（发酵工程专业论文）固定化细胞技术在高浓度含氮发酵废水中去除氨氮的研究.pdf

r 一一 at h e s i ss u b m i t t e df o rt h e a p p l i c a t i o n o f t h em a s t e r sd e g r e eo fe n g i n e e r i n g s t u d yo na m m o n i a r e m o v a lw i t hi m m o b i l i z e d c e l lt e c h n o l o g yi nh i g hc o n c e n t r a t i o n so f n i t r o g e nf e r m e n t a t i o nw a s t e w a t e r c a n d i d a t e ： w a n g c h u a n b a o s p e c i a l t y ： f e r m e n t a t i o ne n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r l ij i n g l o n g s h a n d o n gi n s t i t u t eo fl i g h ti n d u s t r y , j i n a n ，c h i n a j u n e1 5 ，2 0 1 0 山东轻t 业学院硕十学位论文 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，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 明并表示谢意。 论文作者签名： 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公丌阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校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， 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名 单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名： 导师签名： 日期：冱厶2 年j 月丝同 山东轻t 业学院硕1 二学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第l 章绪论i 1 1 前。言1 1 2 生物脱氮工艺与研究现状l 1 3 固定化方法简介3 1 3 1 电子吸附法3 1 3 2 化学试剂交联法3 1 3 3 物理材料包埋法4 1 4 微生物固定化载体4 1 4 1 常用固定化材料的选择4 1 4 2 高分子成型材料的应用5 1 5 国内和国外研究现状5 1 6 本课题的主要研究内容6 第2 章亚硝酸细菌的筛选和培养条件研究7 2 1 引言7 2 2 试验材料和设备7 2 2 1 试验材料7 2 2 2 仪器设备7 2 2 3 菌种来源8 2 3 氨氮的测定方法8 2 3 1 氨氮的检测8 2 3 2 亚硝酸赫氮检测8 2 3 3 硝酸类盐氮检测9 2 3 4 活性有机污泥性能检测9 2 3 5 化学需氧量的检验和测定1 0 2 4 亚硝酸细菌富集和优化培养基1 l 2 5 亚硝酸细菌计数培养基1 1 2 6 亚硝酸细菌m p n 计数试剂1 l l 目录 2 7 亚硝酸细菌的分离和鉴定1 2 2 7 1 硅胶平板的制作【3 4 1 1 2 2 7 2 分离纯化1 2 2 7 3 接种种型的选择1 2 2 7 4 亚硝酸细菌高密度培养条件的优化1 2 2 7 5 亚硝酸细菌的高密度培养1 3 2 7 6 菌种处理效果评价1 4 2 8 检验和测定方法1 4 2 9 试验结果和讨论1 4 2 9 1 亚硝酸细菌的分离及鉴定1 4 2 9 2 接种种型的选择结果1 5 2 9 3 亚硝酸细菌高密度培养条件的优化1 5 2 9 4 高密度培养的结果分析1 6 2 9 5 亚硝酸细菌富集和优化结果评价1 7 2 9 6 结论18 第3 章好氧型反硝化细菌筛选及培养条件的研究1 9 3 1 引言1 9 3 2 试验材料1 9 3 2 1 试验菌种1 9 3 2 2 反硝化细菌富集培养基1 9 3 3 试验方法1 9 3 3 1 反硝化细菌的富集和优化培养1 9 3 3 2 高活性反硝化细菌筛选2 0 3 3 3 接种种型筛选2 0 3 3 4 高效微生物脱氮菌株高密度培养2 0 3 3 5 最适培养条件下的高密度培养2 0 3 4 检验和测定方法2 l 3 5 试验结果和讨论2 1 3 5 1 高效微生物脱氮菌种的筛选2 l 3 5 2 高效微生物接种种型和条件选择2 3 3 5 3 氨氮脱除条件及其对脱除速率影响因素分析2 4 3 6 本章小结。2 6 2 山东轻工业学院硕 学位论文 第4 章固定化载体的选择和固定化小球的制备2 7 4 1 引言。2 7 4 2 实验材料2 7 4 2 1 主要试剂材料2 7 4 2 2 主要仪器设备2 7 4 3 试验研究2 8 4 3 1 固定化载体的研究2 8 4 3 2 多孔陶瓷小球与海藻酸钠的固定化2 9 4 3 3 交联包埋联合法3 0 4 3 4 聚乙烯醇与海藻酸钠联用法3 l 4 3 5 聚乙烯醇冷冻法3 3 4 4 试验结果和讨论一3 4 4 4 1 载体材料对固定化小球特性的影响3 4 4 4 2 硝化和反硝化型细菌的固定化3 5 第5 章氨氮废水的处理工艺3 7 5 1 前占一3 7 5 2 实验药品3 7 5 3 试验部分3 7 5 4 实验结果与讨论3 9 5 5 展望3 9 参考文献4 l 致谢4 5 在学期间主要科研成果4 7 目录 山东轻工业学院硕上学位论文 摘要 生物脱氮是含氮废水处理中的一项重要技术，其中硝化细菌与反硝化细菌的 选育是一个关键点；在处理工艺方面，固定化细胞技术提高了微生物的耐污水冲 击力和抗性。 本论文首先对活性有机污泥中的亚硝酸细菌和好氧型发硝化细菌进行筛选， 采取活性污泥富集培养与微生物强化n - 黝l l 化的方法，经过硅胶平板划线或涂布分 离的方法，获得了两株亚硝酸细菌x l 和x 2 ；经鉴定，分别为亚硝化型单胞菌和亚 硝化型球菌。通过组合试验，确定两菌株最优搭配为亚硝化型球菌：亚硝化型单 胞菌的用量比为l ：1 ，通过正交分析试验确定最优高密度培养条件为：在硫酸铵 为2 9 l ，碳酸氢钠为l g l ，微量型元素为l m l l 、p h 值为8 0 及溶解氧大于2 4 m g l ， 培养4 0 天后，得到细菌富集培养物，其中菌体数量为富集培养前的1 0 0 倍，试验 效果良好。 经过试验，确定发硝化细菌的最适接种量为1 0 - - 1 5 ，最佳c n 为2 5 ，最 优p h 值范围在7 5 到8 0 之间。 在氨氮处理工艺方面，采用混菌工固定化的方法，应用多孔陶瓷作为固定化载 体，增大了反应的传质效率，将处理速率提高3 0 。 在菌种固定化的选择材料的试验中，主要研究了海藻酸钠、活性炭，聚乙烯醇 和高分子粘性剂等固定化材料，通过试验，确定了一个固定化方法。 在处理工艺中，研究了研究了温度、p h 值、溶氧量和c n 比对处理效果的影 响，确定了一个最佳处理工艺，试验将固定化小球打入好氧池和缺氧池进行脱氮 处理，固定化小球的连续运转时间由5 天提高到1 5 天，c o d 和b o d 的去除率达 到9 6 以上，氨氮的去除率达到9 7 。 关键词：氨氮、固定化微生物，硝化细菌、反硝化细菌，厌氧、a o 工艺 摘要 山东轻工业学院硕i ：学位论文 a bs t r a c t b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t i sa l li m p o r t a n tt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gn i t r i f i c a t i o nb a c t e r i aa n dd e n i t r i f i c a t i o nb a c t e r i ab r e e d i n gi sak e yp o i n t ；i nt h e t r e a t m e n tp r o c e s s ，t h ei m m o b i l i z e dc e l lt e c h n o l o g yt oe n h a n c em i c r o b i a lr e s i s t a n c et o i m p a c ta n dw a t e r r e s i s t a n c e t h i sp a p e rf i r s ta c t i v i t yo ft h eo r g a n i cs l u d g eb a c t e r i aa n dn i t r i t e i nn i t r i f y i n g b a c t e r i ai na e r o b i cf a ts c r e e n i n g ，t oa c t i v a t e ds l u d g ee n r i c h m e n tc u l t u r ea n dm i c r o b i a l e n h a n c e rt a m i n g , c r o s s e dt h r o u g ht h es i l i c ag e lp l a t eo rac o a t i n gm e t h o do fs e p a r a t i o n ， w o n2o fn i t r i t eb a c t e r i ax 1a n dx 2 ；t h r o u g hi d e n t i f i c a t i o n ，r e s p e c t i v e l yn i t r o s a t e d s i n g l ec e l l b a c t e r i aa n dn i t r i t e - t y p eb a c t e r i a t h r o u g hac o m b i n a t i o no ft e s t st o d e t e r m i n et h eo p t i m a lm i xo ft w os t r a i n so fb a c t e r i af o rt h en i t r i f i c a t i o nt y p e ： n i t r i f i c a t i o nb a c t e r i au s i n gs i n g l ec e l lr a t i oo f1 1 ，b yo r t h o g o n a la n a l y s i st e s t t o d e t e r m i n et h eo p t i m a lc o n d i t i o n sf o rh i g h - d e n s i t yc u l t u r e ：i nt h ea m m o n i u ms u l f a t ei s 2 9 l ，s o d i u mb i c a r b o n a t ew a slg l ，t r a c et y p ee l e m e n tlm l l , p h = 8 0a n dd i s s o l v e d o x y g e ng r e a t e rt h a n2 4 m g l ，4 0d a y sa f t e rc u l t u r e ，e n r i c h e db yb a c t e r i a lc u l t u r e ，i n w h i c hc e l ln u m b e rf o rt h er i c ht r a i n i n gs e t10 0t i m e sb e f o r e ，g o o dt e s tr e s u l t s a f t e rt e s t i n g ，f o rd e t e r m i n i n gt h eo p t i m a ln i t r i f y i n gb a c t e r i ai n o c u l u mw a s10 t o 1 5 ，b e s tc no f 2 5 ，t h eo p t i m a lr a n g eo f p hv a l u e sb e t w e e n7 5t o8 0 i na m m o n i at r e a t m e n tp r o c e s s ，t h eu s eo fm i x e db a c t e r i ai m m o b i l i z a t i o nm e t h o d w o r k s ，a st h ea p p l i c a t i o no fp o r o u sc e r a m i ci m m o b i l i z e dc a r r i e r , i n c r e a s e dt h e e f f i c i e n c yo ft h er e a c t i o nm a s s ，w i l la d d r e s st h er a t ei n c r e a s e db y3 0 i nt h ec h o i c eo fb a c t e r i ai m m o b i l i z e dt e s tm a t e r i a l ，am a j o rs t u d yo fs o d i u m a l g i n a t e ，a c t i v a t e dc a r b o n ，p o l y v i n y la l c o h o la n dp o l y m e ra d h e s i v ea g e n ti m m o b i l i z e d m a t e r i a l ，t h r o u g ht e s t st od e t e r m i n ea f i x e dm e t h o d i nt h et r e a t m e n tp r o c e s s ，t h es t u d yo ft e m p e r a t u r e ，p h ，d i s s o l v e do x y g e n ，a n dc n r a t i oo ft h et r e a t m e n te f f e c t ，d e t e r m i n e dt h e b e s tt r e a t m e n tp r o c e s s ，t e s t i n gt h ef i x e d p o o l o fb a l l si n t ot h ea e r o b i ca n da n o x i cp o o lo fn i t r o g e nt r e a t m e n t ，i m m o b i l i z e d c o n t i n u o u so p e r a t i o nt i m ef r o m5d a y su pt o15d a y s ，c o da n db o dr e m o v a lr a t e r e a c h e d9 6 a n da m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lr a t er e a c h e d9 7 k e y w o r d s ：a m m o n i an i t r o g e n ，i m m o b i l i z e dm i c r o o r g a n i s m ，d e n i t r i f y i n gb a c t e r i a , d e n i t r i f y i n gb a c t e r i a ，a n a e r o b i c ，a op r o c e s s a b s t r a c t i i 山东轻t 业学院硕1 ：学位论文 第1 章绪论 1 1 前言 随着现代农业和工业的快速发展和人口总数的不断增加，工业和生活含氮废 水的排放量越来越大，硝态氮、氨态氮对水源的污染也越来越严重。氮污染主要 来源于农业排水、生活污水以及工业污水。含氮废水给自然界受纳水体带来了一 系列的危害【h 】： ( 1 ) 过量的氮导致水体富营养化，它们能促进藻类等浮游生物大量繁殖，导 致水体中溶解氧锐减，鱼类大量死亡，水质严重退化，进而使淡水水体发生“水 化”，使海洋发生“赤潮”，这就叫水休富营养化【5 】。水体的富营养化可使水流变缓， 长期下去，大量藻类遗体可使湖、河变浅，最终成为沼泽地。近年来，我国天津 近海、香港、湛江港、珠江口等海域都有“赤潮”现象出现。此外，水体富营养 化影响水上运动；由于藻类的代谢，使水具有色和气味，严重破坏了生态环境。 ( 2 ) 氨氮要消耗溶解氧，导致水体缺氧。 ( 3 ) 与氯气作用生成氯胺，妨碍氯化消毒。 ( 4 ) 氮化合物对人和生物有毒害作用。水中亚硝酸氮超过l m l 时，就会使 水生生物的血液结合氧的能力降低；超过3 m g l 时，可在2 4 9 6 h 内使金鱼、蝙 鱼死亡。亚硝酸氮与胺作用生成的亚硝胺是“三致”( 致癌、致畸、致突变) 物质， 硝酸根能诱导婴儿的高铁血红蛋白症，直接威胁人类的健康。因此，脱氮工作到 了不容忽视的地步。 1 2 生物脱氮工艺与研究现状 常用的脱氮的方法基本上分为两种【6 】：物理化学方法与生物化学法。物理化学 法包括了物理化学混合凝聚法、折点条件加氯脱除法、高压空气吹脱法、电解高 渗析一反渗透透析法、阴离子柱交换法等等，但是，物理化学法有着较多的缺点【7 】， 例如在处理氨氮的过程中耗材多，容易造成浪费、设备运行操作成本高、很易造 成第二次污染，并且化学剂的危害较大。 微生物脱氮工艺根据微生物在运行系统中的不同存在形式，分为悬浮物一活 性有机污泥法【8 1 与活性生物膜法【9 1 ，第一种方法主要是利用活性有机污泥反应器作 为好氧性生物反应器来运转的。第二种方法则为利用薄板表面生物膜反应器为好 氧型或者缺氧型的反应器来进行的，从而进一步实现了硝化反应和反硝化反应的 有机结合，在这个过程中就达到了微生物脱氮的目的。 目前，比较常用的生物脱氮的工艺流程有如下三种类型： 第1 章绪论 第一种是单级活性有机污泥体系；第二种是多级活性有机污泥体系；第三种 是微生物反应膜体系。 当前，研究和应用比较广泛的污水降解流程是单级活性有机污泥体系【1 0 1 ，其 具体的工艺流程有s b r 反应工艺流程、氧化沟凹槽工艺流程、a 2 o 三段反应工艺 流程、a o 两段反应工艺流程等等。这些工艺流程大部分既有除去有机物、降低 c o d 和b o d 的功能，还具有生物脱氮的功能。其中，a o 两段工艺流程也就是 我们经常用到的缺氧好氧工艺流程，它的缺氧区域和好氧区区域在同一个构筑物 体系中被分隔成了两个独立的区域，或者直接就是在两个相互独立的构筑物体系 中单独运行【l l 】。发酵有机污水在经过一个反硝化型的生化反应器不断混匀后，首 先在厌氧或者缺氧的条件下厌氧处理和降解，厌氧反应完成之后，废水的b o d 和 c o d 降低，紧接着就进行有机物、含氮物质的氨化与氨氮的好氧硝化反应等一系 列氮素降解反应，在氮的生化处理和降解反应中，没有明显的反应先后顺序和反 应区域的界限【1 2 1 ，因此，这些反应大部分是在一个统一的综合反应器中协同进行 的，总体来说这三个相对独立的连锁式生化反应不但可以在好氧条件下运行，而 且也可以在缺氧的条件下运行。 这些脱氨氮的工艺流程一般比较简单，空间面积占用少，在运行过程中基本 不用额外补充糖类等碳源，而且能够进行充分的反硝化反应，在操作上比较容易 调控达到平稳运行，微生物含量丰富的活性有机污泥能够有效起到作用。 但是，该工艺有明显的不足【1 3 d 5 】：一方面，反应产生的分解物产自硝化反应 过程，在消化反应中积累，这其中含有少量的硝酸氮，假如一次沉淀池调试运行 受到抑制，并且不能够及时排出产生的大量活性有机污泥，整个反应池内部就很 难引起反硝化反应，很容易造成活性有机污泥逐渐地上漂浮出水面，从而直接影 响排水口出水的水体质量。另一方面，若要加强生物脱氮的效率，一方面要增大 内部不断重复循环的污泥回流比，不断加大回流处理的降解程度，但是，这样运 行方式的缺点是明显的，不但增加了设备的运行操作成本和运行费用，并且内部 循环的回流液央带进入较多的溶解氧，致使反硝化型的生化反应很难在反应器内 维持平稳，因此，造成生物反硝化反应进程难以顺利进行。再者，脱除氨氮的效 率受到影响，降解效率比较低，反应体系非常容易受到新进污水的强力冲击，不 能形成连续化的运转，给系统的重新启动增加了困难。 总之，在常用的生物活性有机污泥去除氨氮化合物系统中，虽具有一定的去 除氨氮的生物降解效果，但从总体来说，依然存在着诸多不足和缺点： 第一、目前应用的硝化细菌绝大部分为自养型的细菌，硝化细菌菌种群体的 生长增值速度较慢，在混合培养的生物活性有机污泥系统中很难与异养型细菌形 成竞争，在竞争中处于劣势，因此难以维持较快的生长速度，细胞浓度较低，实 际操作中为避免大量有效细菌的流失，达到理想的脱氮的效果，往往要利用延长 2 山东轻工业学院硕l j 学位论文 停留时间的做法，同时这样需要一个很大的曝气池来保证反应的彻底性，从而需 要较大的建筑面积，这就限制了这种工艺流程的生物降解能力，并且运行成本较 高。 第二、一般情况下，硝化细菌容易得到了外界环境，尤其为p h 值、盐度、c n 值等的条件的影响，对环境中不良因子的冲击，尤其为重金属等毒物冲击，比较 敏感，抗重金属和有毒有机物的冲击能力较弱，容易造成系统无法正常运行，并 且当系统需要重新启动的时候，又比较困难。 第三、在含氮有机废水处理中，对c n 值较小的含氮废水，需补加碳源保证 生物正常脱氮，这就导致生物降解工艺流程过程中，安装一个后曝气处理装置以 达到降解剩余有机物的目的，这样就增加了处理和降解的成本。 第四、生物硝化与反硝化降解过程很难在时间和空问上维持一致性，脱氮的 效果比较差，直接造成生物脱氮这个多级生物催化反应被底物与产物的浓度、反 应基质的传递速率、溶解氧等条件的抑制，造成脱氮的效率不高，处理效果不理 想。因此，生物法降解氨氮废水的微生物细胞固定化新技术得以研究和应用。 1 3 固定化方法简介 固定化微生物技术为应用化学的或物理的方法将游离的细胞固定在一个特定 的空间或者某一个特定的反应区间，并且使其不再是悬浮于水中自由运动、仍能 够维持生物活性、并且可以不断重复应用的方澍1 6 乏0 1 。 从当前研究的情况来看，固定化微生物的方法比较多，国内外无统一的分类 标准，依据对各类方法的分析研究，我们可以将它大体分为物理固定法与化学固 定法两大类。物理固定法主要为物理性包埋法、电子吸附法和化学剂包络法；化 学固定方法包括了化学剂交联法、共价键结合法等方法。 1 3 1 电子吸附法 电子吸附法也称为载体一微生物结合法。在目前，这种方法是微生物细胞经 过离子键位的结合、物理性电荷的吸附等化学或物理附着力的方式进行固定，主 要是固定在载体的表层面上，以及内部的空隙表面，在内部表面也可以形成生物 膜，因此填料载体如何选择是个关键点。该方法制作简便，对生物的生化活性影 响比较小，但是在单位体积的成品固定化小球中细胞数量比较少。 1 3 2 化学试剂交联法 化学试剂交联法为使用两个或多个功能性分子团的化学试剂，直接与微生物 的细胞表面的化学基团进行反应，形成的共价键足以达到固定化微生物细胞的目 的。但是这种方法由于化学反应比较激烈，造成细胞的生物活性部分丧失或全部 丧失，对生物的i f 常代谢影响比较大，并且交联剂的成本价也是比较高的，所有 3 第1 章绪论 这些都限制了其在含氮发酵废水生物降解中的研究和应用。 1 3 3 物理材料包埋法 物理性包埋法又可以划分为：沉淀物包埋法、离子类化合物网格包埋法和高 分子合成材料包埋等方法，这种处理方法操作起来比较简单，能够将微生物细胞 固在一个特定的高分子材料网络和构架中，在这种比较紧密的结构中足以能够防 止微生物细胞向外大量渗漏和流失，而反应底物和反应产物可以通过渗透压而自 由渗透和向外扩散。 用物理包埋法进行微生物细胞的固定化，对于细胞的生物活性影响是比较小 的，细胞固定化小球颗粒的耐机械挤压和破坏的强度比较高，这是在目前的研究 中非常普遍的一种微生物固定化的方法。本论文主要是研究并且应用物理性包埋 法对微生物细胞进行固定化并对它的生物化学性能进行测定。 1 4 微生物固定化载体 微生物固定化载体可分为无机载体、有机类高分子材料载体和复合性载体三 大类物质；载体为微生物细胞固定化技术的关键点。因此，比较理想的生物细胞 固定化载体应具有的条件为：第一、载体的理化性能比较稳定，不容易被微生物 和酶降解，并且能够耐受由于微生物生长繁殖造成的膨胀力；第二、机械强度比 较高，连续使用的寿命比较长；对其它的微生物的吸附比较小，不会造成微生物 体系的生长失衡。第三、空间的传质性能优良、通透性能良好；第四、对微生物 本身没有毒性，不会对生物的正常代谢和生长造成抑制；固定化操作方法比较简 便；成本比较低等。 1 4 1 常用固定化材料的选择 物理填埋载体种类非常多，大体分为两大类。一种为天然高分子材料凝胶载 体，例如海藻酸钠、海藻酸钙、琼脂粉等等；另一类为有机高分子材料凝乳胶体 载体，例如聚丙烯酰胺、光硬化树脂、聚乙烯醇、硅胶、聚矾等等。其中，天然 高分子材料凝乳胶体载体以海藻酸钠为典型的代表，有机合成高分子材料则主要 以p v a 为典型代表。天然高分子载体材料一般对微生物没有毒性，传递物质性能 优良，但是耐强度性比较低，在厌氧气的条件下容易被微生物分解。由天然性海 藻提纯获取的海藻酸钠没有毒性，适用于固定化活细胞或者敏感微生物细胞，它 的成本比较低，是应用比较广泛的微生物细胞固定化载体。用氯化钙和海藻酸钠 交联反应生成海藻酸钙，固定化填埋的微生物生化活性较高，但是其缺点是在有 多价阴性离子及高密度电解物质水溶液中不够稳定，钙离子比较容易脱落下来， 填埋的耐强度性伴随着钙离子的脱去从而逐步地变弱，所用时间较长，此外还会 有载体破裂的情况。 4 山东轻t 业学院硕 ：学位论文 在有机物质合成高分子材料载体中，p v a 因为没有毒性、价廉、抗微生物分 解和机械强度较高等特点得到了重视，因此被普遍认为当前最好的固定化载体之 一。蒋宇红【2 l j 等研究者对比了以海藻酸钙、琼脂粉、p v a 、丙烯酰胺、明胶作为 有效的材料载体的性能，其结果表明：聚丙烯醇为成型材料的固定化小球比明胶 与丙烯酰胺、海藻酸钙与琼脂粉等制成的固定化小球有比较明显的优点。因此本 课题以p v a 为主要骨架，添加了其它有利于载体成球效果的添加剂来固定化硝化 细菌去除含氮发酵废水中的氨氮。 1 4 2 高分子成型材料的应用 用高吸湿性能的材料作为网络构架的聚合物，有较强的吸湿性能和保水性能， 具有较高吸附性的高分子树脂材料，在生产工艺步骤和生产应用流程中不断被应 用，本论文用淀粉类物质作为主要的框架去偶联多聚物质，以此来研究固定化载 体材料的性能。 淀粉类物质高分子共价聚合物是具有高吸湿性的材料，由于淀粉类物质原料 的来源比较丰富，成本比较低，为其大量的合成提供了原料来源，此外，其独具 的优良的保水性能、吸湿性能、及其优良的可加工性能，为它的研究和应用奠定 了良好的基础。 把高吸水性的材料加工进而应用到固定化载体中，目前，该类研究报道较少， 但是，已有大量资料在理论方面提出了这个研究领域的可行性，能够代替部分 p v a 、活性炭和树脂类物质进行混合吸附硝化细菌。 1 5 国内和国外研究现状 为了克服普通方法去除水体氨氮的缺点，研究者将研究的方向转移到固定化 微生物去除氨氮技术上来。王淑清【2 2 】等用材质和性质不同的固定化材料填埋光合 细菌。其中的试验研究结果表明：聚乙烯醇和沸石的固定化光合细菌的水体净化 效用结果良好。王利芬【2 3 】等利用聚乙烯醇当做载体填埋光合细菌，鱼池氨的去除 率较高，达到了9 0 以上，和利用游离状态的光合细菌相比，氨去除效率有了明 显的提高。黄正【2 4 】等的富集、培养硝化细菌活性有机污泥，选用聚乙烯醇当做载 体，添加了适量粉末活性炭填埋固定化硝化细菌活性有机污泥，降解发酵含氮废 水，在经过微生物作用2 4 小时之后c o d 和b o d 的去除率为7 6 5 ，氨氮的去除 率达8 5 3 。h i s a s h i 2 5 】等对比了p v a 和海藻酸盐两种类型的材料固定化光合细菌 对鱼池水质的净化作用和反硝化反应的处理结果。其结果表明：固定化p v a 球比 海藻酸盐物质固定化小球对水质的净化能力更强。 s u s a n 等 2 6 】用固定化的硝化细菌去除对虾池中高浓度氨氮。其结果表明：固定 化微生物细胞能够很好去除池中的总氨氮，在投入的固定化颗粒密度较小时，也 第1 章绪论 能够获得较高的总氨氮去除率。目前固定化微生物技术在水产废水处理中的应用 主要为集中在室内模拟化的阶段。 硝化细菌是微生物硝化脱氮中起主要作用的微生物，直接影响着硝化反应的 结果和微生物脱氮处理的降解效率，但是在含氮发酵废水处理中硝化细菌的含量 比较低，因此开发硝化细菌的富集技术，增强硝化细菌的产率，在含氮发酵废水 微生物降解中有重大意义。 1 6 本课题的主要研究内容 以开发新型微生物脱氮降解工艺为核心，融合了固定化微生物细胞技术和工 艺。该技术经过高密度培养后，加入固定化细胞作为生物增强剂，含氮发酵废水 和微生物载体之间形成了稳定的流态，实现了在单位体积内含有较高的混合液悬 浮物和优良的微生物传递物质性。经过调控稳定溶解氧浓度、温度、p h 值和系统 中化学需氧量等工艺步骤和生产工艺参数，有针对性地调节微生物的生存环境， 使后段微生物反应系统中亚硝化型细菌、硝化型细菌和反硝化细菌维持优良的生 长繁殖状态，为增强硝酸盐氮、亚硝酸盐氮及其他有机污染物的脱除效率创造了 优良的条件，以期达到高效、经济地去除污染物的目的。 山东轻工业学院硕l j 学位论文 第2 章亚硝酸细菌的筛选和培养条件研究 2 1 引言 亚硝酸细菌的筛选、分离是在充分了解其生理生化特性的基础上，应用微生 物学技术的方法对活性污泥中活性比较高的细菌进行筛选，平板划线分离得到纯 菌落，在微生物的培养中，针对分离到的高活性菌株，利用富集培养和菌株驯化 来增大有效微生物的数量和增强其生物活性，为后续细胞的固定化做好充分的菌 种准备。菌种的筛选和分离，以及富集培养是极为重要的一个环节。 2 2 试验材料和设备 2 2 1 试验材料 硫酸铵、硫酸钠、a 萘胺、硫酸镁、硫酸铁、对氨基苯磺酸、磷酸氢二钾、磷 酸二氢钟、氯化钠、硫酸亚铁、硫酸铁、碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸钙：均为国产 分析纯级。 2 2 2 仪器设备 试验仪器生产厂家 p h s 一2 5 c w 型精密p h 计 往复式震荡培养箱 台式高速离心机 凯式定氮仪 紫外可见分光光度计 电热较高压蒸汽消毒器 d p 2 0 0 i i 微电脑调控稳定微生物化学培养箱 血球计数板 全自动电热蒸汽发生器( d z f z l 2 3 ) 电热恒温水浴锅( h h $ 2 1 - 4 ) 电热恒温鼓风干燥箱( d h g 9 1 4 0 ) f a 3 1 4 分析大平 上海般特仪器有限公司 德国b i i h l e r 公司 上海雷磁仪器厂 德国g e r h a r d t 公司 德国s a r t o r i u s 山东新华医疗器械厂 广东省医疗器械厂 山东新华医疗器械厂 上海佳田制造有限公司 上海精密仪器仪表有限公司 上海精宏试验设备有限公司 上海海康电子仪器厂 台式高速冷冻离心机( s u p e rt 2 1 )美国k e n d r o 仪器有限公司 烧杯；碱式滴定管( 5 0 m l ，最d , n 度0 1 m l ) ；移液管( 1 m l 、2 5 m l 、1 0 m l ) ： 碘量瓶( 2 5 0 m l ) ；酸式滴定管( 5 0 m l ) ；锥形瓶( 2 5 0 m l ) ；容量瓶( 1 0 0 m l 、1 0 0 0 m l ) ： 试剂瓶；称量瓶；量筒( 5 m l 、1 0 0 m l ) 等。 7 第2 章亚硝酸型细菌的筛选和培养条件研究 2 2 3 菌种来源 试验中应用的微生物生化活性有机污泥的菌种种泥取自济南市历下区污水处 理厂的曝气池。 2 3 氨氮的测定方法 2 3 1 氨氮的检测 ( 1 ) 定性测定方法【2 7 】： 氨氮的检n - 应用奈氏试剂来检测剩余氨的含量。 称取少量的目标培养物放在生化试管中，滴加数滴标准奈氏试剂，假如呈现 出黄色或者褐色的絮状沉淀则表明培养基中存在氨。 ( 2 ) 定量检测一纳氏试剂比色法： 本试验用的是纳氏试剂比色法。 实验反应原理：碘化汞溶液和碘化钾固体在碱性水溶液中跟氨发生化学反应， 生成一种淡红棕色的胶状态化合物，这个反应产物的颜色在较宽的波长范围内具 有比较强的吸收峰。通常用波长在4 1 0 至4 2 5 n m 范围进行测量，根据吸收值计算 氨氮的含量。 检测方法：量取2 5 m l 水样加到5 0 m l 比色管中，稀释到比色管刻度，充分摇 匀，加入l m l l 5 酒石酸钾钠的水溶液，摇匀，然后加入1 o m l 纳氏试剂溶液，充 分摇匀。静置1 0 m i n ，然后用7 2 1 型分光光度计测定吸光度( 波长在4 2 0 n m 处) ： 使用光程为2 0 m m 的比色皿，检测溶液的吸光度值。 记录试验测得的数据，然后从标准曲线上查得氨氮含量。在整个的检测过程 中，稀释水样的水和试剂配置的用水都必须是高纯度的去离子水。 2 3 2 亚硝酸盐氮检测 ( 1 ) 对亚硝酸盐氮进行定性检测 亚硝酸盐氮的定性检测【2 8 】：用吸管吸取2 - 5 滴培养物营养液逐滴添加在比色 瓷盘的反应小室内，添加碘液、淀粉试剂和锌离子溶液( 例如氯化锌溶液) 共3 滴及2 0 硫酸溶液l 滴，混匀后，假如立刻显浅蓝色或深蓝色，这就说明存在一种 硝化反应的作用，培养基中的氨氮己转化成为亚硝酸盐氮。 ( 2 ) 对亚硝酸盐氮进行定量检测 亚硝酸盐氮的检测，本实验采用的是a 一蔡胺分光光度法，此法简便，准确度较 高。 测定的基本原理是：a 蔡胺和对氨基苯磺酸在酸性的环境下，能够与亚硝酸根 离子发生化学显色反应，充分反应后生成一种叫红色偶氮的化学染料，这种燃料 的色度和亚硝酸根的浓度里正比例关系，因此可以根据色度的不同而检测出亚硝 酸盐氮的含量。 山东轻工业学院硕l ：学位论文 检测方法：量取2 5 m l 的水样加到5 0 m l 比色管中，添加去离子水，将溶液稀 释至比色管的刻度线。再加入1 0 m l 的显色剂溶液，充分摇匀，在水平的试验台 上静置半小时，然后将7 2 1 型分光光度计的波长调到5 2 0 n m 波长处，用光程为l o 毫米的比色皿，测定溶液的吸光度大小。根据试验数据，从标准曲线上查出亚硝 酸盐氮的含量。 2 3 3 硝酸类盐氮检测 ( 1 ) 对硝酸类盐氮进行定性检测 硝酸类盐的检测【2 9 】：苯胺一h 2 s 0 4 反应。在比色瓷盘反应小室中逐滴添加硝 化细菌培养物，加浓h 2 s 0 4 和苯胺各2 滴，如果显现浅蓝色或深蓝色说明亚硝酸 盐氮已经被氧化成了硝酸类盐。 ( 2 ) 对硝酸类盐氮进行定量检测 实验检测的反应原理：反应实在一定浓度的h 2 s 0 4 才能进行的，硝酸类盐和 具有麝香味道的草酚化合物作用形成了硝基酚类型的化合物，放到显碱性的水溶 液中，让化合物分子重新排列，从而就形成了黄色化的一种化合物。这种化合物 对4 2 5 n m 下的光有极强的吸收作用，将反应物进行比色测定，与标准曲线对比， 查数据表，得到检测结果。 检测方法【3 0 】：量取少量的水样加到预先干燥过的2 5 m l 比色管中，并且用去 离子水补至1 0 m l 。添加0 1 m l 2 氨基磺酸铵水溶液，静置5 m i n 。从管中央添加 0 2 m l 0 5 麝香草酚无水乙醇水溶液，加2 0 m l 的1 1 硫酸银h 2 s 0 4 水溶液( 1 0 9 硫酸银溶于1 0 0 m l 浓h 2 s 0 4 中) ，充分摇匀静置5 m i n 。添加8 m l 去离子水，充分 混合之后添加高浓度氨水，直至颜色呈现黄色，继续滴加时颜色不再加深并且氯 化银沉淀完全能够溶解再停止，这个反应过程大约需要1 0 m l 左右的溶液。在 4 2 5 n m 波长处检验和测定其吸光度值。从专业标准曲线上查找得到硝酸类盐氮含 量。 这个检验和测定方法用氨基磺酸去掉亚硝酸盐氮的影响，用含有硫酸银的浓 硫酸溶液可以去掉氯化物的影响，使检测结果更准确。 2 3 4 活性有机污泥性能检测 ( 1 ) 活性有机污泥沉降体积比值( s 在曝气仪器中量取混合均匀的生物活性污泥1 0 0 m l 加到1 0 0 m l 的量简中，在 量筒中静置3 0 m i n 之后，在活性污泥的应用中，沉降的活性有机污泥所占整个混 和液的体积比即为活性有机污泥沉降体积的比值。 ( 2 ) 活性有机污泥浓度( m l s s ) 是指混合曝气池中每一个单位体积混合液含有 的悬浮固体的质量( 或重量) 。 测定污泥的沉降体积的比值，然后用量筒量取1 0 0 m l 用漏斗进行过滤，将过 9 第2 章哑硝酸型细菌的筛选和培养条件研究 滤后载有活性有机污泥的滤纸放于电热干燥烘箱中，加热到1 0 5 c , - , 一1 1 0 温度下 烘干至恒重，放置到干燥器中充分冷却至室温在进行称重，记录数据。 则：活性有机污泥浓度的计算公式为： m l s s ( g l ) =