固定化微生物脱氮张彤

固定化徽生物脱氮张彤固定化微生物脱氮Biodenitri行etaionby}mmobilizedCells张形赵庆祥龚剑丽(华东理工大学环境工程系,上海200237)ZhangTongZhaoQingxiangGongJianli(EastChinaUniversityofSeieneeandTeehnology,Shanghai200237)摘要应用固定化微生物技术开展单级生物脱氮的研究,结果表明,固定化硝化与反硝化混合污泥可以实现单级生物脱氮,效果好于未固定化污泥,氨氧化速率和总无机氮的脱氮速率可分别提高到未固定化污泥的1.7倍和13.4倍.结果还表明光硬化树脂也是一种较好的固定化介质.关键词:固定化细胞硝化反硝化脱氮AbstarctStudyondeveloPingone一stePbiodenitirifeationteehnologybyusingimmobilizedeellshasbeeneon-dueted.Theresultsshowedthatone一stePdenitriifcationProeessmightberealizedusingimmobilizedeells.Theimmobilizedeellsweremoreeffeetivetoremovenitrogenthanfreeeells.Ammoinatransferrateanddenitriifeationrateofimmobilizedeellsmightbe1.7timesand13.4timeshigherthanfreeeells.TheresultsindieatedthatPhoto一erosslinkableresinwasasoundmaterialofrimmobilizationofdenitriifeationeells.Keywords:lmmobilizedcel甘5Nitrificat毛onDenitrificationNitrogenremoval,前言现有的生物脱氮技术存在3个方面的问题:硝化细菌是自养细菌,生长缓慢,代时长,在混合培养的活性污泥系统中无法与异养细菌竟争,难以取得优势;硝化细菌易受外界环境变化的影响,对环境冲击尤其是毒物冲击非常敏感,而系统重新启动又相当困难;硝化和反硝化过程难以在时间和空间上统一,使生物脱氮这一多步骤生物催化反应易受底物和产物抑制等限制,速率难以提高。因此,本文以开发固定化微生物生物脱氮技术为目标,对硝化污泥和反硝化污泥分别进行了单独固定和混合固定的实验研究。2材料和方法2.1合成废水(1)硝化试验用合成废水将382mgNH;CI,1200mgNaHCO,,246mgNaCI,1235mgMgSO;和68mgKHZPO;溶于IL水中,此为硝化试验用合成废水。试验时根据所需NH二的浓度,加入去离子水进行稀释,调节pH为8.00(2)反硝化试验用合成废水将68mgKHZP04,246mgNaCI,530mg葡萄糖,123mgMgso4和764mgKNo,溶于IL水中,配置成合成废水。试验时根据所需N认的浓度,加人去离子水进行稀释,调节pH为8.002.2活性污泥取自上海石化股份有限公司水质净化厂氧化沟污泥和上海焦化厂生物脱氮的硝化和反硝化池污泥。2.3固定化方法(1)海藻酸钠包埋法在反硝化和硝化污泥单独固定时,脱水污泥与3%的海藻酸钠溶液按1:2质量比混合,注人4%Ca1C2溶液中得到小球,在4℃冰箱中固化,固化时间均为24h。(2)PvA包埋法具体方法参见文献1。(3)光硬化树脂凝胶法取硝化和反硝化混合污泥与光硬化树脂按一定比例混合,加人引发剂,用紫外灯照射一段时间,制成0.scm的薄膜。将薄膜切成0.sem、o.sem的小片,用于试验.2.4分析方法`”NH二一N氨电极法和蒸馏滴定法;NO三一N分光国家自然科学基金资助项目,2977007.第一作者张形,男,1968年生,1993年毕业于南京大学,硕士、讲师.一225一上海环境科学第19卷第5期2000年5月光度比色法;NO三一N酚二磺酸分光光度法和电极法。表2单独固定污泥反硝化活性的试验结果”Table2Denitrifieationaetivitvby5ingleimmobilizedeells3结果与讨论3.1单独固定与未固定污泥硝化活性的比较取硝化污泥离心浓缩(300or/min,10min),分成等量的3份,分别用海藻酸钠、PVA、固定化及在0.9%的生理盐水中保藏.试验时各加入硝化试验用合成废水,在25℃下控制溶解氧smg/L以上,定时测定氨氮浓度,结果见表1。表,单独固定污泥硝化活性的试验结果,,Table1Nitrif云eationaetivitybV5ingleimmobilizedeells时间(h)固定化污泥未固定污泥107.896.192.385.482972.9130.5115.5102089.379.757.3ù、ùùU亡、ùnà气曰..…no刁.1困1.,ù,`3.045647.2一-~.-一一~.一一一--1)表中数据为各时刻反应液中N。三一N浓度(mg/)L.时间(h)海藻酸钠固定化污泥PVA固定化污泥未固定化污泥3.3固定化与未固定化混合污泥脱氮活性的比较取混合污泥离心浓缩,分成等量的2份,一份用海藻酸钠固定,另一份在生理盐水中保藏。试验时分别加人硝化试验用的合成废水,在25℃下曝气,控制溶解氧在smg/L以上.每隔一定时间采样,测定氨氮、硝态氮和亚硝态氮浓度,结果见表3.0.75532.54.00.15425.983.98l)表中数据为各时刻反应液中的NH二一N浓度,mg/.L根据表1的数据,由公式V二〔NH;一N(0)一NH卜N(t)]/(.TMLS)S得到海藻酸钠和PVA固定化污泥与未固定化污泥的硝化速率(0一1.5h)分别为,0.16。、0.020及0.1689(NH卜N)/g(MLSs)·d。由此可知,无论是用海藻酸钠还是用PVA进行固定化,硝化污泥单独固定化后的硝化速率均低于未固定化污泥,海藻酸钠和PvA的固定化效率分别为95.2%和n.9%。其原因是污泥固定化以后,传质速率降低,但海藻酸钠固定化效率较高,因此,在以后该试验中均采用海藻酸钠作为包埋剂。3.2单独固定化与未固定化污泥反硝化活性的比较取反硝化污泥离心浓缩,分成等量2份,一份用海藻酸钠固定,另一份在0.9%的生理盐水中保藏。试验时加人反硝化试验用合成废水和葡萄糖,在25℃下搅拌进行反应,维持溶解氧在0.smg/L以下,定时测定硝态氮浓度,结果见表2。根据表2的数据,由公式v一〔NO互一N(O)一Nq一N()t〕(/.TMLS)S得到固定化污泥与未固定化污泥的反硝化速率(0一3h)分别为0.176和0.2449(NO牙一N)/g(MLSS)·d。未固定污泥的反硝化速率与用甲醇作为碳源所得的反硝化速率0.2899(NO互一N)/g(vSS)·d结果相近汇”,固定化效率为72.1%。表3无外加碳源时固定化与未固定化混合污泥生物脱氮比较(mg/)LTable3ComParisonofbiodenitrifieationbyfreemixedeellsandimmobiliZedmixedeellswithoutaddingearbonsouree时间(h)污泥形态NH卜NNO三一NNO三一NTIN”固定化46.216.81.768.666.4516.048.441.4未固定化63046.21.841720.450.8565.364.31)TIN为总无机氮.根据表3数据,得到固定化与未固定化混合污泥的氨氧化速率分别为0.0227和0.01309(NH二一N)/g(MLSS)·d.固定化混合污泥的氨氧化速率是未固定化混合污泥的1.7倍,氨氧化速率快,这与硝化污泥单独固定时的情况不同。由表3数据计算还可知,固定化污泥的脱氮速率为0.00549(TIN)/g(MLSS)·d,而未固定化污泥脱氮速率几乎为0。说明在固定化混合污泥体系中可以实现单级生物脱氮,而未固定化混合污泥不能实现单级生物脱氮。为了验证上述过程结果,合成废水中加人葡萄糖作为反硝化碳源重新试验,所得结果见表4。表4数据表明脱氮速率大大提高,达到0.07269(TIN)/g(MLSS)·d,是未加碳源的13.4倍,而且NO妥一N没有积累现象,这与国外研究者的结果相似〔`,`’。一226一固定化徽生物脱氮张彤表4外加碳源存在时固定化与未固定化混合污泥生物脱氮比较《mg八)Tab[e4ComparisonofbiodenitrifieationbyfreemixedeellsandimmobilizedmixedCellswithaddingearbonsouree(mg八)时间(h)污泥形态NH卜NNO压一NNO玉一NTIN047.61.100.5549.33固定化9.802.822.7515.448683.513.1015.3050.41.100.5552.03未固定化39.26.694.7550.6435.09.046.555063.4光硬化树脂固定化混合污泥的脱氮活性从表5数据可知,与海藻酸钠包埋法一样,混合固定化也可以实现单级生物脱氮。不同之处在于,光硬化树脂固定化混合污泥的氨氧化速率为0.0449(NH二-N)/g(MLSS)·d,比未固定化混合污泥的氨氧化速率0.0649(NH二一N)/g(MLSS)·d低,而脱氮速率分别为0.042和0.00399(TIN)/g(MLsS)·d,固定化混合污泥的总脱氮速率高。用光硬化树脂可以制成机械强度高,加工性能比较好的固定化细胞管,将其置于氨氮废水中,并不断曝气,碳源(如甲醇或乙醇)在管内循环流动,则固定在管壁中的硝化细菌把从管外废水中渗人管壁的NH卜N氧化为NOZ一N和NO于一N;固定在管壁中的反硝化菌利用从管内渗入的碳源把NO王一N和No三一N还原成NZ,构成碳源循环单级生物脱氮装置,以实现工程应用.这种单级生物脱氮装置不但效率高,而且碳源按化学计量供给,不会在废水中残留,既减少了后曝气过程,又节省碳源消耗量。表5光硬化树脂固定化与未固定化混合污泥生物脱氮比较(mg/)LTable5ComParisonofbiodenitrifieationbytreemixedee!15andimmobilizedmixedeel!swithPhoto一erosslinkableresin(mg八)反硝化污泥单独固定的反硝化速率低于未固定化反硝化污泥的反硝化速率,固定化效率为72.1%(海藻酸钠)。4.2用固定化混合污泥技术实现单级生物脱氮是可行的,固定化混合污泥的氨氧化速率和脱氮速率分别提高到未固定化混合污泥速率的1.7倍和13.4倍。4.3光硬化树脂也可以作为生物脱氮微生物的固定化介质,实现单级生物脱氮。参考文献程树培.环境生物技术实验指南.南京:南京大学出版社,1995.国家环保局.水和废水标准分析方法.北京:中国环境科学出版社,1984.徐亚同.废水中氮磷的处理.上海:华东师范大学出版社,1996.KokufutaEtsuo,YukishigeMasaya,NakamuraIsei.CoimmobilizationofNitrosomonaseuroPaeaandParaeoeeusdenitriifcanseellsusingPolyeleetrolyteeomPlex一stabilizedcaleiumalginategel.JFermentTeehnol,1987,65(6):659·64.KokufutaEtsuo,ShimohashiMasato,NakamuraIsei.51-multaneouslyoeeurringnitriifeationanddenitrineationunderoxygengradientbyPolyeleetrolyteeomPlex-eoimmobilizediNtlosomonaseurOPaeaandPaarcoeeusd朋了之石月canseells.Biot