污水處理中脫氮功能微生物特性及固定化應用研究.pdf

1、隨著水體富營養(yǎng)化的日趨嚴重與污水排放標準、氮素限值的日趨嚴格，水中氮素的去除已成為當今水污染防治的熱點問題之一。生物脫氮是從廢水中去除氮素污染的最為經濟有效的方法，可實現(xiàn)真正意義的氮去除。目前為止，盡管傳統(tǒng)生物脫氮工藝是多數廢水生物脫氮處理的主要承擔者，但仍存在著硝化速率低、工藝復雜、脫氮效率低等缺點。而在氮素循環(huán)過程中發(fā)現(xiàn)的新型脫氮微生物，可以克服傳統(tǒng)生物脫氮工藝固有的問題，對這些微生物的研究與新型脫氮工藝開發(fā)，是對傳統(tǒng)生物脫氮理論與

2、實踐的豐富與突破。本文從活性污泥中分離出一株異養(yǎng)硝化/好氧反硝化細菌A1、一株高效缺氧反硝化細菌D6，研究了兩株細菌以及已有的好氧反硝化細菌AD6脫氮過程的生態(tài)影響因子。同時考察了Ca2+在好氧顆粒污泥形成中的作用，確定了SBR中快速培育好氧顆粒污泥的條件。在此基礎上，將分離、鑒定的3株脫氮功能菌以好氧顆粒污泥形式固定化，研究了其在開放的污水處理系統(tǒng)中的作用與穩(wěn)定性，構建了基于微生物及環(huán)境因子的同步硝化與反硝化工藝(Simultaneo

3、us Nitrification and Denitrification, SND)。本文主要研究結果為：
　　 從活性污泥中分離得到一株異養(yǎng)硝化細菌A1，通過形態(tài)學、生理生化特征并結合16SrDNA序列同源性分析，初步鑒定該菌為枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）。菌株A1可以自養(yǎng)生長。當培養(yǎng)液NH4+為105.58、257.23mg/L時，菌株A1培養(yǎng)120h，培養(yǎng)液COD可達94.77、90.26mg/L，對

4、NH4+去除率為36.32％、19.53％，對TN去除率為24.88、13.09％;當NH4+為536.21、1014.17mg/L時，菌株A1生長受到抑制，培養(yǎng)120h，培養(yǎng)液COD分別為56.80、33.56mg/L，菌株A1對NH4+去除率僅有6.54％、2.26％，對TN去除率僅為4.07％、2.27％，基本沒有脫氮效果?？疾炝颂荚捶N類與數量對菌株A1脫氮特性的影響。葡萄糖、檸檬酸鹽、丁二酸鹽、乙酸鹽4種碳源對菌株A1脫氮特性的

5、影響沒有明顯差異，以乙酸鹽為碳源時，最大COD、NH4+、TN去除效率分別為71.08％、60.35％、52.22％。培養(yǎng)液碳源為乙酸鹽，菌株A1在C/N值為6、12時，對COD,TN，NH4+去除效率較高，分別為79.35％、71.08％,59.21％、52.22％，67.07％、60.35％，培養(yǎng)過程中培養(yǎng)液DO始終大于4.01mg/L。由此，菌株A1具有異養(yǎng)硝化/好氧反硝化功能。
　　 通過菌株形態(tài)觀察、生理生化特征及16

6、SrDNA序列分析，鑒定一株可進行好氧反硝化作用的細菌AD6為假單胞菌屬門多薩菌（Pseudomonasmendocina）。采用搖瓶試驗，研究了C/N值，培養(yǎng)液DO及檸檬酸鹽、乙酸鹽、葡萄糖3種有機碳源，NH4+、NO2ˉ和NO3ˉ3種氮源對好氧反硝化細菌AD6脫氮特性的影響。C/N值不僅直接影響好氧反硝化過程中碳源數量，也顯著影響培養(yǎng)液DO變化。起始C/N值為3時，因碳源數量不夠而導致AD6好氧反硝化脫氮效率僅有41.71％；當起始

7、C/N值為23、15、8時，培養(yǎng)液DO先快速下降至缺氧狀態(tài)然后再升至好氧狀態(tài)，反應末期TN損失率分別為69.33％、70.41％、55.40％，其中好氧階段反硝化作用引起的TN損失約為6.93％、20.09％、24.60％。培養(yǎng)液起始DO為7.15～8.08mg/L,C/N值為15及以下，搖瓶(250mL三角瓶)裝液量為25～100mL，搖床轉速為180r/min，培養(yǎng)液DO先下降至缺氧狀態(tài)，但可在反硝化反應進行24h后恢復至好氧狀態(tài)，

8、減少搖瓶裝液量的充氧措施提高培養(yǎng)液DO效果有限。檸檬酸鹽與乙酸鹽是AD6能夠高效利用的碳源，利用率可達89.64％、92.11％，而同樣條件下葡萄糖的利用率僅有40.56％。乙酸鹽促進了AD6的好氧反硝化功能，TN去除率、好氧反硝化脫氮效率分別比以檸檬酸鹽為碳源時高13.63％、5.18％。該菌株可分別以NH4+、NO2ˉ和NO3ˉ為起始氮源進行生長與脫氮作用，培養(yǎng)29～33h達到最大氮去除效率，分別為16.57％、74.84％與74.

9、61％,AD6表現(xiàn)出微弱的異養(yǎng)硝化/好氧反硝化功能。
　　 從活性污泥中分離篩選出一株高效缺氧反硝化細菌D6，通過形態(tài)學、生理生化特征并結合16SrDNA序列同源性分析，初步鑒定該菌為施氏假單胞菌（PseudomDnasstutzeri)。當C/N值為6、12時，菌株D6經過54h培養(yǎng)，COD、TN去除效率可分別達到90％、80％以上。檸檬酸鹽、乙酸鹽是菌株D6反硝化過程中能高效利用的碳源，當C/N值為6，培養(yǎng)54h后，可分別取

10、得80.72％、74.75％的TN去除率以及90.53％、86.30％的COD去除率；同樣培養(yǎng)條件下，菌株D6以葡萄糖為碳源，TN與COD去除率分別只有56.56％、74.64％。當C/N值為6,NO3ˉ濃度為182.38～358.30mg/L，菌株D6脫氮效率不受NO3ˉ濃度影響，可達80.72～82.50％。采用搖床振蕩培養(yǎng)與培養(yǎng)箱靜置培養(yǎng)2種方式考察菌株D6的反硝化特性，發(fā)現(xiàn)當培養(yǎng)液DO大于1.0mg/L，菌株D6的反硝化特性基本

11、被抑制。
　　 通過運行序批式生物反應器(Sequencing Batch Reactor， SBR)與搖瓶試驗相結合方法，在進水中投加不同數量Ca2+(0～200mg/L)，考察了Ca在好氧顆粒污泥形成中的作用。設計了進水Ca2+含量分別為30(Ⅰ)、100mg/L(Ⅱ)的2組SBR試驗，運行20d后，兩反應器中均出現(xiàn)了好氧顆粒污泥。運行前50d，SBR I中顆粒污泥濃度(Mixed Liquor Suspended Soli

12、d,MLSS)與污泥沉降指數（SludgeVolumeIndex,SVI）指標明顯好于SBRⅡ；運行后期，SBRⅠ、Ⅱ中MLSS、SVI差異很小。反應器運行與搖瓶試驗表明，當進水中Ca2+為0～200mg/L，進水中Ca2+含量的增加對污泥Zeta電位影響很小，沒有引起好氧顆粒污泥Zeta電位的明顯差異，電中和在顆粒污泥形成過程中并不起重要作用。隨著進水Ca2濃度增加，顆粒污泥中的微生物數量與種類都逐漸豐富，Ca2+有助于促進污泥中微生

13、物多樣性。接種污泥及SBR中顆粒污泥的元素含量分析表明，顆粒污泥中Ca、Mg、K、Na含量均有所減少，F(xiàn)e含量分別增加了4.42％、7.82％。具有良好絮凝作用的金屬離子與EPS間形成的高分子生物聚合體可能是促進好氧顆粒污泥形成的主要原因。采用2套相同的模擬SBR裝置，配制典型的高濃度生活污水，在上述運行條件下均形成好氧顆粒污泥。其中1套模擬SBR裝置在好氧顆粒污泥形成過程中，按7天1次的頻率投加了3次A1、AD6、D6的混合菌液。60

14、d運行試驗結果表明，投加功能菌的SBR中形成了具有良好脫氮效果的好氧顆粒污泥，對COD、TN、NH4+的去除效率分別達到96.53％、85.59％、99.54％，比普通好氧顆粒污泥分別高2.02％、22.16％、5.31％，反應過程中NO3ˉ、NO2ˉ的積累量很少，出水中COD、TN、NH4+濃度可以穩(wěn)定地達到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB18918-2002)一級A標準，具有較好的同步脫氮除碳功能。對裝置運行過程中顆粒污泥PCR-

15、DGGE圖譜的動態(tài)研究分析表明，接入的異養(yǎng)硝化/好氧反硝化細菌A1、好氧反硝化細菌AD6、缺氧反硝化細菌D6能夠固定在顆粒污泥中，在SBR反應器中具有一定的數量優(yōu)勢，有助于功能菌長期穩(wěn)定的發(fā)揮脫氮功能。
　　 全文研究表明，異養(yǎng)硝化菌株A1、好氧反硝化菌株AD6、缺氧反硝化菌株D6均具有氮脫除功能，但菌株類型不同，生態(tài)因子如有機物濃度、碳源種類、DO、氮源等對脫氮特性的影響存在明顯差異。將3類脫氮功能菌組合，形成好氧顆粒污泥，能