（环境工程专业论文）纳米材料在固定化海洋光合细菌处理生活污水中氮磷的研究.pdf

纳术材料在吲定化海洋光合细曲处理生活污水中氮磷的研究 纳米材料在固定化海洋光合细菌处理 生活污水中氮磷的研究 摘要 本学位论文从光合细菌处理养殖废水中得到启发，旨在研究固定化海洋光 合细菌处理生活污水中氮磷的效果，同时研究了纳米材料二氧化硅与纳米材料蒙 脱_ 上材料在固定化海洋光合细菌处理过程中的效应。 光合细菌或固定化光合细菌在处理养殖废水和高浓度有机污染物的工业污 水中已有应用，但在处理生活污水中氮磷方面却鲜有报导，本学位论文的主要创 新点之一是为：将固定化光合细菌应用于生活污水中氮磷的处理上。另一创新点 是用海洋光合细菌处理生活污水，海洋光合细菌资源丰富，有利于分离。第三个 创新点是将纳米材料新技术应用到光合细菌固定化材料中处理生活污水，提高氮 磷等的传质性能，为纳米材料在固定化光合细菌处理污水开创条件。 本学位论文共分为7 个章节。第一章综述了我国地表水体中氮磷的污染现 状和处理现状。第二章是城市生活污水生物脱氮除磷工艺综述，对生物脱氮除磷 工艺进行了论述。第三章是有关光合细菌及其应用方面的介绍。对光合细菌处理 生活污水的原理和在环境保护中的应用作了介绍。同时提出了本学位论文的实验 原理和实验方法。第四章是海洋光合细菌的分离培养方面的实验内容，叙述了海 洋光合细菌的分离，培养、生长曲线的绘制和光合细菌的选择等。第五章是纳米 材料的制备。叙述了二氧化硅纳米材料和蒙脱土纳米材料的详细制备过程。第六 章是污水处理实验，分别介绍了固定化生物珠处理生活污水中的氨氮、总氮、总 磷，纳米二氧化硅固定化生物珠处理生活污水中的氨氮、总氮、总磷，纳米蒙脱 石固定化生物珠处理生活污水中的氨氮、总氮、总磷等相关实验内容。第七章在 实验的基础上得出了实验结沦并针对实验提出了下一步的工作重点。 为了完成固定化海洋光合细菌处理生活污水中氮磷的研究，主要开展了以 下工作：对海洋光合细菌进行了分离筛选，得到了实验所需的紫色光合细菌，并 成功的进行了扩大化培养，降低了培养成本。对分离成功的海洋光合细菌进行了 细胞计数。成功制备了二氧化硅和蒙脱石纳米材料。用海藻酸钠进行了海洋光合 纳米材料在【舌i 定化海洋光台细菌处理生活污水中氨磷的研究 细菌的固定化实验，找到了固定化海洋光合细菌的最佳固定条件。对海藻酸钠固 定化海洋光合细菌、二氧化硅纳米材料海藻酸钠固定化海洋光合细菌、蒙脱石纳 米材料海藻酸钠固定化海洋光合细菌处理氮磷进行了研究，得出了有效的实验数 据。 通过对海藻酸钠固定化海洋光合细菌、二氧化硅纳米材料海藻酸钠固定化 海洋光合细菌、蒙脱石纳米材料海藻酸钠固定化海洋光合细菌处理氮磷进行的研 究，手要得到了如下结论： 1 、固定化海洋光合细菌能够处理高浓度有机污水和高氮磷浓度污水，但是 在经其处理后的污水一般还不能达标排放，所以固定化海洋光合细菌处理氮磷最 好应用在高氮磷浓度污水的预处理中，以降低氮磷浓度，再用活性污泥法进行处 理。 2 、纳米材料固定化海洋光合细菌能大幅度的提高处理效率，缩短处理时间， 而且用量少，存在大规模推广使用的应用前景。固定化海洋光合细菌提高了光合 细菌的局部浓度，为光合细菌创造了沿固定化颗粒由外向内的好氧、厌氧单程硝 化反硝化环境，由于固定化海洋光合细菌外层是好氧层，实现硝化作用，将氨氮 转化为硝酸盐并存储在其内部，内部是厌氧环境，处理硝酸盐，从而增强了处理 氮磷的能力。本实验中添加有蒙脱石纳米材料的固定化生物珠x u 的处理效果优 于添加有二氧化硅纳米材料的固定化生物珠s l 。 3 、纳米材料的加入提高了处理速率，降低了处理时间，固定化海洋光合细 菌处理污水时，对总磷的最佳处理时间为1 2 小时，氮磷同步处理的最佳处理时 间为2 4 小时。 4 、由于固定化材料的问题，固定化海洋光合细菌强度不高，抗冲击负荷能 力低。处理时间过长可能会致使污水的浊度和悬浮物含量增加，在处理污水中氮 磷的过程中增加了污水浊度悬浮物，同样降低了出水水质。因此研究研制高性能 有固定化材料或纳米材料添加剂，及研究固定化材料与添加剂的合适用量，扩大 光合细菌的浓度是当前所须解决的问题。 关键词：脱氮除磷；固定化；海洋光合细菌； 纳米材料；生活污水 纳米材料在固定化海洋光含细菌处理生活污水中氨磷的研究 n a n o p h a s em a t e r i a li nt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u st r e a t m e n t o fd o m e s t i cs e w a g eb yi m m o b i l i z e dp s b a b s t r a c t i r r a d i a t e db yt h et r e a t m e n to fm a r i c u l t u r ed i s c h a r g eb yp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i u m ( p s b ) ，a n dr e l i e do nt h ec h a r a c t e r so fn a n o p h a s em a t e r i a l ，t h i sd i s s e r t a t i o no b j e c t i v e s t os t u d yt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lb yi m m o b i l i z e dp s b ，a n ds t u d i e st h e i n f l u e n c eo fs i l i c o nd i o x i d en a n o p h a s em a t e r i a la n dn a n o m o n t m o r i l l o n i t et ot h e t r e a t m e n t t h e r ea r em a n yp r o c e s s e st h a tt r e a t i n go r g a n i cw a s t e w a t e rb yp s bo ri m m o b i l i z e d p s b ，b u tt h e r ea r el i t t l eu s a g eo ft h i sp r o c e s st or e m o v a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u s s o o n eo ft h ei n n o v a t i o n si n t h i sd i s s e r t a t i o ni st r e a t i n gn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sb y i m m o b i l i z e dp s b t h eo t h e ri n n o v a t i o ni st r e a t i n gw a s t e w a t e rb ym a r i n ep s b t h e r e s o u r c eo f m a r i n ep s bi sq u i t ea b u n d a n t ，a n di ti se a s i e ra n dc h e a p e rt ob es e p a r a t e d a n de n r i c h e d t h et l l i r di n n o v m i o ni st ou s en a n o p h a s em a t e r i a li nt h ew a s t e w a t e r t r e a t m e n t t h i si st h ef w s ts t u d yo nt h ei n f e c t i o no fn a n o p h a s em a t e r i a li nt h e i m m o b i l i z e dp s bt r e m i n gw a s t e w a t e r t h e r ea r e7c h a p t e r si nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e15 c h a p t e rd i s c u s s e st h ew a t e r p o l l u t i o na c t u a l i t ya n dp o l l u t i o nt r e a t m e n ta c t u a l i t yi nc h i n a a n di nt h ee n dt h e d i s s e r t a t i o ni n d i c a t e st h r e ep o l l u t a n tr e s o u r c e s ：n a t u r er e s o u r c e ，i n d u s t r ya n dd o m e s t i c w a s t e w a t e rr e s o u r c ea n da g r i c u l t u r er e s o u r c e t h e2 n d c h a p t e r i n t r o d u c e st h e b i o p r o c e s so fd e n i t r i f i c a t i o na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l t h e3 r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h e p s ba n di t sa p p l i c a t i o n i nt h em e a n w h i l ei tt e l l st h ep r i n c i p l ea n dt h em e t h o do ft h i s r e m o v a le x p e r i m e n t a t i o n i nt h e4 t hc h a p t e r , t h ei s o l a t i o n , e n r i c ha n dc u l t u r eo f m a r i n ep s bi si n t r o d u c e d t h e5 t hi st h ep r o d u c t i o no fn a n o p h a s em a t e r i a l t h e p r o d u c t i o no fs i l i c o nd i o x i d en a n o p h a s em a t e r i a la n dn a n o m o n t m o r i l l o n i t ei s p a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e d t h e6 ”i st h ee x p e r i m e n t a lo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp a r t t h e i m m o b i l i z a t i o no fm a r i n ep s b ，a n dt h et r e a t m e n to fn h 3 - n ，t n ，t pb yi m m o b i l i z e d b i n b e a da r ei n t r o d u c e d i nt h e7 1 c h a p t e r t h es t u d yr e s u l t so ft h i se x p e r i m e n ta r e g i v e n ，a n ds o m ea d v i c e sa b o u tt h en e x ts t e pa r ea l s og i v e nt h e r e f f f 纳米材料在固定化海洋光合细菌处理生活污水中氯磷的研究 i no r d e rt of i n i s ht h e e x p e r i m e n to ft r e a t i n gn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sb y i m m o b i l i z e dm a r i n ep s b ，t h ee f f o r t st h a th a v ed o n ea r ea sf o l l o w s ：1 f i n i s h e dt h e i s o l a t i o na n dt h ee n r i c h m e n to fm a r i n ep s b ，a n dg e tt h ep u r p l eb a c t e r i u mt h a tn e e d e d f o rt h ee x p e r i m e n t s a n dw ea l s of i n i s h e ds u c c e s s f u l l yt h ee n l a r g ec u l t i v a t i o no f m a r i n ep s b d e c r e a s e dt h ec o s t so fc u l t u r e 2 f i n i s h e dt h ep r e p a r a t i o no ft h es i l i c o n d i o x i d ea n dm o n t m o r i l l o n i t en a n o p h a s em a t e r i a lb ye x p e r i m e n t 3 f i n i s h e dt h e e x p e r i m e n to ft h ei m m o b i l i z a t i o no fm a r i n ep s bb ys o d i u ma l g i n a t e ，a n de s t a b l i s h e d t h eb e s te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n so fi m m o b i l i z e dp s bp r e p a r a t i o n 4 s t u d i e dt h e t r e a t m e n to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sb yi m m o b i l i z e dm a r i n ep s b ，a n dg o ts o m e u s e f u le x p e r i m e n t a ld a t a t h r o u g ht h es t u d yo nt h e t r e a t m e n to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sb ys o d i u m a l g i n a t ei m m o b i l i z e dm a r i n ep s b ，s o d i u ma l g i n a t ei m m o b i l i z e dm a r i n ep s bw i t h s i l i c o nd i o x i d ea n dm o n t m o r i l l o n i t en a n o p h a s em a t e r i a l ，t h ed i s s e r t a t i o ng e t ss o m e c o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： 1 m a r i n ep s bc a l lt r e a th i g hc o n c e n t r a t e dn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s b u tt h e e 闭u e n tc o n c e n t r a t i o no ft h et r e a t m e n tc o u l dn o tr e a c ht oe f f l u e n ts t a n d a r d s ot h e b e s ta p p l i c a t i o no ft h ei m m o b i l i z e dp s bi st ob eu s e di nt h ep r e c o n d i t i o n i n go fh i g h c o n c e n t r a t e dn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s d e c r e a s et h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u s ，a n dt h e nf o l l o w st h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s 2 m a r i n ep s b 、i t l ln a n o p h a s em a t e r i a lc a l li n c r e a s et h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a lr a t e ；d e c r e a s et h et r e a t i n gt i m ew i t l lv e r yl i t t l eu s a g e t h e r ei sag r e a tb l u e p r i n t w i t ht h e e x t e n d i n ga p p l i c a t i o n t h ei m m o b i l i z e d m a t e r i a le n r i c h e st h e c o n c e n t r a t i o no fp s bi nt h ei m m o b i l i z e db i o b e a d ，a n dc r e a t e sa e r o b i c ，a n a e r o b i c c o n d i t i o n sa l o n gt h ed i a m e t e ro ft h ei m m o b i l i z e db i o - b e a df r o mo u t s i d et oi n s i d e ， w h i c hc a l l e do n e w a yn i t r a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n i nt h eo u t s i d e ，i ti se a s i e rf o r n i t r a t i o nw i t ht h ea e r o b i cc o n d i t i o n s o nt h ec o n t r a r y , t h ei n s i d ei sa n a e r o b i c c o n d i t i o na n di ti se a s i e rf o rt h ed e n i t r i f i c a t i o u a n di ti se a s i e rf o r t h en i t r o g e n r e m o v a lw i t l lh i g hr e m o v a lr a t e b u tb e c a u s et h en i t r a t ec a n tg e tt ot h ed e e p e ro ft h e b i o b e a d ，t h er e m o v a lr a t eo fa n a m o n i ai sh i g h e rt h a n t h a to fn i t r a t e i nt h i s e x p e r i m e n t ，t h er e m o v a lr a t eo fi m m o b i l i z e dp s bw i t hm o n t m o r i l l o n i t en a n o p h a s e i v 。 纳米材料在崮定化海洋光台细菌处理生活污水中氮磷的研究 m a t e r i a li sh i g h e rt h a nt h a tw i t hs i l i c o nd i o x i d en a n o p h a s em a t e r i a l ， 3 t h ea d d e do fn a n o p h a s em a t e r i a la c c e l e r a t e st h er e m o v a ls p e e d ，d e c r e a s et h e r e m o v a lt i m e t h eb e s tr e m o v a lt i m eo fi m m o b i l i z e dp s bw i t hn a n o p h a s em a t e r i a li s l2h o u rt ot p , a n d2 4h o u rt on i t r o g e na n dp h o s p h o r u ss y n cp r o c e s s 4 b e c a u s eo ft h en a n o p h a s em a t e r i a lt h e m s e l v e s ，t h ei n t e n s i t yo ft h ei m m o b i l i z e d p s bw i mt m n o p h a s em a t e r i a li sl o w e r , a n dt h ea b i l i t yo fa n t i h y d r a u l i cl o a di sa l s o l o w e r i ft h et r e a t i n gt i m ei sl o n g e r , i tw i l lb r e a ku pa n dc a u s e dt h et u r b i d n e s sa n ds s h i g h e rt h a nt h es t a n d a r dl e v e l ，d e c r e a s e st h ee f f l u e n tw a t e rq u a l i t y s ot h e r ea r et h r e e q u e s t i o n sa h e a do fu s o n ei st of i n dah i g hq u a l i t yi m m o b i l i z e dm a t e r i a la n da d d i t i v e t h eo t h e ri st of i n dt h er i g h tr a t eo ft h ei m m o b i l i z e dm a t e r i a la n da d d i t i v e t h et h i r d o n ei st of i n dab e t t e rw a yt oe n l a r g et h em a r i n ep s bc u l t i v a t i o n ，a n dg e ta h i g h e rp s b c o n c e n t r a t i o n k e yw o r d s ：d e n i t r i f i e a t i o na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ；i m m o b i l i z e d ；m a r i n e p h o t o s h y n t h e t i cb a c t e r i u m ；n a n o p h a s em a t e r i a l ；d o m e s t i cs e w a g e 纳米材料在固定化海洋光合细菌处理生活污水中氮磷的研究 1 我国氮磷污染的状况 我国的大部分的地表水都有着不同程度的氮磷超标问题。主要湖泊水体中 氮、磷的污染非常严重。据统计中国主要湖泊由于氮磷污染而导致富营养化的 占总统计湖泊的5 6 之多。1 9 8 3 年高拯民统计的我国主要风景湖泊含氮量基本 情况表明，统计中的湖泊全部超标，多数湖泊t n 浓度一般比相应功能区划 标准高出5 - - 1 2 5 倍，t p 浓度高出1 0 5 0 倍。1 9 9 6 年底全国2 2 2 2 个监测站的 统计结果表明辽河、海河、淮河、黄河、松花江、珠江、长江七大水系的主要 污染物中，n h 3 - n 为其中重要指标。2 0 0 2 年七大水系均不同程度地受到n h 3 n 污染汜3 。所有监测断面中都以v 类，劣v 类为主，污染指标中也都有氮磷。 我国五大淡水湖泊中，巢湖、滇池、太湖的氮磷污染，富营养化严重，巢湖的 7 3 3 的水域处于富营养化状态，0 _ 3 的水域处于极度富营养化状态，t n 含量 4 6 2 m g l - 1 ，t p 含量0 4 1 7 m g l ，分别比国家地面水三类标准超出了十几倍 到二十倍【3 1 。 我国海域污染主要发生在近岸海域，近几年有加重污染的趋势，污染指数 主要为无机氮、无机磷和石油类。2 0 0 2 年尽管我国近岸海域污染有所减轻， 类、劣类水质比例为3 5 9 ，下降了1 0 5 。但近岸海域的主要污染物仍是 无机氮、活性磷酸盐。2 0 0 2 年全海域共发现赤潮7 9 次，累计面积超过1 0 0 0 0 平方公里。其中，东海海域共发现赤潮5 1 次，累计面积超过9 0 0 0 平方公里； 黄、渤海海域共发现赤潮1 7 次，累计面积近6 0 0 平方公里；南海海域发现赤潮 1 1 次，累计面积约为5 4 0 平方公里。 现阶段我国水体中的氮磷污染主要有以下几个方面。 ( 1 ) 自然来源。自然来源主要包括火山、地震、水土流失等各种自然地质活 动和各种自然灾害。1 9 8 8 年我国至少流失地表土5 0 亿吨，水土流失所带走的 沉积物养分、氮磷钾等重要元素超过我国当年化肥生产提供的土壤养分重量【4 1 。 这一部分沉积物带来的氮磷等元素大量的进入到江河湖泊中，成为水体中氮磷 污染的重要来源。 4 纳米材料在固定化海洋光合细菌处理生活污水中氮磷的研究 ( 2 ) 工业和生活污水的排放。全国废水、污水排放量呈逐年递增的趋势f 5 , 6 1 ， 1 9 9 9 年城市生活污水排放量为2 0 4 1 0 8 t a ，首次超过工业废水1 9 7 1 0 8 t a 1 的排放量，并逐年增加。同时来自含磷洗涤用品的3 0 的磷也随之排入了地表 水中。 ( 3 ) 农业和水产养殖业。我国农业是依靠大量的化肥、农药、集约化养殖来 支撑的，导致了农业非点源污染，特别是农业的养分流失对水体的污染成为重 要。据统计，我国化肥使用量不断增长，1 9 9 5 年是1 9 7 8 年的4 倍，超出世界 平均用量的3 倍之型4 ，但农田施肥平均总损失率达6 0 左右。由于大量施用 化学肥料而不注意使用有机肥料，导致土壤中有机质含量下降，进而造成了对 土壤结构的破坏，加剧了水土流失等自然因素的发生，至使土壤中未被利用的 氮磷等元素经地表径流或淋溶等而损失。造成对水体的污染。 纳米材料在固定化海洋光合细菌处理生活污水中氮磷的研究 2 城市污水生物脱氮除磷工艺 2 1a 0 工艺 原 图2 1n o 工艺流程示意图 图2 - i 所示的a d o 工艺流程图是缺氧好氧工艺，即a n o x i c o x i cp r o c e s s 。该 工艺把厌氧反应器放在系统前端，加强了脱氮功能，硝化段的污泥以一定的比 例回流到反硝化段，反硝化段中的细菌利用污水中的有机碳源和回流中的n o j 为电子受体，进行反硝化作用，这样就节省了外加碳源和曝气量。该工艺脱氮 效果较好，但却达不到同时脱氮除磷的效果。目前，它多用于废水脱氮领域， 只要控制一定的回流比和泥龄，系统便可达到较好的脱氮效果。 2 2a 2 0 工艺 r 0 ( a n a e r o b i c a n o x i c - o x i cp r o c e s s ) 工艺是目前普遍采用的同时脱 氮除磷工艺，流程如图2 2 所示，总水力停留时间少于其它同类工艺。污水首 先进入厌氧池与回流污泥混合，在兼性厌氧发酵菌的作用下，废水中易生物降 解的大分子有机物转化为v f a 这一类小分子有机物。聚磷菌吸收这些小分子有 机物，并以聚一p 一羟基丁酸( p h b ) 的形式贮存在体内，其所需要的能量来自聚磷 酸盐的分解。随后，废水进入缺氧区，反硝化菌利用废水中的有机基质对随回 流混合液而带来的n o j 进行反硝化。废水进人好氧池时，废水中有机物的浓度 纳米材料在固定化海洋光合细菌处理生活污水中氯磷的研究 较低，聚磷菌主要是通过分解体内的p h b 而获得能量，供细菌增殖，同时将周 围环境中的溶解性磷吸收到体内，并以聚磷酸盐的形式贮存起来，经沉淀以剩余 污泥的形式排出系统。好氧区的有机物浓度较低，这有利于好氧区中自养硝化 茁的生长，从而达到较好的硝化效果。a 2 o 工艺中厌氧、缺氧及好氧交替运行， 不宜于丝状菌增殖繁衍，无污泥膨胀之虞。该工艺无需投药，厌氧和缺氧段只 进行缓速搅拌，故运行费用低。但脱氮效果并不太高，内循环流量以2 q 为限， 不宜再高，污泥增长受一定的限制，因此除磷效果亦不太好。 图2 2a z ，0 工艺流程示意图 a 2 o 工艺中，影响生物除磷效果的因素有很多，其中厌氧池中n 0 ：浓度便 是关键因素。从沉淀池回流至厌氧池中的污泥或多或少的携带了n o ；。我们只 能通过调节污泥回流量来控制厌氧池中的n o ：，回流量过大、携入的n 0 - 多，会 抑制厌氧池中聚磷菌进行磷的释放从而影响整个系统的除磷效果，回流量过小， 进人厌氧池的聚磷菌相应少，同样影响系统除磷能力。因此，需严格控制污泥 回流量。目前国内多采用0 5 q 1 o q 的污泥回流量。 为此，人们又对a 2 o 工艺进行了一定程度的改良。同济大学水污染控制与 资源化国家重点实验室的熊建英提出对a 2 0 工艺增设一个供泥沉淀池，以彻底 地控制厌氧段的硝酸盐有利于除磷。由供泥沉淀池进入厌氧段的污泥浓度大， 带入的硝酸盐量少，同时原污水不被稀释，可维持较高的v f a 浓度，促进了聚 磷菌的释磷，小试结果证明氮、磷去除率均达9 0 以上“。同济大学的毕学军 等人则认为缺氧厌氧好氧的布置形式脱氮除磷效果会更好，其原因在于：聚 纳米利孝：i 在躅定化海洋光台细菌处理生活污水中氮磷的研究 磷菌厌氧释磷后直接进入生化效率较高的好氧环境，在厌氧条件下形成的吸磷 动力可充分利用；所有参与回流的污泥都经历了完整的释磷、吸磷过程，故在 除磷方面具有群体效应优势；缺氧池位于厌氧池前，允许反硝化菌优先获得碳 源，因而加强了系统的脱氮能力旧3 。 2 3s b r 工艺 s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) i 艺是序批式间歇反应器的通称，由美国r l i r v i n e 等人提出，它是将有机污染物的生物降解和脱氮除磷等过程集中在一 个反应器内完成，间歇进水，间歇排水，周期运行。将传统污水处理中的以不 同反应器之间的空间顺序变为了以周期内的不同阶段为主的时间顺序处理污 水。如图2 3 ，每个周期的操作分进水、反应、静置沉淀、排水闲置几个步骤。 s b r 工艺具有占地面积少，建设费用低、工艺简单，运行操作灵活、耐冲 击负荷，适应强、温度影响小，适应范围广、处理效果稳定、固液分离效果好， 出水澄清、处理能力强、污泥性能好等优点1 1 0 - 1 2 】。应用s b r 法能够处理谷物加 工厂、蛋奶食品加工厂、家畜饲养厂、屠宰厂、制药厂等排放的废水n 。对流 量、水质波动大的废水及一些特殊废水，如苯酚废水、煤转化废水等，也能取 得较好的处理效果 1 4 - 1 8 】。 生气 反应搠 沉障期 出水 图2 3s b r 工艺流程步骤示意图 s b r 工艺的脱氮除磷效果与曝气时率【1 9 】( 曝气时率= 每单个周期的曝气时 纳米材料在固定化海 羊光合细菌处理生活污水中氮磷的研究 问周期) 有关，曝气时率大则缺氧时间短、反硝化不完全、氮磷的去除率低， 当时率接近1 时，磷几乎不被去除。s b r 工艺由于操作上的灵活性，可以很容 易地通过限制曝气、半限制曝气等，在一个周期内实现好氧、缺氧和厌氧状态 交替的环境条件，为脱氮除磷的实现提供了有利条件。 2 4 氧化沟工艺 于5 0 年代开发的氧化沟工艺( o x i d a t i o nd i t c h ) 是延时曝气法的一种特殊形式 ( 如图2 4 所示) 。自6 0 年代以来，氧化沟技术在世界各地得到了迅速的推广 和应用。氧化沟封闭循环形式的池型尤其适用于污水的脱氮除磷。 1 9 6 8 年，荷兰d h v 有限公司将立式低速表曝机应用于氧化沟，这一工艺被 称为卡鲁塞尔( c a r r o u s e l ) 氧化沟。卡鲁塞尔( c a r r o u s e l ) 氧化沟是一种单沟式环 型氧化沟，在氧化沟的顶端设有垂直表面曝气机，也可以用转盘曝气机，兼有 供氧和推流搅拌的作用。污水在沟道内转折巡回流动，处于完全混合形态。该 氧化沟一般设有独立的沉淀池和污泥回流系统。卡鲁塞尔氧化沟具备一般氧化 沟的共同优点，工艺流程简单，抗冲击负荷能力较强，出水水质较稳定。其脱 氮效率约为9 0 ，除磷效率约为5 0 。单台曝气设备功率大，数量较少，投资 较少，维护点相对较少，且易于维护。我国昆明兰花沟污水处理厂，桂林市东 区污水处理厂及上海龙华肉联厂的污水处理系统都是采用的该种工艺【20 1 。五段 c a r r o u s e lb a r d e n p h o 工艺则是在c a r r o u s e l 工艺的下游增设了第二缺氧池及再曝 气池，实现了更高程度的脱氮效果吃。 图2 4 氧化沟系统 竖式 表面 曝气 机 纳米材料在固定化海洋j t 台细苗处理生括污水中氮磷的研究 2 5d e p h a n o x 工艺 兼性厌氧反硝化除磷细菌d f b ( d e j l i t r i f y i n gp h o s p i m r u sr e m o v i n g b a c t e r i a ) 能够在缺氧条件下以n 0 3 为电子受体，氧化胞内贮存的p h a ，并从环 境中摄食磷。 d e p h a n o x 工艺就是为满足d p b 所需环境要求开发的生物脱氮除磷工艺p “。 其特点是在厌氧池与缺氧池之问增设了一个中间沉淀池和固定膜反应池。中间 沉淀池的上清液在固定膜反应池进行硝化，固定膜反应池的作用是避免由于氧 化作用而造成的有机碳源的损失和稳定系统的硝酸盐浓度。在厌氧池中，活性 污泥絮体吸附了大部分有机物并释磷，在后续的中间沉淀池中进行泥水分离。 含氨较多的上清液进入固定膜反应池进行硝化，而沉淀的富含有机物的污泥跨 越固定膜反应池进入缺氧段，在好氧段吹脱氮气，并使聚磷菌再牛同时完成 反硝化和摄磷”1 。d e p h a n o x 工艺将摄磷和脱氮两个过程结合起来，解决了碳源 的矛盾，尤其适用于低c o d t k n 的污水。 2 6 高效塘工艺 高效塘工艺旺冲，t l i g h - r a t ep o u n d i n g ) 是从传统的氧化塘工艺发展而来的 它在美国西南部有机废水的三次处理方面应用较广。该工艺如图2 5 所示。 图2 - 5 并联h r p 工艺示意图 高教塘工艺( h r p ) 在处理生化需氧量、氮、磷等方面效果突出。无机氮可 高效塘工艺( h r p ) 在处理生化需氧量、氮、磷等方血效果突出。无机氮可 1je，l 纳米材料在崮定化海洋光合细菌处理生活污水中氮磷的研究 2 5d e p h a n o x 工艺 兼性厌氧反硝化除磷细菌d p b ( 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 b a c t e r i a ) 能够在缺氧条件下以n o - 3 为电子受体，氧化胞内贮存的p h a ，并从环 境中摄食磷。 d e p h a n o x 工艺就是为满足d p b 所需环境要求开发的生物脱氮除磷工艺【2 2 1 。 其特点是在厌氧池与缺氧池之间增设了一个中间沉淀池和固定膜反应池。中间 沉淀池的上清液在固定膜反应池进行硝化，固定膜反应池的作用是避免由于氧 化作用而造成的有机碳源的损失和稳定系统的硝酸盐浓度。在厌氧池中，活性 污泥絮体吸附了大部分有机物并释磷，在后续的中问沉淀池中进行泥水分离。 含氨较多的上清液进入固定膜反应池进行硝化，而沉淀的富含有机物的污泥跨 越固定膜反应池进入缺氧段，在好氧段吹脱氮气，并使聚磷菌再生，同时完成 反硝化和摄磷。d e p h a n o x 工艺将摄磷和脱氮两个过程结合起来，解决了碳源 的矛盾，尤其适用于低c o d t k n 的污水。 2 6 高效塘工艺 高效塘工艺( h r p ，h i g h - r a t ep o u n d i n g ) 是从传统的氧化塘工艺发展而来的， 它在美国西南部有机废水的三次处理方面应用较广。该工艺如图2 5 所示。 图2 5 并联h r p 工艺示意图 高效塘工艺( n r p ) 在处理生化需氧量、氮、磷等方面效果突出。无机氮可 1，i舟i 纳米材料在固定化海洋光合细菌处理生活污水中氨磷的研究 以通过藻类吸收( a l g a lu p t a k e ) 去处n h j 和吹脱法去处n h 3 。在高效塘工艺 ( h r v ) 中磷的去处也有两种机制：藻类吸收和化学沉淀。与化学沉淀相比，藻类 吸收的处理效率有限，假设废水中的磷含量为1 0 m g l 一，那么被藻类吸收去 处的量只有1 3 m g l 1 左右。若化学沉淀中的p h 值较高，那么，钙、镁离子 等多价磷酸盐就会“自絮凝”沉淀，但是由于废水中的钙、镁离子的浓度很不 稳定，所以这种“自絮凝”还是很不完善的。在加利福尼亚卅l 的里士满市 ( r i c h m o n d ) 进行的实验表明，在不断搅拌的情况下，向废水中加入2 0 8 0 m g l 。1 的新的熟石灰时，能够将氮磷的去处效果提高到9 0 以上“”。 现阶段的工艺方法中的脱氮除磷都有一定的处理效率，但是还有以下几点 值得注意： 首先，回流污泥中携带的硝酸盐抑制了厌氧条件下磷的释放。由于聚磷菌， 硝化菌，反硝化菌及其他多种微生物共同生长在一个系统内，并在整个系统内 循环。使得从好氧段回流的污泥中含有大量的硝酸盐，造成厌氧段中反硝化菌 与聚磷菌对底物的竞争。使聚磷菌无法得到足够的低分子脂肪酸而进行充分释 磷，降低了除磷效率。 其次，脱氮与除磷之间存在着矛盾。产生这一矛盾的原因是实现不同功能 的微生物均不能在各自最佳的生长条件下生长。由于不同的微生物均参与到系 统的循环中，因此在系统内要达到所有微生物的最佳生长条件非常困难。好氧 段中要实现硝化作用，必然维持较高的硝化菌数量，要求在较长泥龄下运行。 而除磷是通过排泥实现，这就要求采用短泥龄来增加剩余污泥排放量。所以在 运行泥龄方面，各种工艺在脱氮与除磷之间存在矛盾3 0 】。 最后，硝化与反硝化，有机物降解之间存在着矛盾。由于微生物混合培养， 为满足硝化而采用的较长泥龄。就降低了有机物降解和反硝化速率。这样又增 加了系统中有机物对硝化作用的抑制，使得硝化反应滞后，可能抵消掉硝化速 率提高所带来好处。 纳米材料赴固定化海洋光台细菌处理生活污水中氮磷的研究 总之，导致各种工艺脱氮除磷效率不稳定的原因在于功能不同的微生物在 系统内混合生长所致。世代时间长的硝化菌与其它细菌混合生长使系统难以兼 顾脱氮与除磷需求，因而运行效果不稳定，总体的效果较差。近几年，随着技 术的发展，在同时硝化反硝化，短程硝化反硝化脱氮等方面的研究越来越得到 了大家的重视。 纳米材料在固定化海洋光合细菌处理生活污水中氮磷的研究 3 光合细菌及其应用 能利用光能作为能源进行光合作用的原核生物叫做光合细菌 ( p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i u m ，p s b ) 。除蓝细菌外，都能在厌氧光照或好氧黑暗 条件下利用有机物作供氢体兼作碳源，进行不放氧的光合作用以合成自身物质。 光合细菌是水圈微生物的一种，广泛公布在水田、湖沼、江河、海洋、活性污 泥和土壤中。其生命力极强。光合细菌可分为光合自养细菌( p h o t o a u t o t r o p h s ) 和 光合异养细菌( p h o t o h e t e r o t r o p h s ) 两类。依其细胞形态、分裂方式、运动情况、 代谢能力等一般把都它们归为红螺菌目( r n o d o s p i r l l a l e s ) ，以下分为红螺菌科 f r h o d o s p i r i l l a c e a e ) 、着色菌科( c h r o m a t i a c e a e ) 、绿硫菌科( c h l o r o b a c t e r i a c e a e ) 和 绿色丝状菌科( c h l o r o b a c t e r i a c e a e ) 等4 科，2 3 属，8 0 余种【2 4 1 。 几乎所有的p s b 都具有光合固氮的能力和利用固氮生成物n h ；的能力。同 时某些p s b 还具有既能同化又能异化利用硝酸盐和脱氮的能力，p s b 菌体固定 下来的生成物经氨基酸代谢成蛋白质。因此，p s b