硝化细菌培养条件的优化

硝化细菌培养条件的优化 分类号 密 级 UDC 武多凄理歹大浮 学 位 论 文 目 趟丝 细菌埴差釜仕的笾化 Conditions Bacteria ofCulture Nitrifying 英文一Optimization 题 目 研究生姓名 箧壹壹 …(( 姓名 王继勇 职称: 副数援学 位世 单位名称武这理王太堂丝王堂瞳邮编垒三2Q 副指导 老师姓名 陶正:叵 职称:直级王猩』!巫学位煎 单位名称 塑j匕虚基药些直阻公司邮编垒32垒 申请学位级别 亟? 学科专业名称 化堂工程 答辩日期2Q!!生?且 论文提交日期2Q!!生?目 学位授予单位武这理王太堂 学位授予日期2Q!!生 鱼目 答辩委员会主席 评阅人 201 1年5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 方外， 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。 学位论文使用授权书 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o 保密的论文在解密后应遵守此规定 研究生 签名 :彳曩音青导师 签名 日期训??S??叭 武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 随着工业化进程的推进、社会经济的不断发展，环境污染已经非常严重，水 资源状况也越来越令人堪忧。氨氮是造成水体富营养化和环境污染的重要物质， 也是水污染的主要污染源之一。氨氮的主要来源有:城市生活污水，医药、食品 工业废水等各种化学工业废水以及垃圾填埋场的渗滤液等。 目前，处理氨氮的方法中生物菌剂硝化脱氮法较为理想。生物脱氮技术目前 研究的热点主要有同时硝化反硝化、短程硝化反硝化、和厌氧氨氧化。硝化细菌 是生物硝化脱氮中起主要作用的微生物，直接影响着硝化效果和生物脱氮的效 率。基于污水处理应用的目的，对从土壤及污泥中分离得到的几株具有较强生物 活性的硝化、反硝化细菌进行优化培养，并利用同步硝化反硝化的理论进行中试 放大发酵，生产能广泛应用于被氮素污染的水域处理的生物菌剂。本论文主要做 了以下一些工作: 1 自养硝化细菌的优化培养 对从土壤中分离、纯化、鉴定后保藏的几株自养硝化菌株分别进行培养，选 择在富集培养基中生长状况好、生长速度快的菌株，然后采用单因素实验进行培 养基成分、生长条件的优化，得到该菌株生长状况良好的条件是pn为7(0左右、 温度在30。C 左右、摇床转速为150r,rain左右。在此条件下，该自养硝化细菌在 10天 的时间里氨氮降解率达99,以上。 2 异养硝化细菌的优化培养 选 择从污泥中分离，富集且生长速度快的菌株，然后采用单因素实验进行生 长条 件的优化，探寻得到该菌株生长较好的条件是pn为7(5左右、温度为30* 2 左 右、摇床转速为150---200f,rain，碳氮比为8。在此条件下，该菌属的异养硝 化 细菌在5天的时间里氨氮降解率达99,以上。 3 自养与异养硝化细 菌的混合优化 自养(异养硝化细菌混合培养过程中，5天的时间内，氨 氮降解至接近0，亚 硝酸盐氮有一定程度的积累，硝酸盐氮也有所增加，但是 增加不多，故这种混合 培养降解氨氮的效果比较明显，但亚硝酸盐氮和硝酸盐 氮积累的问题需要解决。 4 硝化反硝化混合培养优化 在硝化(反 硝化细菌混合培养的4天时间内，氨氮降解率接近100,，亚硝酸 盐氮没有积 累且基本被细菌生长过程中利用，硝酸盐氮有所增加，但是增加不明 显，故这 种混合培养降解氨氮、亚硝酸盐氮的效果比较明显。 5 混合硝化反硝化 高密度培养 武汉理工大学硕士学位论文 对 摇床培养的效果较好的菌种进行中试放大发酵，通过补料培养的方式确定 在发 酵罐中培养的最优化条件为pn范围在7(O,9(O之间，温度为30?左右，溶 X 解氧的量70,，发酵培养得到菌体浓度达到1(0024108个，菌剂浓度较高。 应用配制好的菌剂处理某污水处理厂的迸水，在三天的时间内，氨氮和 国家规 定的排放标准。 关键词:硝化细菌，生长条件，优化 ? 武汉理工大学硕士学位论文 Abstract advance 黝the ofindustrializationandthe ofsocial developmenteconomy, has theenvironmentbeen resourcesare seriouslypolluted,water increasingly isan materialcausednutrient-richwaterand important worrying(Ammonia onethe environmental is of sourcesof pollution,waterpollution major pollution(The mainsourcesofammonia as wastewater,industrialwastewater,such age: municipal andindustrial wellasvariouschemicalindustrial medicine,food wastewater,as wastewatersuchaslandfill leachate( methodofammonianitrificationdenitr ification Currently，theprocessing nitrogen methodismore removal is biologicalagents ideal(Biologicalnitrogen technology themainresearchfocusisthesimultaneousnitrificationand currently denitrificatiort, nitrificationand anaerobicammoniaoxidation(The denitrification,and nitrifying in bacteria denitrification a affect biological microorganismsplaymajorrole， directly nitrificationand removal ofwastewater biologicalnitrogen efficiency(Thepurpose treatment basedonsoiland fromseveralstrainswereisolatedwith applications sludge ofnitrificationanddenitrificationto thecultureof activity strongbiological optimize in simultaneousnitrificationanddenitrificationthe of b lc_teda，and using theory Can ofwatersused scale-upcultivation,productionbe、 l，idelynitrogenpollution by the this worktodothe biological thesis，some agents(In following: bacteriaculture 1 optimizationofautotrophicnitrifying Isolatedfrom andidentifiedseveralstrainsobtainedfromthe soil，purified strainswere arichmedium conditionina nitrifying cultured，choose growth good, fast ofthe takes factor medium growth strains，andsingle composition, experiments of betterto theratioof conditions，the optimizationgrowth explorecompositionby thestrainandthe ofbetterabout is 7(0，the 30?， growth pH optimumtemperature aboutshaker 150r,min(Underthese bacteriaofthe speed conditions，thenitrifying in10 fromthetimethe rateof99,ammonia( genusdays degradation of bacteriaculture 2 Optimizationheterotrophicnitrifying Selectfromthe enrichmentandthefast strain,and sludgeseparation,and growing thencarriedout factor of betterto single optimizationgrowthconditions，the using theratio and thebetter of ofthestrain of about explorecompositionby growth range 7(5 suitable is of 150,200r, rain, pH，most temperaturerange30?，shakingspeed carbonand ratioof8(Underthese bacteriaof conditions，the nitrogen hetcrotrophic ? 武汉理工大学硕士学位论文 in from the mteof99,ammonia( the 5 thetimedegradation genusdays and nitrification bacteriain 3 autotrophic heterotrophiehybridoptimization bacteriamixed 5 Autotrophic-heterotrophicnitrifyingduring trainingdays，the ammonia tonear acertain ofnitrite degradated0，and degree also butnot theeffectofammoniamixedculture increasedmuch,SO is degrading nitrate areaccumulated( thenitrite and obvious，butnitrogen nitrogen Mixedculture nitrificationanddenitrification 4 Mixed optimization inthemixedcultureof Nitrification??-denitrification process bacteria,4--dayperiod, rate to100,ofthe didnot the ofclose accmulateand degradation ammonia,nitrite bacterialinthebasic躐ofnitrate theincreaseWasnot increased,but growth nitrogen mixedculture moreobvious obvious，Therefore， thisdegradationammonia,nitrite effect( of anddenitrification mixed―culture 5 nitrification high-density Theeffectof culturefortheberetinthescale― strain shaking culture，theway thebatchcultureinthefermentationtanktodeterminethe culture through optimal conditionsforthe of conditionsbetween7(0to is 9(0，the 30?， rangepH temperature 70,oftheamountofdissolved fortheseconditionsthefermentation oxygen， and by X bacterialconcentrationreached1(00241 havethe concentration( 06，agents higher ofa ofa antimicrobialtreatmentof water preparationgood Application sewage treatmentthree and time，ammoniaCODcr plant，indays respectively，from64(74mg, to and Land27 decreased lessthanthenational 1(0mg,L 2(64mg,L0(66mg,L， far emissionstandards( Keywords:bacteria,growthconditions， optimization IV 武汉理工大学硕士学位论文 目录 中文 摘要………………………………………………………………………………(I Abstract……………………(……………………………………………………… …………………………((HI 第1章引 言…………………………………………………………………………((1 1(1氮元素概述…………………………………………………………………1 1(1(1自然界中氮元素的循环……………………………………………一l 1(1(2氮元素污染的来源与危害…………………………………………一1 1(1(3含氮废水中氮元素排放标准………………………………………。2 1(2硝化细菌概述………………………………………………………………(2 1(2(1硝化细菌的分类……………………………………………………一2 1(2(2硝化细菌的特征……………………………………………………((3 1(3生物脱氮技术的研究现状…………………………………………………(3 1(3(1传统生物脱氮过程……………………………………………………3 1(3(2传统生物脱氮的不足………………………………………………一4 1(3(3生物脱氮新技术……………………………………………………((4 0 1(4硝化细菌固定化研究现 状…………………………………………………1 1(5课题研究的目的及意 义……………………………………………………11 1(6课题研究内容及 技术路线…………………………………………………12 1(6(1研究 内容……………………………………………………………12 1(6(2 研究技术路线………………………………………………………12 第2章生物 脱氦及其影响因素……………………………………………………13 3 2(1自养型硝化细 菌……………………………………………………………1 3 2(2异养型硝化细 菌……………………………………………………………1 2(2(1常见 的异养硝化细菌及相关研究…………………………………13 2(2(2 异养硝化的关键酶…………………………………………………(15 2(2(3异养硝化的途径及优点……………………………………………16 2(3硝化细菌培养的影响条件…………………………………………………16 2(3(1氨氮浓度的影响……………………………………………………16 2(3(2 pH条件的影 响……………………………………………………一17 2(3(3温度的 影响…………………………………………………………17 2(3(4溶 解氧的影响………………………………………………………17 2(3(5 碳源和碳氮比的影响………………………………………………17 8 2(3(6其他影响因 素………………………………………………………l 第3章硝化细菌的培养与 优化……………………………………………………19 3(1实验材 料……………………………………………………………………19 9 3(1(1菌种来 源……………………………………………………………一l 9 3(1(2化学试 剂……………………………………………………………1 3(1(3实验 仪器……………………………………………………………19 3(1(4 分析方法……………………………………………………………19 3(1(5标准曲线的绘制……………………………………………………19 3(1(6硝化细菌计数………………………………………………………22 武汉理工大学硕士学位论文 3(1(7硝化速率测 定………………………………………………………22 3(2自养型硝化细 菌的培养……………………………………………………23 3(2(1培 养基成分…………………………………………………………(23 3(2(2 培养条件单因素实验………………………………………………23 3(2(3检测结果与结论……………………………………………………24 3(2(4自养硝化细菌计数与硝化速率的测定……………………………27 3(3异养型硝化细菌的培养……………………………………………………27 3(3(1培养基成分…………………………………………………………(27 3(3(2培养条件单因素实验………………………………………………(27 3(3(3检测结果与结论……………………………………………………28 3(3(4培养基成分正交试验………………………………………………32 3(3(5异养硝化细菌计数与硝化速率的测定……………………………(33 3(4自养型与异养型硝化细菌的混合培养……………………………………33 3(4(1培养基成分…………………………………………………………33 3(4(2混合培养的生长曲线………………………………………………34 3(4(3小结与讨论…………………………………………………………34 3(5硝化一反硝化的混合培养探索……………………………………………一34 3(5(1培养基成分正交实验………………………………………………34 3(5(2混合培养生长曲线…………………………………………………(36 3(5(3小结与讨论…………………………………………………………36 3(6中试放大发酵………………………………………………………………36 3(6(1培养基成分……(:…………………………………………………一36 3(6(2溶解氧浓度的优化…………………………………………………(37 3(6(3细菌计数……………………………………………………………(38 3(6(4混合菌剂发酵过程中氮消耗曲线…………………………………38 3(6(5小结与讨论…………………………………………………………38 3(7菌剂应用……………………………………………………………………(38 第4章结论…………………………………………………………………………(40 至炙 谢……………………………………………………………………………………… ……………………一4l 参考文 献……………………………………………………………………………(42 武汉理工大学硕士学位论文 第1章引言 1(1 氮元素概述 1(1(1自然界中氮元素的循环 氮元素是组成生物体的重要 元素，同时也是组成各种生物分子如RNA、DNA 和蛋白质的主要成份，在各种 生物体结构中和几乎所有生物化学过程中都是不可 缺少的元素之一。 氮 元素在整个生物圈中是极其丰富的，基本上是以无机结合态、有机结合态 以及 分子态三种形式存在。氮气在固氮菌等微生物的作用下通过生物固氮作用进 入 生物圈，然后在植物和固氮菌等的作用下通过同化作用将无机态氮固定，使分 子态氮转化为有机氮化物，主要形式有核酸、氨基酸、蛋白质等;除了同化作用 还进行氨化作用，有机氮化物在微生物作用下会被进一步分解成氨氮;继而将氨 化作用下产生的氨氮氧化成亚硝酸盐态氮，进一步被氧化成硝酸盐态的氮;最后 是反硝化作用的过程，将被硝化作用产生的硝酸盐还原成分子态的氮气，释放后 进入大气圈，形成了整个氮元素的循环过程?。 1(1(2氮元素污染的来源与危害 人类的过度集中，城市的规模越来越大，导致对含氮化合物 如日化用品、 食品等 的需求与利用愈来愈大，使得氮元素的循环趋于集中;矿物的开采使得 地底氮素资源也被开发出来，使得自然界的氮素总量增加;工业和农业过程中的 固氮作用大规模化，使得固有的氮元素平衡转化被打破，因而造成氮元素在中间 循环过程的累积，人类的这些活动导致了氮元素在整个生物圈的累积眩1。 氮和磷是植物和微生物生长的主要需求营养元素，当水体中的氮磷含量分别 超过0(2mg,L和0(02mg,L的时候，水体就会有形成富营养化危险。水体中氮元 素的污染危害主要有以下几点: 1 水生植物的过度繁殖 随着高含氮污水的持续排入，水体富营养化的危害日益突出，引起藻类和水 生植物的大量繁殖会造成水体腥臭、一些生物毒素会通过食物链累积并最终在人 体富集而导致人中毒甚至死亡。 2 影响人类的生活 富营养化的水源会影响人的饮用水的安全，水中的硝酸盐和亚硝酸盐能诱发 高铁血红蛋白症和胃癌，人若饮用了亚硝酸盐含量超过10mg,L或硝酸盐含量超 武汉理工大学硕士学位论文 过50mg,L的水会导致正常的血红蛋白变异成高铁血红蛋白，失去运输氧的能力， 就会出现头晕等缺氧症状，在婴儿中体现得尤其突出。亚硝酸盐有致癌作用，长 期饮用会导致病变，且亚硝酸盐经过煮沸后会得到浓缩，危害的程度更大口1。 3 影响水产养殖业的发展 氨氮是硝化细菌生长的能源物质，在硝化作用的过程中会消耗大量的氧气。 理论上lmg的氨氮在硝化过程中要消耗4(6mg的氧气，水体中氨氮的含量越高， 耗 氧量也越高，使得水体中鱼类等水产品的需氧量严重不足，会导致鱼类因缺氧 而死亡，会给养殖业带来了巨大损失r3]。 1(1(3含氦废水中氮元素排放标准 目前我国执行的标准主要是由国家环保总局和国家技术监督局联合发布的 《污水综合排放标准》 GB8978一1996 ，这个标准对医药、染料、石油、化工的 氨氮排放标准做了详细的规定:一级排放标准为15mg,【,、二级排放标准为 布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》 GBl8918―2002 中对总氮标准做出了 更加详尽的细化:总氮排放控制为一级标准，又分两个子类即A标准和B标准， 其中A标准为15mg,L，B标准为20mg,L;氨氮以氮计分一级和二级两个标准， H。。 1(2硝化细菌概述 baeteda 是一类在整个生物圈的氮素循环中起关键作 硝化细菌 NitrifTing 用的菌群，它们通过氨氧化作用将氨氮转化为亚硝酸盐，然后通过硝化作用将亚 硝酸盐转变为硝酸盐。硝化细菌是最早发现的化能自养型的微生物，Winogradsky 通过实验证明了这种细菌能以二氧化碳为唯一碳源而产生有机物质及细胞。 1(2(1硝化细菌的分类 硝化细菌不能将氨氮直接氧化为硝酸盐，以前是按照作用结果的不同分为两 类:一类氨氧化细菌，即将氨氮氧化为亚硝酸盐的亚硝酸细菌;另一类是将亚硝 rRNA基 前，随着分子生物学的发展，通过很多学者对硝化细菌进行发育树16s 因序列的研究发现，氨氧化细菌和硝酸细菌在系统发育类别上来讲不是同一类， 而是分别属于变形菌门 Proteobaeteria 的Q、13、丫、84个亚类巧1。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1(2(2硝化细菌的特征 硝化细菌大部分都是化能自养型细菌，主要有以下特征砸1: 1 硝化细菌分化能自养型与化能异养型细菌，化能自养型硝化细菌在有 机培养基上无法正常生长，仅需无机盐营养物质即可，氨氧化细菌是以氨氮为专 一的能量来源，而硝酸盐细菌则是以氨氧化细菌产生的亚硝酸盐为专属的能量来 源; 2 硝化细菌的生长周期较慢，代际间隔一般都在10小时以上; 3 硝化细菌大多为好氧菌，培养过程中需要氧气; 4 几乎都是革兰氏阴性菌，没有芽孢; 5 对温度、pH、溶解氧的要求较为苛刻，对外界的条件变化敏感。 1(3生物脱氮技术的研究现状 从目前关于脱氮技术的研究来看，主要的脱氮方法有氨的吹脱、电渗析、反 渗透等物理法，折点加氯、选择性离子交换等化学法，生物硝化、同步硝化一反 硝化脱氮法和土壤掩埋吸附法等。物理法和化学法只能除去少量溶解氨氮及特定 形态的氮元素，工艺复杂且成本较高不易推广应用于实际中的大量废水处理，还 会对环境产生二次污染，生物脱氮法是指微生物将污水中的各种含氮化合物逐 步转化为氮气排入大气中的方法。生物脱氮法的应用局限性要比化学法和物理法 小得多，生物脱氮法要求的投入成本低，可操作性强，没有二次污染，经处理后 的水基本能达到相关的排放标准，已成为脱氮方式的最佳选择。在氮素污染越来 越受关注的今天，随着生物技术的发展，生物脱氮技术从单一的工艺研究向生物 学特性改革工艺条件优化的方向发展，生物脱氮法已广泛应用于废水处理的各个 领域‘"。 1(3(1传统生物脱氮过程 在整个生物圈的氮循环过程中，传统的脱氮过程一般分以下几个步骤: 1 氨化过程:废水中的各种有机氮化合物通过氨化作用转化为氨氮，反 2 硝化过程:氨化过程中产生的氨氮在硝化细菌的作用下先后转化为亚硝 酸盐和硝酸盐，一是氨氮在氨氧化细菌的作用下被氧化为亚硝酸盐，反应式: 制步骤，然后硝酸细菌将亚硝酸盐氧化为 稳定的硝酸盐，反应式: N02?(502_N03。。整个硝化过程产生作用的细菌 氨氧化细菌和硝酸细菌 统 3 武汉理工大学硕士学位论文 称为硝化细菌，一般都是利用二氧化碳作为无机碳源，也有部分菌株能够利用碳 酸钙等无机盐作为碳源进行硝化作用。 3 反硝化过程:硝化作用产生的硝酸盐氮在反硝化细菌作用下转化为亚 硝酸盐氮和氮气的过程。需控制在严格厌氧或兼性厌氧的环境中才能顺利进行反 1(3(2传统生物脱氮的不足 在传统的生物脱氮工艺过程中，硝化过程和反硝化过程是分开进行的，整个 过程大致就是将污水经过氨化以后，先将初处理后的水体存储在一个好氧池里 面，投入硝化细菌进行硝化后，再在缺氧的反硝化池中进行反硝化作用。几种传 统脱氮工艺优缺点对比如下隅3:?A,O 缺氧,好氧 工艺该工艺利用内循环过 程将硝化作用处理后的水体回流至反硝化池中，反硝化细菌就会利用废水中的各 种碳源将生成的硝酸盐氮反硝化成氮气等排入大气，这个工艺较短但是这个 工艺不能反硝化完全，在出水中还含有一定的亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，污泥在回 流过程中会上浮，导致处理效率不高;?A,A,O 厌氧一缺氧一好氧 工艺该工 艺相较于A,O工艺就是前置增加了厌氧区，一定程度上增加了脱氮的效率，但 是此工艺前置了额外的厌氧过程就需要占用较大的土地面积，另外混合液的回流 比决定总氮去除效率，回流比太高会导致脱氮效果低;?SBR 间歇式 工艺随 着自动化程度的提高，该工艺可以通过一个反应池进行集中控制硝化过程和反硝 化过程中不同的溶氧、酸碱、碳源等条件，但是全程脱氮的操作复杂性使得总氮 的实际脱除效率有限;@BAF 曝气生物滤池 工艺该工艺的原理就是利用滤 池中填料吸附的硝化细菌和反硝化细菌氧化分解填料和生物膜吸附作用及沿水 方向形成的不同浓度区 域的氨氮，以达到去除氨氮的目的。此工艺要求进水水质 中有机物的含量较低，否则会导致细菌的大量繁殖而阻塞填料。 在这些传统的工艺中，硝化和反硝化不能在空间上统一起来，分开运行需要 投入的费用较统一的过程多，且自养型的硝化细菌代际间隔时间较异养型长，生 长速度慢导致在好氧池中硝化细菌浓度不足，需要较长的水力停留时间才能达到 比较好的硝化处理效果，另外反应不完全就会在硝化过程中产生大量的酸，需要 额外投入碱液进行pH调节，所有这些都增加了各种应用成本。 1(3(3生物脱氮新技术 随着最近国内外学者对生物脱氮理论的深入研究，发现了许多新奇的现象， 同时也提出了一些新的生物脱氮理论。有文献报道证明[9,133，氨氮和亚硝酸盐 氮或者硝酸盐氮在缺氧或者厌氧条件下可以直接转化为氮气的现象，某些异养菌 4 武汉理工大学硕士学位论文 也可以进行硝化作用，而且有些自养菌还可以在好氧条件下进行反硝化作用等， 这些现象为探索生物脱氮新工艺提供了新的理论和思维支持。近些年，生物脱氮 新技术的研究主要有以下几个方向:一是对传统的工艺进行改造和完善;二是应 用最新的研究成果并开发出来的新型的生物脱氮技术，探索了新的短程氮素转化 过程，新研究和提出的生物脱氮工艺主要有以下几种u钔: NitrificationandDcniitrifieation，SND 1 同步硝化反硝化 Simultaneous 同步硝化反硝化 SND 就是在一个反应器中同时存在好氧环境和厌氧环境， 微生物菌群将反应器中的氮污染物转化为氮气而除去的过程。目前对同步硝化反 硝化脱氮技术的发生机理有宏观环境理论、微观环境理论和微生物理论n5~20】。 ?宏观环境理论 人们很早以前在活性污泥中就观察到在曝气系统里会随控制条件的不同氮 元素的非同化损失的损失量约达 到10,"-'20,眩1屹3。一般以好氧条件为主的活 性污泥系统中，尤其是采用点源性曝气装置的生物反应器会因为结构和曝气混合 不均而在反应器内形成连续的、局部的、分区域的缺氧和厌氧环境，这就形成了 同时发生硝化和反硝化的大环境即为宏观环境。 ?微环境理论 微环境理论是从物理学的角度研究污水所处各种环境 生物膜和活性污泥 等 中溶解氧、有机氮、硝酸盐氮等传递变化，各种微生物的代谢及相互作用从 而导致微环境中各种物理、化学及生物属性的变化过程。这一理论认为:由于氧 在水体中的溶解度有限，使得氧扩散的推动力不足，就会在活性污泥和生物膜内 形成溶解氧梯度，即靠近活性污泥和生物膜的区域溶解氧浓度高，以好氧菌和氨 氧化菌为主;而在活性污泥和生物膜的内部，氧进入的量有限，形成了厌氧区域， 反硝化菌群占优，这种缺氧微环境有利于实现同步硝化和反硝化的进行。不同的 微环境适宜不同的微生物活动，不适宜的微生物则不容易在其中生存;各种微环 境中的中的溶解氧、氮元素的状态以及物质传递性能、污泥的微观结构、微生物 的分布与代谢状况不同也决定了微生物的效能。但是微环境理论的双氧区模型不 能很好的解释为什么有机碳源在穿过好氧区域是即被氧化，处于厌氧区域的反硝 化细菌得不到电子，活性就会降低，SND脱氮效率低下的问题，所以该理论需要 寻求新的突破来进一步完善。 ?微生物理论 生物学的相关理论认为，同步硝化反硝化与传统的硝化和反硝化的区别在于 存在特殊的微生物种群。Robcrtson和Mike等?,矧在反硝化和除硫系统出水中 分离出了好氧反硝化菌，经鉴定有些同时也是异养硝化菌，能在好氧条件下将氨 氮直接转化为氮气排出，Robcrtson还提出了好氧反硝化和异养硝化的模型。 5 武汉理工大学硕士学位论文 ?其他 有 学者研究发现眩卯，同步硝化反硝化过程经常伴随有亚硝态氮积累的问题， 归纳可能有以下原因: 1 游离氨对硝酸细菌有抑制作用硝酸细菌对游离氨比 较敏感，在较低的游离氨浓度时 0(1一--lmg,L 就能实现; 2 溶氧量的影响亚 硝酸细菌较硝酸细菌更容易与氧结合，亚硝化细菌与硝酸细菌的氧饱和浓度分别 为:O(2,O(4mg,L和1(2,1(5mg,L，所以在溶解氧浓度低的情况下，硝酸细菌会 因为竞争氧的劣势而无法得到足够的氧导致活性不如亚硝酸细菌: 3 亚硝酸细 菌和硝酸细菌对环境的应激性反应当活性污泥中微环境从厌氧转化为好氧时， 亚硝酸细菌的应激反应较快，而硝酸细菌的反应较为滞后，亚硝酸化速率会高于 硝酸化速率，因而亚硝酸盐就会不断累积。 同步硝化反硝化具有以下传统脱氮工艺无法比较的优点陇3: ?硝化反应过程中消耗了一定程度的碱，且在反硝化反应过程中有生成了 碱，同步硝化反硝化能够在消耗碱与生成碱之间达到平衡，有效保持了硝化细菌 最适宜生长的条件范围 pH7(5,---,8(5 。 ?在同一个反应器中同时进行硝化和反硝化反应对以SND工艺为主要工艺的 污水处理厂进行的连续运行节约了厌氧池的操作、基础建设费用以及减小了反应 器的容积，且在一定程度上减少了硝化反硝化所需要的时间。 但是SND工艺在实际应用过程中要求较高，需要保持一定浓度的污泥，即反 应池中有效进入的水量减少;若要保证较高的处理效率，必须保持污泥处于缺氧 状态以有利于反硝化作用的进行。 2 厌氧氨氧化 厌氧氨氧化是微生物在厌氧条件下将铵离子作为电子供体，以硝酸离子或亚 硝酸离子作为电子受体并将三者转化为氮气的生物氧化过程。这种工艺在反硝化 过程中不需要额外的碳源，厌氧氨氧化细菌具有低的生长速率和产率，尤其适宜 在温度高于25?和化能自养型系统中生长，且在高氮环境中也不会受到抑制， 但是在lOOmg,L的亚硝酸盐氮状态下，厌氧氨氧化会受到抑制[26,27]。 郑平啷1等在对厌氧氨氧化细菌的研究中发现，厌氧氨氧化的速率与活性污 泥的浓度成正相关，同时用同位素示踪法证明了最终产物为氮气;他们进一步研 究混合培养发现在厌氧氨氧化细菌混合培养反应器中也存在一定的好氧氨氧化 细菌，且具有较高的活性。 一些研究也证明，这种工艺能显著降低对环境的二次污染，也能降低运行成 本;但是这种工艺是在高氨氮条件下开发出来的，故对低浓度氨氮条件的处理工 艺还有待于进一步开发研究‘29~3?。 3 短程硝化反硝化 6 武汉理工大学硕士学位论文 短程硝化反硝化就是将硝化反应限制在亚硝化阶段，使亚硝态氮不能氧化为 硝态氮，直接以亚硝态氮为电子受体进行反硝化作用;硝化细菌菌群对基质的专 一性使得开发短程硝化反硝化工艺提供了理论支持，所以关键是实现氨氮氧化停 留在亚硝酸盐阶段，从而实现短程硝化反硝化。短程硝化反硝化有以下优点132]: ?短程硝化反硝化比常规状态节约供氧量25,;?短程硝化反硝化比传统工艺节 约60,的碳源;?短程硝化反硝化能降低最终的污泥量;?短程硝化反硝化降低 了碱液的需求量;?短程硝化反硝化少一步反应，反应时间也减少，同时也仅需 常规反应器容积的60,(70,。 4 典型工艺介绍 ?SHARON工艺 reactorfor AmmoniaRemovalOver SHARON SingleHighactivity Nitrite 工艺 也被称为半硝化工艺，是荷兰Delft技术大学开发的一种脱氮新工艺啪1。工艺 图如下口4]: 图1-1SH^RON工艺困 该工艺的基本原理为在同,个反应器中，氨氧化细菌在有氧条件下氧化氨氮 为亚硝酸盐，而亚硝酸盐再在缺氧条件下被转化为氮气。根据氨氧化细菌 和亚硝 酸盐细菌生长速率的不同，在高于室温的条件下 30"-'35? 氨氧化菌的活性较 高，生长速率较快因而大量的氨氧化菌群被筛选出来，能很好的适应较高的浓度 范围 5000mg,L ，能够稳定亚硝酸的产生与消耗，节省了能耗和外加的碳源 电子供体，也缩短了工艺流程。 目前，根据反应动力学和物料平衡原理，SHARON工艺已经在1(5LCSTR反应 器上实验成功，并于2002年在荷兰的鹿特丹Dokhaven废水处理厂了处理 行性，但是该工艺是基于较高温度条件下运行的，对于水温较低的污水处理状况 不是很理想，需要更多的理论研究改进[353。 ?ANAMMoX工艺 ANAMMOX Anaerobicammonium oxidation，厌氧氨氧化 工艺也是荷兰Delft 7 武汉理工大学硕士学位论文 大学日uyver生物技术于1990年提出的一种那个新型脱氮工艺C36]e该工 艺在经济方面的具有可观优势，其核心原理是以亚硝酸为电子受体，自养菌 candidatusbrocadia anammoxidans 在厌氧条件下直接将氨氮转变为氮气的生 物氧化过程‘12，别，其反应式可假定为‘371: 5NH4++3N03-_叫?+9H20+2矿一297kJ,nlo肿盯 1NH4++0(8502--*0(44N2+0(11N03"+0(14H’1(43H20 1NH3+1(32N02-+H’_?1(02N2+0(26N03"+2H20 1NH4++1(502--’1N02、H?20 或:NHl+斗N02碣+2n20―358kJlmoINH4+ 该工艺不需要投入额外有机物作为电子受体，是一种低能耗脱氮技术E383。 Schalk啪1等提出了ANAMMOX的反应机理，如下图[401 图l-2Schalk等人提出的ANAMMOX工艺的反应机理 560mg,L，因为起主要作用的菌种是自养型细菌，在1000mg,L的氨氮或者硝态 氮时基本不会被抑制，但是在较低亚硝酸盐存在的条件下会被抑制，虽然可以添 加痕量的联氨或羟胺就能改善，但是在实际应用的时候会出现菌种因生长速率十 分缓慢而产量较少、污泥需要驯化的时间也较长 大约需要11天 、可用的污泥 量少、培养富集困难等制约。 ?OLAND工艺 Nitrification Limited Denitrification 也称作 OLAND工艺 OxygenAutotrophic 限制氧自养硝 化反硝化，是由比利时Gent大学生物生态实验室开发的一种限氧 亚硝化与厌 氧氨氧化相耦连的新脱氮工艺m1，其基本工艺过程是分两个步骤进 行的:第 一步是在限氧状态下将氨氮部分氧化为亚硝酸盐，第二步是在厌氧条件 下，亚 硝酸盐与剩下的氨氮通过厌氧氨氧化而除去;亚硝酸细菌对亚硝酸盐的氧 79(410,molN 2 O(5NH4?(5N02。_O(5N2+H20一1 kJ,molN，该工艺的核 总反应式为:NH4+(加(7502-?0(5N2+1(5H20+ 矿(314(9 心思想是严格控制溶氧浓度，使得50,的氨氮在限制氧亚硝化阶 段被氧化为亚硝 8 武汉理工大学硕士学位论文 酸盐，为下一步反应提供原料，从而提高整体的脱 氮效率。0LAND工艺也能节约 37(5,的能量消耗，在室温25"C左右仍然有较 好的脱氮效果，起主导作用的好氧 氨氧化细菌和厌氧自养菌的生长速率比较缓 慢，需要的污泥量也比较少，能有效 的降低基本的运行费用，但是在混合菌群 连续培养的条件下，对溶氧、污泥的 pH不能进行很好的控制;在悬浮系统中 溶氧量较低时候的污泥沉降、膨胀及同 时硝化反硝化的条件控制方面的研究还 不够完善，存在需要活化较长时间的问题 ?100天 ，因而如何实现0LAND 工艺的快速而稳定的连续运行还得做微生物 机理方面的更多研究。 ? CANON工艺 removalOver CANON工艺 CompletelyAutotrophieNitrogen Nitrite，全程自养 脱氮 是由荷兰Delft工业大学于2002年首先提出的一种新的脱氮技术H引。该 工艺是在溶氧有限的情况下，利用纯粹的自养型微生物将氨氮和亚硝态氮同时除 去的一种生物脱氮方法，在限制氧的条件下，亚硝酸细菌 如Nitrosomonas 生成氮气，该工艺反应式如?1: 1 1NI-14++1(502―1N02-+矿+王王20 2 1NH3+1(32N02-(叶1(02N2+0(26N03"+2H20 3 1NH4++0(8502一O(44N2+0(1lN03-+1(43HEO 在一个反应器中同时发生反应。在CANON工艺中起主要作用的自养型细菌 如亚 硝酸细菌和厌氧氨氧化细菌 是化能型的，不需要额外的有机碳源，能完全适应 无机的条件;CANON工艺在硝化过程中仅仅需要50,的氨氮，硝化作用也只是控 制在亚硝化阶段，故可以少投入50,的碱液，厌氧氨氧化细菌对氧比较敏感，理 论上之需要消耗37(5,的供氧量。在CANON工艺中，氮去除是由亚硝酸细菌和厌 氧氨氧化细菌协作完成，亚硝酸细菌的反应物是氨氮和氧气，而厌氧氨氧化细菌 的反应物是氨氮和亚硝酸盐氮，在没有额外添加亚硝酸盐氮的条件下，亚硝化细 菌为厌氧氨氧化细菌提供氧化反应过程必须的底物和适宜的反应条件，在此过程 中容易被硝酸细菌会与厌氧氨氧化细菌竞争亚硝酸盐氮又会与亚硝化细菌争夺 溶解氧，亚硝酸细菌会受到溶解氧的限制，而厌氧氨氧化细菌又会受制于亚硝酸 盐氮被争夺，故要确保CANON工艺的稳定运行就必须通过控制使硝酸细菌在反 应 ’ 器中因竞争失败而淘汰。 ?AD工艺 AD工艺 Aerobic M卯 等首次提出的，他们是在德国Mechernich地区发现的这种新的生物脱氮现象一全 程自养脱氮。随着上世纪80年代生物脱氮理论的长足发展，发现了 一大批好氧 9 武汉理工大学硕士学位论文 反硝化细菌菌属，同时也是异养硝化细菌，在好氧的条件下能将氨氮等氮源直接 转化为氮气而去除，整个氨氮转化为氮气的过程都是被自养型细菌完成的，反应 式如下: 1 NH3州觇―N 120HH‘120―?蛐N02 2 HN02_0(33N2+1(33H20+O(33N02- 3 NH3州瑰一?O(33N2+1(33H20加(33N02" AD工艺的能耗是常规硝化反硝化脱氮工艺的三分之一，不需要添加额外的有 机碳源进行反硝化，运行费用降低明显。 ?自养反硝化生物脱氮 硫自养反硝化工艺是反硝化细菌在厌氧条件下利用单体硫作为电子供体，硝 酸盐作为电子受体进行的自养反硝化反应M?刀，反应式如下: 此过程一般要求溶解氧不高于lmg,L，反应过程中会产生1042’，消耗了碱液， M引认为垃圾堆埋厂通过自养反硝化的硝态氮占还原成氮 pH会有所下降。Poland 气的50,左右，主要是因为填埋厂中可利用的有机物含量较低的缘故。 除了以上研究热点工艺以外，SHARON和ANAMMOX工艺的组合等各种组 合工艺也因不同的优势而不断被研究者提出，理论方面有较大突破，实际应用方 面也获得了很大的成功。 1(4硝化细菌固定化研究现状 在废水处理的过程中，投入的硝化细菌容易随着水体流动而流失且活性也不 稳定，造成处理后出水水质中氨氮不能达到相关的排放标准，固定化技术便由此 应运而生。固定化微生物技术就是通过物理或化学的方法将菌株保存在一定的空 间区域中，使其能保持较高的活性并且可以反复利用的一种新的脱氮方法，该方 法能减少微生物的流失，有效提高菌体密度，反应速率快，从而提高了处理效率 且反应易于控制，已经成为生物脱氮研究方面的热点课题之一?1。 固定化生物菌剂的制备方法b0~511主要有 吸附法、包埋法、交联法等，其中 应用最为广泛的是包埋法。 吸附法巧 23又叫做载体结合法，是载体与细胞之间以共价键、离子键及分子 间作用力 相结合的方法，分为物理吸附法和离子吸附法两种情况;物理法是利用 活性炭、 硅藻土等具有介孔的物质的高吸附性能将微生物吸附在其表面使其固定 化的 方法;离子法是利用微生物离子键结合，在解离状态下固定在带有相反电荷 的 离子交换剂上的方法，一般常用的离子交换剂有CM一纤维素、DEAE-纤维素 等; 虽然吸附法的制备不难，但是容易脱落，牢固性不好。