高温自养硝化反硝化工艺研究

应用与环境生物学报2010，16(1):122~125ChinJApplEnvironBiol=ISSN1006-687X2010-02-25DOI:10.3724/SP.J.1145.2010.00122传统的生物脱氮工艺包括硝化和反硝化两个阶段，硝化和反硝化过程分别由自养亚硝化、硝化细菌和异养反硝化细菌作用完成[1]，反硝化过程需要消耗有机碳源。此外，针对大量低C/N比或完全无机氨氮废水的污染，学者们已经开发出了厌氧氨氧化（ANAMMOX）工艺[2]、同步硝化反硝化（SND）工艺[3]、氧限制自养硝化反硝化（OLAND）为典型的全程自养脱氮工艺[4]，基于亚硝酸盐的全自养型氮去除（CANON）工艺[5]、好氧脱氨（Aerobicdeammonification）工艺[6]以及短程硝化-厌氧氨氧化（SHARON-ANAMMOX）的联合工艺[7].然而，在一些工业生产过程中，如石油、化工、化肥等行业，常排放大量的高温无机氨氮废水，由于这些温度超出了常规微生物的耐受温度，从而使得现有的生物脱氮工艺受到限制.温度是影响氨氮生物氧化的重要因子，一般认为，大多数硝化细菌生长的温度范围为15~35℃，��温度为，��温度为30℃[8~9]，当温度超过38℃�，硝化作用�完全���，硝化作用�完全��[9].本实验分别从高温环境和城市污水处理厂活性污泥中分离、驯化获得数株耐高温的亚硝化细菌，经鉴定为亚硝化单胞菌（Nitrosomonas），对其中一株亚硝化单胞菌（Nitrosomonassp.）纯菌株生物脱氮过程的研究发现，在高温好氧的条件高温自养硝化反硝化工艺研究*占国强1,2王晓梅2何晓红2陶勇2高平1李大平2**（1四川大学生命科学学院成都610064）（2中国科学院成都生物研究所成都610041）AutotrophicNitrification-DenitrificationProcessatHighTemperature*ZHANGuoqiang1,2,WANGXiaomei2,HEXiaohong2,TAOYong2,GAOPing1&LIDaping2**(1CollegeofLifeSciences,SichuanUniversity,Chengdu610064,China)(2ChengduInstituteofBiology,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China)Abstract�sing�singNitrosomonassp.thatcanendurehightemperatureandappropriatemunicipalsludge,anitrifyingbiofilmwithahighammoniaoxidationcapabilityat38~47°Cwasobtainedbyaerating,acclimatingandcoatingthebiofilm,andgraduallyincreasingtemperature.Theefficiencyofammoniaoxidationwas90%~99.9%whentheinfluentammoniaconcentrationwas120~180mg/L.However,whenreturnedtonormaltemperature,theammoniaoxidationactivityofthebiofilmdecreasedanditwasonly35%~70%.Theanalysisofammonia-oxidizingproductsinthereactorindicatedthatwhenthetotalconcentrationofNO2--NandNO3--Nwas115~135mg/Landtemperaturebelow43°C,theoxidizedammoniareached117~143mg/L.Whenthetemperaturewasincreasedto44~45°C,theconcentrationsofNO2--NandNO3--Ndroppedquicklyto5.6~27.9mg/Landlowerthan2mg/L,respectively.AndtheconcentrationsofNO2--NandNO2--Ncontinuedtofalltolessthan10mg/Land2mg/L,respectivelywhentemperaturewasincreasedto47°C.Atthesametime,theanalysisofalkalinityinthereactordemonstratedthattheconsumptionofalkalinitywasremarkablydecreasedfrom7.16~9.14to4.08~5.19mg(CaCO3)/mg(NH4+-N)withthetemperaturehigherthan43°C.BasedonthelessaccumulationofNO2--NandNO3--Nandtheobviousdecreaseofalkalinityconsumptionintheammoniaoxidizingprocess,itwassuggestedthattheautotrophicnitrification-denitrificationmighttakeplaceathightemperature.Fig7,Ref16Keywordshightemperature;autotrophicnitrification-denitrification;Nitrosomonassp.;biofilm;nitrogenremovalCLCX172:X703.1摘要利用筛选的耐高温亚硝化单胞菌结合�量的市政污水厂活性污泥，通过逐步提高温度进行曝气、驯化、挂膜，获得能够在38~47℃条件�有高氨氧化活性的硝化生物膜，在进水氨�度条件�有高氨氧化活性的硝化生物膜，在进水氨�度120~180mg/L，氨氧化率达到90%~99.9%；�该生物膜回复常温硝化，显示其氨氧化活性较差，氨氧化率仅35%~70%.对其氨氧化产物分析发现，低于43℃��氧化的氨氮为��氧化的氨氮为117~143mg/L143mg/L，亚硝酸盐和硝酸盐积累较高，总�度在115~135mg/L135mg/L；但随着温度升高至44~45℃，亚硝酸盐积累显���到，亚硝酸盐积累显���到5.6~27.9mg/L，NO3--N低于2mg/L；至47℃�定�行��，�定�行��，NO2--N维持在10mg/L以�，NO3--N在2mg/L以�.对反应器中消耗的碱度的分析表明，当温度从43℃逐�升高�，碱度消耗明显��，由逐�升高�，碱度消耗明显��，由7.16~9.14mg(CaCO3)/mg(NH4+-N)�至4.08~5.19mg(CaCO3)/mg(NH4+-N).结合大量的NH4+-N�氧化且氨氧化产物中又只有少量的NO2--N和NO3--N，以及碱度消耗明显��的特征，推测在高温条件�发生了自养硝化反硝化脱氮现象.图7参16关键词高温；自养硝化反硝化；亚硝化单胞菌；生物膜；脱氮CLCX172:X703.1收稿日期：2009-02-12接受日期：2009-04-25∗国家“863”计划专题课题（No.2007AA06Z324）资助SupportedbytheNationalHigh-techR&DProgramofChina(No.2007AA06Z324)∗∗通讯作者Correspondingauthor(E-mail:[e-mail])1231�占国强等：高温自养硝化反硝化工艺研究�，菌株能够保持较高的生长活性和氨氧化活性，并存在好氧自养硝化反硝化现象[10].在此基础上，本文报道对超过常规氨氧化温度（3535℃）�的氨氧化过程进行的实验���）�的氨氧化过程进行的实验���研究结果，对于高温低C/N废水的生物脱氮��有重大现实意义.1材料与方法1.1实验室生物膜反应器�验装置示意图如图1所示。由一个有效容积800mL的玻璃容器和温度控制装置组成，容器内放置微生物载体（主要以聚丙烯环和维纶丝为主），容器底部设曝气头.1.2人工配制废水人工配制废水每1000mL含有K2HPO4　0.75g，KH2PO40.25g，MgSO4·7H2O0.03g，MnSO4·H2O0.01g，FeSO4·7H2O0.001g，NaCl25g，NaHCO32.0g，pH7.7~7.8，氮源采用(NH4)2SO4，在氨氧化菌富集和挂膜阶段，人工配制废水NH4+-N为60mg/L，在生物膜驯化和�行阶段，NH4+-N为120~190mg/L.1.3反应器的启动和运行反应器中加入筛选的耐高温亚硝化单胞菌培养物，以及�量城市污水处理厂好氧活性污泥，加入人工配制废水，38℃条件�曝气、挂膜，以获得能够�应�高温度的氨氧化条件�曝气、挂膜，以获得能够�应�高温度的氨氧化生物膜.每隔2d，排出部分处理后废水，加入未处理的人工配制废水，至d12，菌种驯化和挂膜结束.在生物膜的驯化和�行阶段，系统的�行分进水、曝气和排水3个环节，其中，进水和排水各30min，曝气23h.每周�换水比例为100%，即排出800mL，换新鲜废水800mL.系统�行温度从38℃逐逐步升高到47℃，每��节温度，以系统�定�行，氨氮脱除，每��节温度，以系统�定�行，氨氮脱除率达到50%以上为依据.反应器�行持续了3mo.在反应器�行��，为了解高温驯化氨氧化生物膜对常温条件的�应和氨氧化活性，�经过40℃和和42℃条件驯化条件驯化并�有高氨氧化能力的生物膜分别在22℃和和28℃的常温条的常温条件�进行氨氧化实验，经过数天后，再�高温驯化氨氧化生物膜恢复到高温条件，考察恢复高温后的氨氧化生物膜的活性，每天取样、分析氨氧化生物膜的氨氮氧化情况.1.4分析方法氨氮测定采用纳氏�剂光度法，亚硝酸盐氮采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法，硝酸盐氮采用紫外分光光度法，碱度采用酸碱指示剂滴定法[11].2结果与分析2.1温度逐步升高对生物膜氨氧化的影响系统启动完成后，从38℃开�逐步提高系统温度，至开�逐步提高系统温度，至45℃条件��定�行一段��，取样、分析�同温度�每条件��定�行一段��，取样、分析�同温度�每24h生物膜的氨氧化情况，测定结果分别见图2、图3.由图可以看出，在38℃以上，生物膜对氨氮的氧化作用较强，且氨氮氧以上，生物膜对氨氮的氧化作用较强，且氨氮氧化能力�定；除部分温度�节造成氨氧化的短�波动外，逐步升高温度对生物膜的氨氧化活性基本没有影响.38~4538~45℃高温范围内，氨氧化率达90%以上.由图3还可以看出，45℃�行��，生物膜的氨氧化率基本上�定在95%以上，说明长��高温驯化能逐步提高氨氧化生物膜的高温�应性和氨氧化活性.2.2高温驯化生物膜对常温条件下氨氧化的影响在反应器�行��，进行了高温驯化生物膜在常温条件�处理氨氮废水的实验.考察经过选择的生物膜菌株对常温条件的�应和脱氮情况，测定结果见图4.由图4可以看出，在22℃、28℃两种常温条件�，经过高温驯化的氨氧化生物膜两种常温条件�，经过高温驯化的氨氧化生物膜氨氧化活性大幅��，在常温温度条件�分别持续�行4d，24h以内氨氧化率分别在48.8%~68.9%和33.5%~69.5%之�，恢复原驯化温度�行后，氨氧化生物膜的活性迅速升高，氨氧化率分别达到90%和99.9%.2.3高温条件下的自养硝化反硝化现象在进行耐高温氨氧化菌筛选及氨氧化特征研究过程中，发现在高温条件�氨氧化过程中出现一些有趣的现象，即伴随着氨的大量氧化，水相中NO2--N并没有显�增加，其�度图1自养硝化反硝化反应器Fig.1Autotrophicnitrification-denitrificationreactor1：曝气泵；