单级生物脱氮技术研究赵庆祥

技术进步单级生物脱氮技术研究①赵庆祥曹国民龚剑丽张形华东理工大学环境工程系(上海2加237)摘要:研究了将硝化菌和反硝化菌混合包埋,利用载体对氧产生的扩散阻力在颗粒内部形成好氧区、缺氧区和厌氧区,使硝化和反硝化两个过程有机地结合在一起,在好氧条件下同时进行硝化和反硝化。关健词:生物脱氮硝化反硝化固定化StudyZ丙。。onSingle一stageBiodenitriifeationTeehnology伍矛1召%之。了堵`改,Q刃械。肠gnZ户ZognoTgnAb成r翻比:hTesingle一s往gLebidoeniitrifeadonteeh议,10。一under加司iaeorbieoonditions~studjedb》一usignhteenrpemtionsofniitr6,inganddein颐灯下i飞加et币aon加plx,1inaaC一alginate邵11洲笼lds.1卯ssiblefornitr币eat二onanddeni厉月cation,e画ng51。己泊。以〕uslyinsiglneaereotrunderofhteverseneeofaeorbie,绷xieandanaeobrie幼nes州htinhteaC一alginaetgel晚a击.Keywords:Biodeniitrifcation;Ni苗6cation;跳ni苗ifcation:h~biliiazton1引言近年来由于工农业生产的发展、人口的剧增及城市化,导致含氮工业废水和生活污水排量大大增加。大量含氮化合物排人水体,使湖泊、河流和近海海域藻类过量繁殖,引起水体的富营养化。目前主要采用活性污泥法脱除废水中的氮,但由于活性污泥法脱氮的主体—硝化菌生长缓慢,为避免其流失,取得较好的脱氮效果,往往要求污泥在反应器中停留很长的时间,即需要很大的曝气池.从而限制了活性污泥系统的处理能力。为达到新的排放标准(总氮l伍1唱/)L,必须对原有的曝气池进行扩建,但由于空间的限制,扩建活性污泥处理系统往往非常困难,甚至不可能。因此,开发一种有效的废水生物脱氮技术已成为人们关注的热点,最近几十年来研究人员开发了许多新的生物脱氮技术`,一“!。需要强调指出的是,尽管在生物脱氮技术上有了很多改进,但硝化和反硝化仍是在两个独立的或分隔的反应器中进行。一个过程分两个系统,条件控制复杂,两者难以在时间和空间上统一,脱氮效果差,设备庞大,投资高。很明显,如果两个过程能在一个反应器中进行,既可节省更多的占地面积和投资,还可避免亚硝酸盐氧化成硝酸盐及硝酸盐再还原成亚硝酸盐这两个多余的反应,从而大约可节省25%的氧气和40%的有机碳川。为此,近年来各国都在研究单级生物脱氮技术`R〕C本课题将硝化菌和反硝化菌混合包埋,利用扩散阻力在颗粒内部产生的氧浓度梯度形成好氧区.缺氧区和厌氧区,使硝化和反硝化两个过程有机地结合在一起,研究了在好氧条件下同时进行硝化和反硝化的单级生物脱氮技术。2材料与方法2.1硝化细菌和反硝化细菌及其培养基试验所用的硝化细菌和反硝化细菌均由本实验室自行培养。硝化细菌的培养基组成为:(N凡):弧700mg几,NaHCO31姗mg几,适量的铁、钙和镁等微量元素和磷酸盐缓冲液;反硝化细菌的培养基组成为:翻Q18()伪19/L,c凡OH巧仪知吧几,适量的微量元素和磷酸缓冲液。2.2化学试剂海藻酸钠(化学纯),其他试剂均为国产分析纯。2.3细胞的固定化方法将硝化细菌或反硝化细菌的培养液在3X(心,/而n下离心1m5in,用生理水洗涤并离心两次。然后将所得的浓缩菌体按一定的比例与3%的海藻酸钠溶液混合均匀,用注射器滴人到4%的心C飞溶液中,经搅拌、钙化一段第一作者简介:赵庆祥教授博士生导师工国家自然科学基金资助项目(29777X()7)止涣代么第24卷第24期DOI:10.16759/j.cnki.issn.1004-017x.1999.24.002技术进步时间后,形成直径约为3~的小球。将上述小球先用0.仪沁幻1/L己二胺处理hl,再以0.3、l/L戊二醛交联10min,以增加载体的机械强度污’。2.4模拟废水组成(l)模拟氨氮废水:(NI甄):呱300一义冷1堆/L,NaHc场,义〕一峨刃助合L,适量的微量元素,c凡OH340-570哩几,,压11M、pH为8.2的cHl一irTs缓冲溶液。(2)模拟硝酸盐废水:NKQ350一义众飞/L.C几OH250一3沁嗯/L,适量的微量元素,,h飞M、pH7.8的HCI一irTs缓冲溶液:2.5固定化细胞的间歇试验试验在有效容积约为l(L内径5.Icm,高从km)并带有保温夹套(夹套内通3O士1℃的水,考察温度的影响时除外)的鼓泡床中进行,其中固定化细胞的填充率为巧%一20%,空气流量为20一30U卜,oo二3一阮咯/L。每隔一定时间从反应器中取出少量样品,分析其中N几十一N、N场一N和N住一N的浓度,并按下式计算总无机氮(ITN)的浓度:nN二N几一N+N岛-一N+N住一N2.6分析方法N几十一N、N场一N及N压一N用比色法御、分析。3.2好氧条件下的单级生物脱氮游离和固定的混合细胞在好氧条件下脱氮的试验结果如图2所示。由图a2可见,游离体系中N托`一N的浓度随时间单调减少,初期下降较快,2h4后下降缓慢。与N玩十一N浓度的变化相对应,初期N仇-一N的浓度随时间升高较快,2h4后几乎保持不变。而N姚一N的浓度则开始增加,h8以后减少,2h4后趋于零。也就是说,在好氧条件下游离的棍合细胞可以将N从`一N氧化成Nq一N和N仇-一N,但由于伪的存在,不能进行反硝化,因此溶液中出现了NQ-一N的积累。而由图2b可见,随着反应时间的延长,N仇一N和Nq一N的浓度在出现一个小的峰值后迅速下降,3h6后N玩`一N、NxO一N都趋于零,体系中无NO3-一N和N住一N的积累。说明固定化混合细胞不仅能将N比十一N氧化成N住一N和NQ一N,而且由于载体内部存在氧的浓度梯度,形成了缺氧区和厌氧区,能在好氧条件下进行反硝化反应,将N场-一N和N住一N还原成又,实现单级生物脱氮。此外,由图2还可以看出,混合固定的体系中N住一N的浓度明显低于游离体系.说明在混合固定的体系中有部分Nq一N被反硝化菌直接还原成了凡,这样就可以缩短脱氮历程,提高脱氮速率,节省氧气和有机碳源。ǐ一时任翅径属3结果与讨论3.1固定化对硝化菌和反硝化菌活力的影晌图la表示在游离的硝化细菌和固定的硝化细菌作用下氨氧化的时间进程;图lb表示在游离的反硝化细菌和固定的反硝化细菌作用下硝酸盐还原的时间进程。由图I可知,固定化硝化菌对氨的氧化速率约是游离硝化菌的70%,固定化反硝化菌对硝酸盐的还原速率约是游离反硝化菌的74%。这主要有两个方面的原因:一是在细胞的固定化过程中,特别是在用化学试剂对载体进行强化时,使部分细胞失活;二是细胞被固定化后,传质阻力增大,使细胞的表观活力下降。但是与VPA一翻酸法固定化反硝化菌时活力回收率仅14%11`’相比,海藻酸钙包埋时的活力回收率要高得多,说明海藻酸钙是包埋固定硝化菌和反硝化菌较为理想的载体。笼笼二一一的706050,03020旧。于管à剑悦撼~川卜~氮氮州卜一亚梢氮-州卜一硝氮-势-总无机氛8助胡l、一`三O门门魂两`创长抓公\~_、、,功印功,03020100ō州.任赵长城杯1015202三时间(h)CCCCC\\\\\时间亡h、圈l固定化对硝化菌和反硝化菌活力的影响田2好氧条件下游离和固定化混合细菌脱氮的时间进程3.3pH值对固定化细胞活力的影响pH值是影响生物脱氮过程的一个重要因素。硝化过程的最适州值为8.0一8.4,而反硝化过程的最适pH值为7.0一7.5{12,。因此,对于硝化菌和反硝化菌混合固定的单级脱氮过程,必须探索一个最适当的pH值、试验结果见图3。由图3可知,最适当的pH值在8.2左右,与硝化过程的最适pH值相同,但比反硝化最适PH值高。这一结果表明,通常硝化过程是整个生物脱氮过程的控制步骤,单级生物脱氮过程同样取决于硝化的快慢。采用包埋法固定化细胞或酶时,不会改变细胞或酶的高级结构1”1。因此,固定化细胞的最适pH值与游离细胞硝化时的最适pH值基本一致。1卿年第24期止乡岛`七久技技术进步0.11吨耐·d,相当于玲B法「`’脱氮速率的2.2倍。一.巴只暇言哥56了99pl又圈3pH值对固定化细胞活力的影晌3.4温度对固定化细胞活力的影响温度对生物脱氮过程的影响比对BOD降解过程的影响大,它是影响生物脱氮过程的另一个重要因素。图4表示温度与脱氮速率之间的关系。由图4可知,在30℃以下,随着温度的升高,脱氮速率增大;温度超过30℃后,脱氮速率随温度升高反而减小;最适脱氮温度是30℃。在悬浮生长的生物脱氮过程中,当温度低至10℃时,硝化相对速率仅为30℃时的27%l[’’。而本试验当温度低至or℃时,脱氮速率约为30℃时的46%,这表明固定化细胞对低温有较好的抗性。nù八曰八é09日1山ǎ,.à000八lJ冲-6rj.嘴ǐ、勺妄母01020:玉040气0沮度(C)图4沮度对固定化细胞活力的影晌3.5固定化细胞的操作稳定性操作稳定性是固定化细胞能否实际应用的关键。为此,采用批式试验考察了固定化混合细胞的操作稳定性,每个循环(4h8)结束时,建出固定化细胞,用蒸馏水洗涤并过滤后与新鲜的模拟废水一起加人到反应器中,进行新一轮操作,试验结果如图5所示。..、叻盆)玲叫减玛00“。一万一,犷巧重复次数圈5固定化细胞的操作称定性由图5可见,脱氮速率开始随着重复次数的增大而逐渐增加,经过3个循环后,脱氮速率趋于稳定。随后,固定化细胞在较高的脱氮速率下稳定操作超过11个循环,表明固定化细胞至少可以稳定22天。此外,由图5还可知,在稳定操作期固定化细胞的平均脱氮速率约为4结论(l)海藻酸钙是包埋固定硝化菌和反硝化菌较为理想的载体,包埋后细胞的活力回收率较高(全70%);并且固定化细胞的操作稳定性也较高,至少可以稳定使用22d,其间的平均脱氮速率约为0.11k留耐·d,相当于SPB法l’l脱氮速率的2.2倍。(2)由于在载体内部存在好氧区、缺氧区和厌氧区,混合固定的硝化菌和反硝化菌可以在好氧条件下同时进行硝化和反硝化,实现单级生物脱氮。在单级生物脱氮过程中、有部分Nq一N直接还原成了氮气,这样可以缩短脱氮历程,提高脱氮速率,节省氧气和有机碳源。(3)利用混合固定的硝化菌与反硝化菌进行单级生物脱氮时的最适当的声值和温度分别是8.2和30℃。参考文献1llw吐田、ables,ok公托Y,HI””aK,以吐.环飞.r义~几山训,31(l):195一203,(1995)[2]阮nP明』氏ntelSK.礴五此:及交艘几以以〕l,38(l):247一254,(l男8)【3]Fennandez一P曲切eoF,Re幻FJa几」JoSJ.环山匕反~了h负耐,29(10一11):339一34石,(1994)[4」T滋卜妇akeDL.Sn.ndSE田创W山远口阅nKJ.环二.叮尺匕台叭汤,一2:1513一1517,(1988)15]如Sal.t,VIA,M.B画esnM,T爪网阵rJ,dal.月即1Mic用丑切妇如助l,45:447一453,(11刹汉玉)16」Ua.以oH山记,吐`H.尸哪石如仍负耐,11(jm.油山刘沈Us):6盆一632,(l交沁)日]do65川t、vIA,M,Tm川阵rJ词Wij压山llRBi理触认蒯山甘协人日,,4:321一3叫,(l卯8)t81曹国民、赵庆祥、张彤.中国给水排水(已录用,待发表)19]雷乐成.水处理技术,18(l):46一51,(l男2)L101国家环保局编.水和废水监测分折方法.第3版.北京:中国环境科学出版社.252一280,(1989)(一l]山YF田侧』伪enKC.Wi.灰`了b如协之,28(7):159一l拼,(l卯3)【121章非娟编著.生物脱氮技术,北京:中国环境科学出版社、17一3(),(l卯2)【13】B`IeyEJ蒯0正5Dv.召奴如,D烤声认瓜肠.州.NewoYkr:McCWar一Hi卫致刀kaC