧反硝化菌 目前许多研究表明，异养硝化菌的硝化产物浓度极低甚至很难被检测到。异养 硝化菌同时也可以是好氧反硝化菌，即菌体内异养硝化作用和好氧反硝化作用相偶 联，异养硝化的产物可以很快作为好氧反硝化的从系统中底物除去。 影响异养硝化好氧反硝化菌生长繁殖的环境因素主要有： o p h 。p h 能够影响反硝化微生物的酶的活性，影响到微生物的生长状况，从 而影响反硝化所需的其他因素。p h 值也是反硝化的重要环境因子，不同的反硝化 菌最适的p h 值范围稍有不同，但最普遍也很符合实际的看法【3 6 】是，反硝化的最佳 p h 范围在中性和微碱性之间，约为6 5 7 5 。在此范围内，反硝化速率最大，当p h 值低于6 0 或高于8 o 时，会有中间产物的积累，如n 2 0 和n 0 2 1 3 7 , 3 9 。当然最适的p h 值 与测试环境也有着很大的关系。 温度。硝化反硝化作用在2 0 - 4 0 的范围内均可正常进行。温度对硝化反应 的影响符合阿累尼乌斯( a r r h e n i u s ) 公式，温度在5 3 0 的范围内，每升高 l o ，细菌的最大比增长速率就增加一倍。硝化反应速率随着温度的升高而加快， 当温度超过3 0 c 时，蛋白质会发生变性从而降低了硝化菌的活性，增加幅度就会减 小。而当温度低于5 时，硝化细菌的生命活动就会几乎停止。同样反硝化菌的增 殖速率和代谢速率在温度低于1 5 c 或高于3 0 时就会降低，使反硝化速率下降。 溶解氧( d o ) 。，异养硝化菌相对于自养硝化菌能够耐受更低的溶解氧浓度。 混合培养和亚硝化单胞菌属t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a 、n i t r o s o m o n a se u r o p a e a 时， 7 青岛大学硕士学位论文 t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a 在低溶解氧浓度和高c n 下具有很强的竞争优势，能够成 功将n i t r o s o m o n a se u r o p a e a 排挤出混合培养系统【3 9 】。异养硝化菌p s e u d o n o c a r d i a a m m o n i o x y d a n sh 9 与活性污泥一起在d o 为0 6 m g l 1 5 m g l 的条件下处理合成 污水( c o d 约为1 0 0 0m g l - - 3 0 0 0 m g l ，氨氮为1 2 0 r a g l ) ，得到了大于8 0 的氨氮 去除率【删。可见，d o 对异养硝化菌的硝化活性影响不大。 盐度。研究表明【4 1 ，4 2 1 ，不同菌可耐受的盐度范围不同，本实验室筛选出的异 养硝化好氧反硝化菌q y 3 7 能够耐受较高的盐度负荷。为了使系统中亚硝酸大量积 累，可通过增加污水中盐度使氨氧化菌对亚硝酸盐氧化菌的竞争优势加强。 碳源。反硝化过程中需要提供充足的有机碳源，通常以污水中的有机物为碳 源或外加碳源。不同的碳源物质会影响反硝化速率。一般认为进水b o d s t l ( n 3 5 ，或者c o d n 4 时，即可以认为碳源是充足的，则不需外加碳源【4 3 】。碳源的量、 种类和其性质均与反硝化直接相关，根据以下三个半反应： 0 2 n o ；+ 1 2 h + + 台。专o 1 2 + 0 6 马0 0 3 3 n 0 2 + 1 3 3 h + + e 一 o 1 7 2 + 0 6 4 2 0 0 2 5 0 2 + 日+ + p 一专o 5 凰d 碳源性质对反硝化速率也有影响，大分子难降解有机物碳源的反硝化速率小于 小分子易降解有机物碳源【舭】，如醇类碳源的反硝化速率不如挥发性脂肪酸碳源。 下面是以甲醇为例，甲醇是反硝化中最广泛使用和研究的碳源之一，其细胞合成的 反应式为： n o ；+ 1 0 8 c h 3 0 h + o 2 4 月r 2 c 0 3 专0 0 6 c 5 h 7 n 0 2 + o 4 7 2 + 1 6 8 h 2 0 + h c o ； 这一反应式表明，反硝化1 9 n 0 3 一n ，消耗2 4 7 8 ( 约3 7 8 c o d ) 甲醇，产生0 4 6 9 新 细胞和3 5 8 9 碱度【4 5 | 。 k l a n g d u e np o c h a n a 和j u r gk e l l e r 4 6 的研究表明，脱氮效果与进水中的易降解有 机物( r b c o d ) 含量多少有关，r b c o d c o d 越高说明反硝化的碳源就更充足，总氮 去除率也会随之升高。b 锄莉【47 】在处理城市污水中研究存在基于不同碳源的不同 的反硝化速率。 1 5 高盐度废水的生物处理现状 1 5 1 高盐度废水的来源 高盐度废水是指废水中总含盐质量分数超过1 的。其来源主要有： ( 1 ) 海水利用产生的高盐废水 为了缓解所面临的淡水资源紧缺的问题，目前世界上许多国家和地区都在加快 海水利用度。同样我国也加快了沿海地区海水利用力度。2 0 0 3 年，我国将海水利 第一章综述 用列入了全国海洋经济发展规划纲要，按照规划纲要要求，到2 0 11 年， 我国将要建立青岛等一些海水利用示范城市，通过海水直接利用、海水淡化和海水 化学资源利用规模示范，形成相互衔接的产业链和海水资源开发利用综合示范区。 以海水利用为突破口，以”国家海洋科学研究中心”建设为契机，整合全市海洋科技 力量，进一步突出海洋科技的龙头地位。结合国家海洋中心建设，构建海水利用科 研体系，承接国家、地方和企业的重大科技和工程项目，成为海水利用领域技术创 新与工程试验的综合平台。这时海水年利用总量将达到6 0 0 亿立方米以上。所以随 着社会经济的发展和城市需水量的进一步增加的现状，海水必将成为沿海地区生活 生产用水的重要来源。 ( 2 ) 工业废水 化学工业废水主要来自石油化学工业、煤炭化学工业、酸碱工业、化肥 工业、塑料工业、制药工业、染料工业、橡胶工业等排出的生产废水。这些行 业属于严重污染行业，废水的排放量非常大，而且这些高盐废水中还含有难降解有 毒有害物质。化工废水污染防治的主要措施是：首先应改革生产工艺和设备， 减少污染物，防止废水外排，进行综合利用和回收；必须外排的废水，其处 理程度应根据水质和要求选择。 ( 3 ) 其它含盐废水 例如在工厂生产过程中产生的废水中无机盐浓度和有机物浓度较高，目的是为 了减少废水排放量；农药废水是指农药厂在农药生产过程中排出的废水。废水 水质水量不稳定。高浓度含盐废水：生产1 吨敌敌畏产生废水5 7 吨，含 c o d 达数万毫克升，含有机磷1 0 0 0 毫克升及约0 6 敌敌畏有毒物质，以采 用浓缩焚烧法或湿式氧化法处理。由于沿海城市下水道有海水渗入使得沿海地 区城市污水的海盐量较高；船舰上产生的大量生活污水排入到海水中等。 1 5 2 高盐度对污水生物处理的影响 环境的渗透压对微生物生长有一定的影响，其必须保持在微生物细胞质膜所能 耐受的压力范围内。主要原因是：( 1 ) 如果微生物在高渗透压环境中，体内水分则 会大量渗出到体外环境，这会导致微生物细胞发生质壁分离的现象；( 2 ) 细菌在氯 离子浓度过高的环境中，会受到毒害作用；( 3 ) 使水的密度会随着含盐浓度的增加 而增加，这种情况下活性污泥容易出现上浮流失的现象；( 4 ) 在含盐浓度高的条件 下，脱氢酶的活性会由于盐析作用的影响而降低。 所以高浓度含盐废水的生物处理时先要对废水进行稀释，使盐量质量分数不超 过1 。这会造成水资源的浪费、投资增加、处理设施庞大、运行费用加大。当处 理高盐度废水( 包括海水利用) 时，高盐度会使采用普通生物处理出现诸多问题， 9 青岛大学硕士学位论文 从而导致常规生物处理方法处理效果的降低，处理系统常存在的问题有：出水中悬 浮物含量大，其中的微生物活性不高且数量较少和有机物及氨氮去除效果不好等， 最终不能满足废水排放标准的要求，从而影响了海水直接利用率。另外水资源的日 益紧缺的现状逐渐受到人们关注，处理高盐废水的企业国家各项保护水资源法规和 收费措施出台的也肩负着不小的负担。 因此，以能够处理高盐度有机废水的耐盐菌和嗜盐菌作为固定化方法研究的菌 体，对提升沿海地区高盐废水的处理效率，进一步开发新的生物固定化新工艺有至 关重要的作用。 1 6 固定化技术 氨氮是国家实现水污染控制总量控制的污染物之一，大量的未经过适当处理的 含氮的各种废水( 包括生活污水及某些工业废水) 排入江河，都会给环境造成严重 危害【4 引。随着人们环保意识的增强并且废水排放标准变得越来越严格，有效的废 水脱氮变得越来越必要。氨氮废水的处理方法很多，传统的脱氮方法都有一定的局 限性，现阶段，固定化生物技术成为水处理领域的研究热点。下文简要介绍了微生 物固定化技术；系统阐述了单独包埋和混合包埋两种具体固定化工艺技术及其在处 理氨氮废水中应用效果；展望了固定化技术在今后的含氮废水处理中应用前景与研 究发展动向。 1 6 1 固定化生物技术概述 固定化生物技术是2 0 世纪6 0 年代迅速发展起来的一项新技术，它是借助化学或 物理的手段将游离细胞或酶定位于限定的空间区域内，使其保持活性并且可以反复 利用。2 0 世纪8 0 年代初，国内外逐步开始应用固定化生物技术来处理工业废水和分 解难以生物降解的有机污染物，并取得了阶段性进展。近年来，固定化生物技术一直 是水处理领域的研究热点。由于固定化生物技术能将微生物或酶的理论停留时间提 高到趋于无穷大，即使很高的稀释率也不会引起微生物的冲出现象，即可以通过进水 量任意调节和控制容积负荷，这样可以使生产效率大大提高【4 9 1 。其优点是：与普通 活性污泥法相比处理能力高1 3 倍，且出水水质好，抗有机负荷、水力的冲击能力较 强，可降低运行费用；在降解有毒污染物方面，抗毒性作用更强。更有前途的是对高 效率的混合微生物系混合包埋作为投茵剂，能大大提高现存生物处理系统的处理效 率【删。 1 6 2 固定化技术的方法 目前固定方法大致有吸附法、共价结合法、交联法和包埋法四大类 1 0 第一章综述 ( 1 ) 吸附法 吸附法是利用带电微生物细胞和载体之间的静电作用，使微生物细胞固定的方 法，分为物理吸附法和离子吸附法两种。生物体是一个方便、廉价能吸附水中重金 属的吸附剂的来源，生物吸附法是一种很有发展前途的水处理方法。物理吸附法使 用具有较强吸附能力的硅胶、多孔玻璃、活性碳、纤维素和石英砂等吸附剂将细胞 吸附到表面上使之固定化。这是一种比较传统的方法，具有很多优点，如反应条件 温和，节能、处理效率高，操作时的p h 值和温度条件范围宽，载体可以经过处理后 再次被利用，但也有些不足之处比如结合不牢固，固定在其上的细胞容易脱落等。离 子吸附法固定于带有相异电荷的离子交换剂上，它是利用细胞在解离状态下可因静 电引力而形成的离子键合作用。 ( 2 ) 共价结合法 共价结合法是细胞或酶表面的功能团( 如a 、氨基、a ，b 或丫羧基、咪唑 基、羟基或巯基、酚基等) 与固相支持物表面的反应基团之间形成化学共价键连接， 从而形成固定化细胞或酶。共价结合法可分为两种：一种是先在载体上共价连 接一个双功能试剂，然后将酶共价偶联到双功能试剂上去；另一种是先将载 体有关基团活化，然后与酶有关基团发生共价偶联反应。该方法细胞细胞与载 体之间结合紧密，使用过程中不会发生脱落现象，稳定性好，但反应剧烈、控制条件 苛刻、操作复杂、活力损失较大。已建立的方法包括：重氮法、肽键法、烷基 化法和芳基化法。此法多用于制备的固定化酶。 ( 3 ) 交联固定法 交联固定法是利用双功能或多功能试剂，直接与细胞或酶表面的反应基团如氨 基、羧基等发生交联反应，形成共价键来固定细胞，使其彼此交联形成了网状结 构的固定化细胞或酶，其结合力是共价键。由在多数情况下固定化微生物的活力 较脆弱，因为交联固定法化学反应过程比较激烈。另外。该方法的广泛应用也由于 这种方法制备麻烦、活力损失较大、所用的交联剂价格较贵等原因，从而受到了限 制。常用的交联剂有甲苯二异氰酸酯、戌二醛等。 ( 4 ) 包埋固定法 包埋法的原理是通过通过沉淀作用、聚合作用或者离子网络形成，或改 变温度、p h 、溶剂使细胞截流。将微生物细胞用物理方法包埋在各种载体、截 流在水不溶性的凝胶聚合物孔隙的网络空间中。凝胶聚合物的网络可以阻止 细胞的泄漏，同时能让基质渗入和产物扩散出来。这种方法是比较理想的方 法，其不但操作简单，对细胞活性影响较小，制作的固定化细胞球的强度较高， 所以目前应用最广泛。本文所使用的即是这种方法。但这种方法的不足时其固定化 青岛大学硕士学位论文 微生物由于包埋材料( a l j 载体) 使底物和氧的接触受到阻碍，这就会一定程度地影响 水处理效果。 在包埋法固定化技术中，最重要的是选择合适的包埋剂及包埋条件。适用于废 水处理的包埋剂应满足： ( 1 ) 成本低廉，再生性能良好； ( 2 ) 固定化过程简单，反应温和； ( 3 ) 载体对细胞呈惰性，固定化过程中及固定化后对微生物无危害； ( 4 ) 机械性能好，具有良好的耐冲击性等； ( 5 ) 易制成各种形状且能在常温常压下固定化，固定载体透光性好，反应底物和 产物的扩散阻力小； ( 6 ) 具有较理想的物理、化学和，适合于填充各种类型的反应器。 ( 7 ) 单位体积内的固定化细胞密度大载体内细胞泄漏少，而外面的细胞难以进 入。 1 6 3 固定化微生物技术在废水处理中的研究与应用 近年来，固定化硝化菌脱氮技术已从实验室和小规模试验阶段进入大规模的生 产性试验阶段。包埋固定法是细胞固定化技术之一，目前应用最多。包埋固定法分 为单独包埋和混合包埋两种，下文较为系统阐述了单独包埋和混合包埋两种具体固 定化工艺技术及