（环境工程专业论文）双泥折流板反硝化除磷工艺硝化菌的fish检测研究.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o no fs u z h o uu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys c l e n c ea n dle c n n 0 1 0 9 v i n v e s t i g a t i o n o nt h ef i s hd e t e c t i o no ft h e n i t r i f y i n gb a c t e r i ai nt w o s l u d g eb a m e d r e a c t o r m a s t e rc a n d i d a t e ：x us o n g y u s u p e r v i s o r ：s o n gy i n l i n g s u d e r v l s 0 r ：s 0 n 2yl n 一- l n 2 m a j o r ： e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g s u z h o uu n i v e r s 时o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y s c h o o lo fe n v i r o l l l n e n t a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g j u n e ，2 0 1 1 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者躲辎慨业年月卫日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文的复 印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于收集、保 存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学 校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用 影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文：同意学校在不以赢利为目的 的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：绉盔坌丝扫期：! 出年l 月j 芝日 指导教师签名：痞诟屹日期：年后月 苏州科技学院硕十学f 移论文摘要 摘要 本论文采用双泥折流板反应器对生活污水进行反硝化除磷研究，并引入荧光原位 杂交技术( f l s h ) 对反应器生物膜中硝化细菌进行检测，研究硝化细菌的相对丰度 及变化。 本研究首先在m b b r 反应器中进行好氧挂膜，研究其处理效能并对生物膜中硝 化细菌进行f l s h 检测；然后将培养好的反硝化除磷菌与好氧生物膜投入到双泥折流 板反应器中的不同隔室内，连续进水，运行该工艺。本文研究了不同运行参数对反硝 化除磷效果的影响，并通过f l s h 检测好氧隔生物膜中的硝化细菌。 结果表明，水力停留时间和硝化液回流比均会影响反硝化除磷的效果，水力停留 时间对好氧隔硝化效能影响较大，硝化液回流比对其影响很小。通过f i s h 检测分析， 反应器不同运行阶段好氧生物膜中硝化细菌( 包括氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌) 的相 对丰度也不同，水力停留时间对好氧生物膜中硝化细菌的影响较大，硝化液回流比对 好氧生物膜中硝化细菌的影响较小。当水力停留时间为1 2 8 h 、硝化液回流比为2 8 0 、 污泥回流比为9 0 时反硝化除磷效果较佳。当进水氨氮浓度为3 4 9 l 4 6 1 7 m g l 、c o d 浓度为1 9 6 7 2 7 6 7 m g l 、正磷浓度为4 3 5 7 m g l 时，反应器对总氮、c o d 、正磷 酸盐的去除率分别为6 8 、7 l 、8 5 ；好氧隔对氨氮有较好的去除，出水氨氮浓度 几乎为0 ，氨氮去除率达到9 8 以上。此时，氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的相对丰度 分别为2 4 、1 5 ，硝化菌占总真菌数的3 9 以上，系统具有良好的硝化效能。 关键词：反硝化除磷、荧光原位杂交、生物膜、硝化细菌、影响因素 苏州科技学院硕- j 学f 节论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i n t h i st h e s i s ，t w o s l u d g eb a 用e dr e a c t o ri su s e df o rt h es t u d yo fd e n i t r i 矽i n g p h o s p h o n j sr e m o v a l a n dt h ef l u o r e s c e n c ei ns i t uh y b r i d i z a t i o n ( f l s h ) i su s e dt od e t e c t n i t r i 毋i n gb a c t e r i ai nb i o 行l m so ft h er e a c t o rt 0s t u d yt h er e l a t i v ea b u n d a n c eo fn i t r i f y i n g b a c t e r i aa n dt h e i rc h a n g e f i r s t ，t h es t a r t u pt e s to fa e r o b i cb i o n l mi sc u l t u r e di nm b b r ，t h ep r o c e s s i n g p e r f b m a n c eo ft h eb i o n l mi ss t u d i e da n dn i t r i f - y i n gb a c t e r i ai sd e t e c t e db yf l s h a n dt h e n p u tt h ec u l t u r e dd e n i t r i 母i n gp h o s p h o r u sr e m o v a lb a c t e r i aa n dt h ec u l t u r e da e r o b i cb i o n l m i n t od i 伺陪r e n tc o m p a n m e n t so ft h et w o - s l u d g eb a f n e dr e a c t o rw h i c hi so p e r a t e du n d e r c o n t i n u o u si n f l u e n t i nt h i sp a p e r ，t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n to p e r a t i o np a r a m e t e r so nt h e i m p a c to fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a li ss t u d i e da n dn i t r i f y i n gb a c t e r i ao fb i o f i l mi n t h ea e r o b i cc o m p a n m e n ti sd e t e c t e db yt h ef i s h t h er e s u l t ss h o wt h a th i u a n dt h ep e r c e n to fn i t r a t i o nr e f l o ww i l la f f e c tt h er e s u l t so f d e n i t r i 母i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l h f u h a sg r e a t e ri m p a c to nt h en i t r i n c a t i o no ft h ea e r o b i c c o m p a r t m e n tc o m p a r i n gw i t ht h ep e r c e n to fn i t r a t i o nr e f l o w ，w h i c hh a sl i t t l e e a e c to ni t d e t e c t e d b yf is ha n a l y s i s ， t h er e l a t i v ea b u n d a n c eo fn i t r i f y i n gb a c t e r i a( i n c l u d i n g a m m o n i ao x i d i z i n gb a c t e r i aa n dn i t r i t e - o x i d i z i n gb a c t e r i a ) o nt h ea e r o b i cb i o n l m sa r e d i f 俺r e n ti nd i a e r e n to p e r a t i o ns t a g e so ft h er e a c t o r h i 乇th a sg r e a t e ri n l p a c to nt h e n i t r i f y i n gb a c t e r i ao ft h ea e r o b i cb i o n l m st h a nt h ep e r c e n to fn i t r a t i o nr e f l o w ，w h i c hh a s l i t t l ee f r e c t w h e nh r ti s12 8 h ，t h ep e r c e n to fn i t r a t i o nr e f l o wi s2 8 0 ，t h es l u d g er e t u m r a t i oi s9 0 ，t h er e a c t o rp e 晌r m sb e s t w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i an i t r o g e ni s c o n t r o l l e da t3 4 9l 4 6 17 m g l ，c o di sl9 6 7 2 7 6 7 m g la n dt h e c o n c e n t r a t i o no f p h o s p h o r u si s4 3 5 7 m g l ，t h er e a c t o rc a nr e m o v ea b o u t6 8 t o t a ln i t r o g e n ，7l c o d ， a n d8 5 p h o s p h o r u s t h ea e r o b i cc o m p a r t m e n th a sg o o dr e m o v a lo fa m m o n i a ，t h e e f 玎u e n ta m m o n i ac o n c e n t r a t i o ni sa i m o s t0 ，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 d 9 8 9 乞o rm o r e a tt h i st i m e ，t h er e i a t i v ea b u n d a n c eo ft h ea m m o n i ao x i d i z i n gb a c t e r i aa n d t h en i t “t e - o x i d i z i n gb a c t e r i ai sa b o u t2 4 a n dl5 ，r e s p e c t i v e l y n i t r i f y i n gb a c t e r i a o c c u p ya b o u t3 9 o ft h e t o t a le u b a c t e r i an u m b e r n i t r i n c a t i o n s y s t e m h a sag o o d p e r f o n n a n c e k e y w o r d ：d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v i n g ，f l u o r e s c e n c ei ns i t uh y b r i d i z a t i o n ( f i s h ) ， b i o f i l m ，n i t r i f y i n gb a c t e r i a ，i n f l u e n c ef a c t o r s 苏州科技学院硕十学 论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题背景。l 1 2 生物脱氮原理。2 1 2 1 生物硝化作用及其影响因素2 1 2 2 生物反硝化作用及其影响因素5 1 2 3 生物反硝化除磷原理6 1 3 生物脱氮工艺研究进展8 1 3 1 传统生物脱氮工艺8 1 3 2 生物脱氮新工艺9 1 4 荧光原位杂交技术在硝化微生物生态学中的研究应用1 0 1 4 1 概述10 1 4 2 荧光原位杂交技术的原理1 l 1 4 3 硝化细菌分类及其探针12 1 4 4 荧光原位杂交技术在硝化细菌检测中的研究应用1 3 1 5 研究目的、意义与内容：1 3 1 5 1 研究目的与意义1 3 1 5 2 研究内容14 1 5 3 技术路线15 第二章f i s h 技术检测好氧生物膜中硝化菌的杂交条件优化1 6 2 1f i s h 方法中常用仪器及试剂1 6 2 1 1f i s h 法中使用仪器1 6 2 1 2f i s h 法中使用试剂及配制方法1 6 2 2 好氧生物膜的培养19 2 2 1 试验装置19 2 2 2 试验用水与接种污泥及启动2 0 2 2 3 挂膜试验结果2 l 2 3 同步双色荧光原位杂交条件优化及结果2 3 2 3 1 荧光探针。2 3 2 3 2 f i s h 检测步骤2 3 2 3 3 同步双色荧光原位杂交条件优化2 4 2 3 4 同步双色荧光原位杂交试验优化结果2 6 2 4 好氧生物膜培养过程中硝化菌的f i s h 分析2 8 2 5 本章小结3 0 苏州科技学院硕十学化论文目录 第三章双泥折流板反硝化除磷系统启动期好氧生物膜硝化菌的 f i s h 分析31 3 1 试验材料与方法3 1 3 1 1 试验装置3l 3 1 2 试验用水及接种污泥3 2 3 1 3 检测项目及分析方法。3 2 3 2 双泥折流板反硝化除磷系统启动期好氧生物膜硝化茵的f i s h 分析3 2 3 2 1 双泥折流板反硝化除磷系统的运行启动3 3 3 2 2 启动阶段好氧硝化膜中硝化菌的f l s h 检测3 7 3 3 本章小结3 8 第四章系统运行参数对好氧生物膜运行效果的影响及硝化菌的 f i s h 分析3 9 4 1 水力停留时间对后置好氧生物膜运行效果的影响及其f i s h 分析3 9 4 1 1 水力停留时间对后置好氧生物膜处理效能的影响3 9 4 1 2 水力停留时间对好氧生物膜中硝化菌的影响4 2 4 2 硝化液回流比后置好氧生物膜运行效果的影响及其f i s h 分析4 4 4 2 1 硝化液回流比对后置好氧牛物膜处理效能的影响4 4 4 2 2 硝化液回流比对好氧生物膜中硝化菌的影响4 6 4 本章小结4 9 第五章结论与建议5 0 5 1 结论5 0 5 2 建议5 0 参考文献：51 苏州科技学院硕十学f 论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着我国社会经济的快速发展，工业化和城市化程度的不断提高，工业废水和生 活污水的排放量日益增加，严重影响了人民的生活质量和身体健康，制约着我国经济、 社会和环境的可持续发展。其中氮、磷是导致环境污染的主要因素之一。大量氨氮废 水、含磷废水排入水体，不仅造成水体富营养化、引起水体黑臭，而且将增加给水处 理的难度和费用，甚至对人体和生物产生毒害作用【lj 。氮化合物是营养物质，但过多 的氮化合物流入水体将恶化水体质量，危害农业、渔业、旅游业等诸多行业，并对饮 水卫生和食品安全构成巨大威胁【2 一j 。 氮污染的主要危害有： ( 1 ) 氨氮流入水体会因为硝化作用而耗去大量的溶解氧，氨氮在硝化细菌作用 下被氧化为硝酸盐，氧化1 m g 的氨氮为硝酸盐要消耗水体中的溶解氧4 5 7 m g 。 ( 2 ) 氮化合物对人体和生物有毒害作用。硝酸盐和硝酸盐都有可能转化为亚 硝胺，而亚硝胺是致癌、致突变和致畸物质，对人体有潜在的威胁。饮用水中硝态氮 超过1 0 m g l 就会引起婴儿高铁血红蛋白症，亚硝酸盐可使血红素中的f e 2 + 转化为f e 3 + 而失去结合氧的能力。水中亚硝酸盐氮超过l m g l 时。会使水生生物的血液结合氧的 能力下降；超过3 m g l 时，可在2 4 9 6 h 致使鱼类死亡。 ( 3 ) 藻类的代谢会使水体变色并产生难闻的臭味，影响感观；水体富营养化后， 藻类的大量繁殖还将降低水的质量，影响水上运动；由于富营养化，水体中藻类大量 繁殖，许多藻类能分泌出有毒的代谢产物，存在于水体中及水生动物体内，人食用后 可引起间接的中毒现象。此外，死亡藻体的分解消耗水中大量溶解氧，进而对水生动 物造成危害，形成恶性循环，破坏水生生态系统：作为自来水水源的湖泊水库，由于 藻类的繁殖及其代谢产物造成自来水过滤池的堵塞和过滤效率降低；并产生潜在的毒 性物质，给水的净化处理带来许多困难。 ( 4 ) 氨氮与氯作用生成氯胺，并被氧化为氮。当以含有较高的氯胺浓度的水体 作为水源或对氨氮含量较高的污水厂出水进行消毒时，要增加氯的消耗量。为了在“折 点”后达到氯化而形成较有效的自由氯，因此，如水中多存在l m g l 的氨氮就需要多 投加7 l o m g l 的氯。 氮污染已经成为全球性的水污染问题。氮污染不仅使水体丧失应有功能，而且使 水体生态环境向不利于人类发展的方向演变。最终影响经济建设和社会发展。因此， 氮污染的治理受到国际社会和众多国家的关注和重视1 3 母j 。 1 苏州科技学院硕十学化论文第一章绪论 1 2 生物脱氮原理 废水生物脱氮的基本原理即先将废水中的有机氮转化为氨氮，然后通过硝化作用 将氨氮转化为硝态氮，最后通过反硝化作用将硝态氮转化为气态氮从水中逸出，从而 达到从废水中脱氮的目的1 10 1 。 1 2 1 生物硝化作用及其影响因素 1 2 1 1 硝化反应 硝化反应是将氨氮转化为硝酸盐氮的过程，硝化反应是由一群自养型好氧微生物 完成的，包括两个步骤：第一步是由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐( n 0 2 。) ，称为 亚硝化反应。第二步则是由硝酸菌将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐( n 0 3 。) ，称为硝 化反应。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌，都是化能自养菌。这类菌利用无机碳化合 物( 如c 0 3 2 、h c 0 3 。和c 0 2 ) 作碳源，从n h 3 、n h 4 + 或n 0 2 的氧化反应中获取能量， 两项反应均需在有氧的条件下进行。两类硝化菌的特征如表1 1 。 表1 1 硝化菌的基本特征1 t 曲l e1 lc h a r a c t e r s t i c so fn i t r i 匆i n gb a c t e r i a 由表1 1 可见，亚硝酸菌和硝酸菌的特性大致相似，都是好氧自养菌，必须在有 充足溶解氧的条件下才能生长。但前者的世代期较短，生长率较快，因此较能适应冲 击负荷和不利的环境条件。当硝酸菌受到抑制的时候，有可能出现n 0 2 积累的现象。 亚硝化反应和硝化反应可用下列反应式表示【1 2 j ： 亚硝化反应： m ? + 1 5 d 2 _ 旧；+ h 2 0 + 2 日+ ( 1 1 ) g = 2 7 5 k j m o l 2 苏州科技学院硕- ：学 江论文第一章绪论 硝化反应： 晖+ o 5 d 2 专何 ( 1 2 ) g = 7 4 k j m o l 硝化总反应： m ：+ 2 d 2 _ f + 日2 d + 2 日+ ( 1 3 ) g = 3 4 9 k j m o l g 0 ，说明该反应可以自发进行，亚硝酸茵和硝酸菌在有氧条件下利用吉布 斯自由能合成细胞。由于硝化细菌是自养细菌、世代周期长，因此增殖速度很缓慢。 硝化细菌增殖的动力学参数。和k s 一般比异养菌的小1 个数量级以上。有研究表明， 在稳态下，与氨氮氧化为亚硝酸盐氮相比，亚硝酸盐转化为硝酸盐的速度很快，所以 硝化反应过程中一般很少有亚硝酸盐的积累，而亚硝酸细菌将氨氮转化为亚硝酸盐是 限速步骤。 1 2 1 2 硝化微生物研究进展 硝化细菌( n i t r i f y i n gb a c t e r i a ，o rn i t r i f i e r ) 是一大类在自然界氮素循环中扮演着 重要角色的菌群，它们能够通过硝化作用把氨氮转化为亚硝酸盐，然后再把亚硝酸盐 转化为硝酸盐。硝化细菌是历史上最早发现的表现为化能无机自养型的一类微生物。 w i n o g r a d s k y 在1 9 世纪末就发现了硝化细菌的存在，但在过去近百年里一直没有引起 人们的关注。直到最近十几年，人们才开始注意到硝化细菌在自然界中的重要性，然 而只有极少数的硝化细菌可以进行富集、纯化培养，大多数的硝化细菌很难进行纯培 养，所以硝化细菌还有很多未知的领域等待人们去研究。 目前，已知的化能无机自养型的硝化细菌都不能将氨直接氧化成硝酸盐。将氨氮 氧化为硝态氮的过程是2 类不同细菌共同作用的结果【”1 。一类是氨氧化菌，即亚硝酸 细菌，它们将氨氮转化为亚硝酸盐；另一类是亚硝酸氧化菌，即硝酸细菌，它们将亚 硝酸盐氧化为硝酸盐。由于基质上的联系，人们一直把亚硝酸细菌和硝酸细菌联系在 一起，并且都把它们归入硝化杆菌科( n i t r o b a c t e m c e a e ) 。 然而，随着分子生物学技术的发展进步，通过对已纯化培养得到的硝化细菌的1 6 s r i 酬a 基因的序列进行分析研究，发现亚硝酸细菌和硝酸细菌从系统发育角度来讲不 属于同一类，而是分属于p r o t e o b a c t e r i a 的a 、b 、y 和64 个亚类【1 4 1 引。p r o t e o b a c t e r i a 是细菌中最大的类群，也是最具生理多样性的类群。因此，从系统发育的角度来看， 硝化细菌的分类如下： ( 1 ) 氨氧化菌 一直以来，从细胞形态学上，氨氧化菌被分为5 个类别( 属) 1 1 6 】：亚硝化单胞菌 属( n i t r o s o m o n 嬲) ，弧硝化球菌属( 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 ) ， 亚硝化弧菌属( n i t r o s o v i b r i o ) 和亚硝化叶菌属( n i t r o s o l o b u s ) 。最近，根据氨氧化 3 苏州科技学院硕十学化论文 第一章绪论 菌的1 6 sr r n a 基因序列的比较分析，将亚硝化叶菌属，亚硝化弧菌属和亚硝化螺菌 属都归为n i t r o s o s p i r a 属。除了亚硝化球菌属以外，其他几个属的1 6 sr r n a 测序表明， 他们都属于b p r o t e o b a c t e r i a 亚类( s u b c l a s s ) 。而且亚硝化球菌属本身从多态性上分析同 源性也很低，它的一个代表种n i t r o s o c o c c u sm o b i l i s 属于b p r o t e o b a c t e r i a 亚类，而另一 个代表种n i t r o s o c o c c u so c e a n i 则属于y p r o t e o b a c e r i a 亚类【17 1 。目前，只有在海洋环境 中发现了集中属于y p r o t e o b a c e r i a 亚类的氨氧化菌，还未在土壤和新鲜水体中发现。 从系统发育学角度可以看出，除了亚硝化球菌属以外，其他属的1 6 sr r n a 的序列同 源性非常高，都属于b p r o t e o b a c t e r i a 亚类，所以氨氧化菌被认为是单源的，即从同一 个祖先进化而来的。氨氧化菌1 6 sr r n a 的保守性为其在分子生态学方面的研究提供 了良好的条件【i 引。 ( 2 ) 亚硝酸盐氧化细菌 硝酸细菌分为四种不同的类群，硝酸菌属( n i t r o b a c t e r ) 属于p r o t e o b a c t e r i a 的q 亚类、硝化球菌属( n i 们c o c c u s ) 和硝化刺菌属( n i 仃o s p i n a ) 归属于p r o t e o b a c t e a 的 y 和6 亚类、硝化螺旋菌属( n i t r o s p i m ) 属于硝化螺旋菌门。基于超显微结构的描述， 分类学家将亚硝酸盐氧化菌分为硝化杆菌属、硝化刺菌属和硝化球菌属。进一步对它 们的1 6 sr r n a 基因序列进行比较，硝化杆菌属属于p r o t e o b a c t e r i a 的q 亚类，包含4 个 种： n i t r o b a c t e r “n o g r a d s k y i ， n i t r o b a c t e r h a m b u 唱e n s i s ， n i t r o b a c t e rv u l g a r i s 和 n i t r o b a c t e ra l k a l i c u s ：硝化刺菌属州i 仃o s p i n a ) 和硝化球菌属( n i t r o c o c c u s ) 属于 p r o t e o b a c t e r i a 的y 和6 亚类。 1 2 1 3 硝化作用的影响因素 ( 1 ) 温度 硝化反应可以在4 4 5 的温度范围内进行。亚硝酸菌的最佳生长温度为3 5 ，硝 酸菌的最佳生长温度为3 5 4 2 。温度不但影响硝化细菌的比增长速率，而且影响硝 化细菌的活性。大致上来说，亚硝酸菌的最大比增长速率队值与温度的关系服从 a 砷e n i u s 方程，即温度每升高1 0 ，m 值增加一倍。在5 3 5 的范围内，硝化反应速 率随温度的升高而加快。但到3 0 时增加幅度减少，这是因为当温度超过3 0 时，蛋 白质的变性降低了硝化细菌的活性。当温度低于5 时，硝化菌的生命活动几乎停止。 同时具有去除有机物和硝化作用的系统，温度低于1 5 时即发现硝化速率急剧下降。 低温对硝化菌的抑制作用更加强烈，因此在低温1 2 1 4 时常出现亚硝酸盐的积累。 ( 2 ) 溶解氧 硝化反应是好氧反应，必须在好氧条件下进行，氧气( 0 2 ) 是硝化反应的电子受 体，因此反应器中溶解氧( d o ) 浓度的将会影响硝化反应的速率。一般应维持混合 液的溶解氧浓度为2 3 m g l ，溶解氧浓度为0 5 o 7m l 是硝化细菌可以忍受的极限。 在同时去除有机物和进行硝化反应的系统中，硝化细菌一般位于污泥絮体内部或生物 4 苏州科技学院硕十学f 妒论文第一苹绪论 膜内层，d o 浓度的增加将会提高d o 对生物絮体的穿透力，因此增大d o 浓度对硝化 反应有利。在生物膜反应器中，由于生物膜内部存在d 0 扩散阻力，因此硝化反应所 需要的d 0 浓度要比活性污泥法高。 ( 3 ) p h 值 p h 值对硝化反应有很大影响，硝化反应的最佳p h 值为7 5 8 5 。当p h 值不在此范 围内时，硝化速率将明显降低；低于6 和高于9 6 时，硝化反应将停止进行。根据生物 硝化反应的计量式，每氧化l g 氨氮需消耗碱度7 1 4g ( 以c a c 0 3 计) 。一般污水对硝化 反应来说，碱度常常是不够的，因此必须投加碱度来维持适宜的p h 值，保证硝化反 应的正常进行。 ( 4 ) 污泥龄( s r t ) 为保证连续流反应器中的硝化细菌能在反应器中存活并维持一定的数量，反应器 中污泥的污泥龄必须大于硝化细菌的最小世代时间，硝化菌的最小世代时间即其最大 比增长速率的倒数。硝化细菌的能量利用能力较差，一般只能利用氧化n h 4 + - n 和 n 0 2 - - n 所产能量的5 1 4 ，因此其生长率比异样型细菌低一个数量级。实际运行 过程中，应控制污泥龄为硝化细菌最小世代时间的2 倍以上，并不得小于3 d ，较长 的污泥龄可以增强硝化反应的能力，并能够减轻有毒物质的抑制作用。 ( 5 ) c n 比 废水中c n 比是影响生物硝化反应的重要因素，c n 比的不同会影响到异养菌与 硝化细菌竞争底物和溶解氧，而硝化菌的产率低、比增长速率小，一般在活性污泥系 统中，硝化细菌只占活性污泥中微生物的5 左右。c n 比越高，异养菌所占比例越 大，因此硝化反应一般在较低的c n 比下进行。一般认为，当b o d 负荷低于o 1 5 9 b o d 5 ( g m l s s d ) 时，硝化反应才能正常进行。 1 2 2 生物反硝化作用及其影响因素 i 2 2 1 反硝化反应 生物反硝化过程是指将硝酸盐( n 0 3 ) 和亚硝酸盐( n 0 2 ) 还原成氮气( n 2 ) 或 n 2 0 、n o 的生物反应过程【1 9 】，能够进行反硝化作用的细菌称为反硝化细菌。反硝化 过程中亚硝酸盐和硝酸盐的转化是通过反硝化菌的同化作用和异化作用共同完成的。 它们多数是兼性细菌，有分子态氧的时候，反硝化菌氧化分解有机物，利用分子氧作 为最终电子受体。在无分子氧时，反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的n 5 + 和 作为 电子受体，0 2 作为受氢体生成h 2 0 和o h 。碱度，有机物则作为碳源和电子供体提供能 量并得到氧化。 反硝化菌是异养细菌，其比增长速率比硝化菌大得多，一般与好氧异养菌的比增 长速率接近。反硝化反应的饱和常数k d 很小，约为0 1 0 2 m g l ，因此n 0 3 。浓度对反 5 苏州科技学院硕十学f 节论文第一章绪论 硝化速率几乎没有影响，当反硝化过程有机碳源充足时，反硝化速率与n 0 3 。浓度呈零 级反应。 1 2 2 2 反硝化作用的影响因素 ( 1 ) 溶解氧 反硝化菌是兼性厌氧菌，既能进行有氧呼吸也能进行无氧呼吸，但溶解氧过多， 将会对反反硝化反应产生抑制作用。溶解氧对反硝化的抑制主要是因为氧会与硝酸盐 竞争电子供体，还会抑制反硝化菌合成无氧呼吸的酶。一般在活性污泥法反硝化系统 中，缺氧段的溶解氧应保持在o 5 m g l 以下，反硝化反应才能正常进行。而在生物膜 法反硝化系统中，由于生物膜内部存在d o 浓度梯度，可以允许较高的溶解氧浓度。 ( 2 ) 碳源 反硝化细菌是异养细菌，在进行反硝化反应需要有机碳源。理论上计算，还原 1 9 n 0 3 。- n 需要消耗碳源有机物( b o d 5 ) 2 8 6 9 。废水生物处理的有机碳源主要有三类： 即废水中本身所含的有机碳源、内碳源和外加碳源。一般来说，当废水中b o d 5 厂r k n 值大于4 6 时，即可认为碳源充足；b o d 5 厂r k n 值小于4 6 时，碳源不足，需要另外投 加有机碳源。内碳源主要是指微生物死亡、自溶后释放出来的有机碳，利用内碳源的 反硝化速率与上述的利用碳源方法相比要小的多。 ( 3 ) p h 值 反硝化反应最适宜的p h 值为6 5 ，7 5 ，不适宜的p h 值会影响反硝化菌的生长速率 和反硝化酶的活性。当p h 值不在最佳范围内，反硝化速率降低。当p h 值低于6 0 或高 于8 0 ，反硝化反应将受到强烈抑制。另外，反硝化反应会产生碱度，这有助于将p h 值保持在所需范围内。根据理论计算，还原l g n 0 3 。- n 为n 2 会产生碱度( c a c 0 3 计) 3 5 9 。 ( 4 ) 温度 温度对反硝化速率的影响遵从阿伦尼乌斯( a 1 1 r h e n i u s ) 方程，不同类型的反硝化 设备中反硝化速率受温度影响程度有一定的差别。对反硝化作用来说，最适宜的运行 温度为3 5 4 5 ；低于1 5 时，反硝化速率将明显下降，而在5 以下时，反硝化过程 虽能进行，但速率极低。 1 2 3 生物反硝化除磷原理 目前，国际普遍认可和接受的生物反硝化除磷理论是聚磷菌吸磷、释磷的原理： 在厌氧、缺氧交替运行的条件下培养驯化出聚磷的一类微生物，它能够以硝酸盐、亚 硝酸盐、氧气作电子受体：其聚磷菌体内的p h b 和糖原质的生物代谢原理与传统o 法中的p a o s 非常相似【2 0 1 。反硝化除磷过程中厌氧释磷和缺氧吸磷两个过程的代谢模 式如图卜l 所示【2 。 6 苏州科技学院硕十学化论文第一章绪论 ：能量 ：糖原 p 0 4 3 。- p 苫：箸簇嚣饔 厌氧环境：放磷、贮碳 p 0 4 3 p 缺氧环境：耗碳、摄磷 n 0 3 n 2 图1 1 聚磷微生物放磷、聚磷机理 f i g 1 - lt h es c h e m a t i cd i a g r 锄o fb i o l o g i c a lp h o s p h o r 吣r e m o v a lo 喀a n i s m s 在厌氧过程中，p a o s 水解体内的a t p 形成a d p 和能量，同时将胞内的多聚磷酸盐 ( p o l y 。p ) 分解掉，以无机磷酸盐( p 0 4 孓) 的形式释放出。同时p a o s 利用发酵产物 ( n a d h 2 ) 和能量摄取废水中的有机物来合成大量有机颗粒p h b ，储存在细胞体内。 此时表现的是磷的释放，其反应方程式为： 彳冲+ 日，d 专彳御+ 日，尸q + 能量 ( 1 4 ) 在缺氧过程中，p a o s 利用氧化分解n 0 3 。离子分解体内贮存的p h b 产生的能量来 完成繁殖代谢作用；而a d p 获得这个能量，可以用来合成a t p ；同时p a o s 超量吸收污 水中的磷酸盐来合成p o l y p 及糖原等有机颗粒贮存在细胞体内，此时反映出的是磷的 吸收，其反应方程式为： 彳d p + 眠p d 4 + 能量一a t p + 日2 d ( 1 5 ) 在厌氧状态下，细菌将储存的多聚磷酸盐水解为a t p ，提供能量，并使细胞体内 的乙酸活化产生乙酰c o a 。一部分乙酰辅酶a 可以转化为p h b 。在厌氧条件下，聚 磷菌体内有大量p h b 迅速合成。m i n o ( 1 9 8 7 ) 提出内源糖通过e m p 途径( 酵解途 径) 降解，获得的能量用来吸收醋酸以合成p h b ，反硝化聚磷菌在厌氧段降解内源 糖的反应方程式式为： c h 2 0 + o 0 8 3 c 6 h 1 0 0 5 ( c h ) + 0 4 4 h p 0 3 厶+ o 0 2 3 h 2 0 = 1 3 3 c h l5 0 0 5 ( p h b ) + 0 17 c 0 2 + 0 4 4 h 3 p 0 4 ( 1 6 ) 进入缺氧区后，反硝化聚磷菌消耗大量内含物p h b 颗粒和外源基质，产生质子 移动力。为了维持质子移动力的恒定，聚磷菌通过消耗质子移动力，把胞外的磷以中 性或电阳性的形式主动运输到细胞体内合成a t p 和聚磷酸盐。在好氧状态下，细菌 将体内储存的p h b 降解代谢，为生物合成提供碳，并通过t c a 循环生成a t p ，为合 成细胞物质、细胞活动以及聚磷酸盐的大量合成提供能量【2 2 2 3 1 。 7 苏州科技学院硕十学化论文第一章绪论 1 3 生物脱氮工艺研究进展 1 3 1 传统生物脱氮工艺 ( 1 ) 两级污泥系统的生物脱氮工艺 两级污泥系统的生物脱氮工艺由硝化和反硝化两个阶段组成，首先通过好氧硝化 阶段产生硝酸盐氮，然后在缺氧条件下进行反硝化脱氮，该工艺的主要特点是硝化池 在反硝化池之前【2 4 】。 ( 2 ) 缺氧好氧( 们) 法 d 法脱氮工艺主要特点是将反硝化阶段放在系统之首，故称之为“前置式反硝 化生物脱氮系统”，这是目前采用较为广泛的一种生物脱氮工引2 5 】。 ( 3 ) 氧化沟法脱氮工艺 在活性污泥法中，氧化沟系统如果经过周密考虑与设计，且运行得当是具有脱氮 功能的。氧化沟的污泥龄长达1 5 3 0 d ，为传统活性污泥系统的3 6 倍，在其中能够存 活世代时间长的硝化菌。将氧化沟内划分成好氧区、缺氧区，并按其进行适当的运行， 能够取得硝化与反硝化的效果。废水中的有机物可作反硝化反应的碳源：而在好氧区 内，有机污染物为好氧细菌所分解，n h 4 + - n 经硝化反应形成n 0 3 。n ，后者则在缺氧 区在反硝化反应的作用下，还原为气态氮，逸出系统，达到脱氮的效果。 ( 4 ) 序批式活性污泥法( s b r ) 脱氮工艺 序批式活性污泥法是由进水、反应、沉淀、出水、待机等五个操作阶段构成的周 期性运行的废水处理工艺【2 酬。它的主体反应器兼有曝气池与二次沉淀池的功能，不必 回流污泥，工艺流程简单，基建费用和运行费用低，出水效果好，且在控制上比较灵 活。在处理废水时，碳氧化、硝化及反硝化可以同时完成，也可以分别进行控制，并 使之最优化。 ( 5 ) 生物膜法生物脱氮 生物膜系统是使微生物和微型动物附着在某些载体上生长发育并形成膜状生物 污泥【2 7 1 。污水与生物膜接触，有机污染物作为营养物质被生物膜上的生物所摄取，污 水得到净化。与活性污泥o 法和s b r 法相比，生物膜系统对水质、水量变动有较 强的适应性，能够处理低浓度污水，易于维护管理。 传统生物脱氮工艺在废水脱氮方面起到一定作用，但仍存在以下问题： 在低温冬季，硝化细菌生长缓慢，造成系统总水力停留时间( h r t ) 长，有 机负荷较低，增加了基建投资和运行费用； 反硝化过程需要一定的有机物，废水中的c o d 经过曝气有一大部分被去除， 因此在反硝化阶段往往要另外加入有机碳源； 8 苏州科技学院硕- ：学付论文第一章绪论 硝化过程是在有氧条件下进行的，需要大量的溶解氧； 抗冲击能力弱，高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制硝化菌的生长； 系统为维持较高的生物浓度及获得良好的脱氮效能，必须同时进行污泥回流 和硝化液回流，增加了动力消耗和运行费用； 为中和硝化过程中产生的酸度，需要加碱中和，增加处理费用。 1 3 2 生物脱氮新工艺 ( 1 ) 短程硝化反硝化 早在1 9 7 5 年v 0 e t 【2 8 】就发现在硝化过程中n 0 2 。的积累现象，并首次提出了短程硝 化反硝化生物脱氮( s h o r t c u tn i t r i 行c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n ) ，也可称为不完全或称简捷 硝化反硝化生物脱氮。其基本原理是将硝化过程控制在亚硝酸盐( n 0 2 ) 阶段，然后 直接进行反硝化。与传统生物脱氮工艺相比，该