硝化细菌培养条件的优化.pdf

分类号U D C密级武多凄理歹大浮学位论文题目趟丝细菌埴差釜仕的笾化英文一O p t i m i z a t i o no fC u l t u r eC o n d i t i o n sN i t r i f y i n gB a c t e r i a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Q Q 2 Q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3 Q Q 2 垒申请学位级别亟学科专业名称化堂工程论文提交日期2 Q!生目论文答辩日期2 Q!生且学位授予单位武这理王太堂学位授予日期2 Q!生鱼目答辩委员会主席评阅人2 0 11 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p n 为7 0 左右、温度在3 0。C 左右、摇床转速为1 5 0 r r a i n 左右。在此条件下，该自养硝化细菌在1 0 天的时间里氨氮降解率达9 9 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p n 为7 5 左右、温度为3 0*(2左右、摇床转速为1 5 0-2 0 0 f r a i n，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9 9 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1 0 0，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p n 范围在7 O 9 O 之间，温度为3 0 左右，溶解氧的量7 0，发酵培养得到菌体浓度达到1 0 0 2 4X1 0 8 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C O D c r 分别从6 4 7 4 m g L 和2 7 1 0 m g L 降低到2 6 4 m g L 和0 6 6 m g L，远远低于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A b s t r a c t黝t h ea d v a n c eo fi n d u s t r i a l i z a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y,t h ee n v i r o n m e n th a sb e e ns e r i o u s l yp o l l u t e d,w a t e rr e s o u r c e sa r ei n c r e a s i n g l yw o r r y i n g A m m o n i ai sa ni m p o r t a n tm a t e r i a lc a u s e dn u t r i e n t-r i c hw a t e ra n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n,w a t e rp o l l u t i o ni so n eo ft h em a j o rs o u r c e so fp o l l u t i o n T h em a i ns o u r c e so fa m m o n i aa g e：m u n i c i p a lw a s t e w a t e r,i n d u s t r i a lw a s t e w a t e r,s u c ha sm e d i c i n e,f o o da n di n d u s t r i a lw a s t e w a t e r,a sw e l la sv a r i o u sc h e m i c a li n d u s t r i a lw a s t e w a t e rs u c ha sl a n d f i l ll e a c h a t e C u r r e n t l y，t h ep r o c e s s i n gm e t h o do fa m m o n i an i t r o g e nn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o nb i o l o g i c a la g e n t sm e t h o di sm o r ei d e a l B i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lt e c h n o l o g yi sc u r r e n t l yt h em a i nr e s e a r c hf o c u si st h es i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o r t,n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n,a n da n a e r o b i ca m m o n i ao x i d a t i o n T h en i t r i f y i n gb a c t e r i ai nb i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o nm i c r o o r g a n i s m sp l a yam a j o rr o l e，d i r e c t l ya f f e c tn i t r i f i c a t i o na n db i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c y T h ep u r p o s eo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta p p l i c a t i o n sb a s e do ns o i la n ds l u d g ef r o ms e v e r a ls t r a i n sw e r ei s o l a t e dw i t hs t r o n gb i o l o g i c a la c t i v i t yo fn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o nt oo p t i m i z et h ec u l t u r eo fb l c _ t e d a，a n du s i n gs i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o ni nt h et h e o r yo fs c a l e-u pc u l t i v a t i o n,p r o d u c t i o nC a nb e、)l，i d e l yn i t r o g e np o l l u t i o no fw a t e r su s e db yt h eb i o l o g i c a la g e n t s I nt h i st h e s i s，s o m ew o r kt od ot h ef o l l o w i n g：(1)o p t i m i z a t i o no f a u t o t r o p h i cn i t r i f y i n gb a c t e r i ac u l t u r eI s o l a t e df r o ms o i l，p u r i f i e da n di d e n t i f i e ds e v e r a ls t r a i n so b t a i n e df r o mt h en i t r i f y i n gs t r a i n sw e r ec u l t u r e d，c h o o s ear i c hm e d i u mg r o w t hc o n d i t i o ni nag o o d,f a s tg r o w t ho ft h es t r a i n s，a n dt a k e ss i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t sm e d i u mc o m p o s i t i o n,o p t i m i z a t i o no fg r o w t hc o n d i t i o n s，t h eb e t t e rt oe x p l o r ec o m p o s i t i o nb yt h er a t i oo ft h es t r a i na n dt h eg r o w t ho fb e t t e rp Ha b o u t7 0，t h eo p t i m u mt e m p e r a t u r ei s3 0，a b o u ts h a k e rs p e e d15 0 r m i n U n d e rt h e s ec o n d i t i o n s，t h en i t r i f y i n gb a c t e r i ao ft h eg e n u si n10d a y sf r o mt h et i m et h ed e g r a d a t i o nr a t eo f9 9 a m m o n i a(2)O p t i m i z a t i o no fh e t e r o t r o p h i cn i t r i f y i n gb a c t e r i ac u l t u r eS e l e c tf r o mt h es l u d g es e p a r a t i o n,a n de n r i c h m e n ta n dt h ef a s tg r o w i n gs t r a i n,a n dt h e nc a r r i e do u tu s i n gs i n g l ef a c t o ro p t i m i z a t i o no fg r o w t hc o n d i t i o n s，t h eb e t t e rt oe x p l o r ec o m p o s i t i o nb yt h er a t i oo ft h es t r a i na n dg r o w t ho ft h eb e t t e rr a n g eo fa b o u t7 5p H，m o s ts u i t a b l et e m p e r a t u r er a n g ei s3 0，s h a k i n gs p e e do f1 5 0 2 0 0 r r a i n,c a r b o na n dn i t r o g e nr a t i oo f8 U n d e rt h e s ec o n d i t i o n s，t h eh e t c r o t r o p h i cb a c t e r i ao f武汉理工大学硕士学位论文t h eg e n u si n5d a y sf r o mt h et i m et h ed e g r a d a t i o nm t eo f9 9 a m m o n i a(3)a u t o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o na n dh e t e r o t r o p h i eb a c t e r i ai nh y b r i do p t i m i z a t i o nA u t o t r o p h i c-h e t e r o t r o p h i cn i t r i f y i n gb a c t e r i ad u r i n gm i x e dt r a i n i n g5d a y s，t h ea m m o n i ad e g r a d a t e dt on e a r0，a n dac e r t a i nd e g r e eo fn i t r i t ea c c u m u l a t i o n,n i t r i t ea l s oi n c r e a s e db u tn o tm u c h,S Ot h ee f f e c to fa m m o n i am i x e dc u l t u r ed e g r a d i n gi so b v i o u s，b u tt h en i t r i t en i t r o g e na n dn i t r a t en i t r o g e na r ea c c u m u l a t e d(4)M i x e dM i x e dc u l t u r eo p t i m i z a t i o nn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o nN i t r i f i c a t i o n-d e n i t r i f i c a t i o np r o c e s si nt h em i x e dc u l t u r eo fb a c t e r i a,4-d a yp e r i o d,t h ed e g r a d a t i o nr a t eo fc l o s et o10 0 o ft h ea m m o n i a,n i t r i t ed i dn o ta c c m u l a t ea n db a c t e r i a lg r o w t hi nt h eb a s i c 躐o fn i t r a t en i t r o g e ni n c r e a s e d,b u tt h ei n c r e a s eW a sn o to b v i o u s，T h e r e f o r e，t h i sm i x e dc u l t u r ed e g r a d a t i o na m m o n i a,n i t r i t em o r eo b v i o u se f f e c t(5)n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o no fh i g h-d e n s i t ym i x e d c u l t u r eT h ee f f e c to fs h a k i n gc u l t u r ef o rt h eb e r e ti nt h es c a l e s t r a i nc u l t u r e，t h ew a yt h r o u g ht h eb a t c hc u l t u r ei nt h ef e r m e n t a t i o nt a n kt od e t e r m i n et h eo p t i m a lc u l t u r ec o n d i t i o n sf o rt h er a n g eo fp Hc o n d i t i o n sb e t w e e n7 0t o9 0，t h et e m p e r a t u r ei s3 0，7 0 o ft h ea m o u n to fd i s s o l v e do x y g e n，a n df o rt h e s ec o n d i t i o n st h ef e r m e n t a t i o nb yb a c t e r i a lc o n c e n t r a t i o nr e a c h e d1 0 0 2 4X10 6，a g e n t sh a v et h eh i g h e rc o n c e n t r a t i o n A p p l i c a t i o no fap r e p a r a t i o no fag o o da n t i m i c r o b i a lt r e a t m e n to fs e w a g ew a t e rt r e a t m e n tp l a n t，i nt h r e ed a y st i m e，a m m o n i aa n dC O D c rr e s p e c t i v e l y，f r o m6 4 7 4 m g La n d2 71 0 m g Ld e c r e a s e dt o2 6 4 m g La n d0 6 6 m g L，f a rl e s st h a nt h en a t i o n a le m i s s i o ns t a n d a r d s K e yw o r d s：b a c t e r i a,g r o w t hc o n d i t i o n s，o p t i m i z a t i o nI V武汉理工大学硕士学位论文目录中文摘要IA b s t r a c t H I第1 章引言11 1 氮元素概述11 1 1 自然界中氮元素的循环一l1 1 2 氮元素污染的来源与危害一11 1 3 含氮废水中氮元素排放标准。21 2 硝化细菌概述21 2 1 硝化细菌的分类一21 2 2 硝化细菌的特征31 3 生物脱氮技术的研究现状31 3 1 传统生物脱氮过程31 3 2 传统生物脱氮的不足一41 3 3 生物脱氮新技术41 4 硝化细菌固定化研究现状101 5 课题研究的目的及意义1 11 6 课题研究内容及技术路线1 21 6 1 研究内容1 21 6 2 研究技术路线1 2第2 章生物脱氦及其影响因素1 32 1 自养型硝化细菌132 2 异养型硝化细菌132 2 1 常见的异养硝化细菌及相关研究1 32 2 2 异养硝化的关键酶1 52 2 3 异养硝化的途径及优点1 62 3 硝化细菌培养的影响条件1 62 3 1 氨氮浓度的影响1 62 3 2p H 条件的影响一1 72 3 3 温度的影响1 72 3 4 溶解氧的影响1 72 3 5 碳源和碳氮比的影响1 72 3 6 其他影响因素l8第3 章硝化细菌的培养与优化1 93 1 实验材料1 93 1 1 菌种来源一l93 1 2 化学试剂193 1 3 实验仪器1 93 1 4 分析方法1 93 1 5 标准曲线的绘制1 93 1 6 硝化细菌计数2 2武汉理工大学硕士学位论文3 1 7 硝化速率测定2 23 2 自养型硝化细菌的培养2 33 2 1 培养基成分2 33 2 2 培养条件单因素实验2 33 2 3 检测结果与结论2 43 2 4 自养硝化细菌计数与硝化速率的测定2 73 3 异养型硝化细菌的培养2 73 3 1 培养基成分2 73 3 2 培养条件单因素实验2 73 3 3 检测结果与结论2 83 3 4 培养基成分正交试验3 23 3 5 异养硝化细菌计数与硝化速率的测定3 33 4 自养型与异养型硝化细菌的混合培养3 33 4 1 培养基成分3 33 4 2 混合培养的生长曲线3 43 4 3 小结与讨论3 43 5 硝化一反硝化的混合培养探索一3 43 5 1 培养基成分正交实验3 43 5 2 混合培养生长曲线3 63 5 3 小结与讨论3 63 6 中试放大发酵3 63 6 1 培养基成分：一3 63 6 2 溶解氧浓度的优化3 73 6 3 细菌计数3 83 6 4 混合菌剂发酵过程中氮消耗曲线3 83 6 5 小结与讨论3 83 7 菌剂应用3 8第4 章结论4 0至炙谢一4 l参考文献4 2武汉理工大学硕士学位论文1 1 氮元素概述第1 章引言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R N A、D N A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 2 m g L 和0 0 2 m g 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1 0 m g L 或硝酸盐含量超武汉理工大学硕士学位论文过5 0 m g 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l m g 的氨氮在硝化过程中要消耗4 6 m g 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r 3 。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(G B 8 9 7 8 一1 9 9 6)，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1 5 m g【,、二级排放标准为5 0 m g L，其他行业为：一级标准为1 5 m g L、二级排放标准为2 5 m g I,。而新近颁布的城镇污水处理厂污染物排放标准(G B l 8 9 1 8 2 0 0 2)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1 5 m g L，B 标准为2 0 m g L；氨氮以氮计分一级和二级两个标准，其中一级A 标准为5 -S m g L，B 标准8-一1 5 m g L，二级标准为2 5 -3 0 m g LH。1 2 硝化细菌概述硝化细菌(N i t r i f T i n gb a e t e d a)是一类在整个生物圈的氮素循环中起关键作用的菌群，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，W i n o g r a d s k y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；另一类是将亚硝酸盐氧化为硝酸盐的硝酸细菌，这两类都属于硝化杆菌(N i t r o b a c t e r a c e a e)。目前，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1 6 sr R N A 基因序列的研究发现，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(P r o t e o b a e t e r i a)的Q、1 3、丫、8 4 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1 0 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、p H、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，反应式为：R C H N H 2 C O O H+0 2-*R C H(O H)C O O H+C 0 2+N H 3(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：N H 4+1 5 0 2 N 0 2-+2+H 2 0。这个过程决定了整个硝化过程的速度，是速率控制步骤，然后硝酸细菌将亚硝酸盐氧化为稳定的硝酸盐，反应式：N 0 2 5 0 2 _ N 0 3。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硝化过程，反应式：6 N 0 3 +5 C H 3 0 H _ 5 C 0 2+3 N 2+7 H 2 0+6 0 H。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，这个工艺流程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；S B R(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；B A F(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p H 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 1 3 3，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：(1)同步硝化反硝化(S i m u l t a n e o u sN i t r i f i c a t i o na n dD c n i i t r i f i e a t i o n，S N D)同步硝化反硝化(S N D)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n 5 2 0】。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1 0 -2 0 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，S N D 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。R o b c r t s o n 和M i k e 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，R o b c r t s o n 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-l m g 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 4 m g L 和1 2 1 5 m g 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