固定化细胞单级生物脱氮研究曹国民

中国环境科学2000,20(3):237一240ChinaEnVlronrnentalSeienee固定化细胞单级生物脱氮研究曹国民,张彤,龚剑丽,赵庆祥(华东理工大学环境工程系,上海200237)摘要:利用硝化菌和反硝化菌混合固定的方法,研究了好氧条件下同时进行硝化和反硝化作用的单级生物脱氮技术.结果表明,反硝化菌被固定后,在好氧条件下仍具有反硝化功能硝化菌和反硝化菌被混合固定后,可以在好氧条件下同时进行硝化和反硝化作用,并且其氨氧化速率约为硝化菌单独固定时的1.4倍.硝化菌和反硝化菌混合固定构成的单级生物脱氮系统其脱氮速率是分别固定构成的单级生物脱氮系统的2石倍.关键词:生物脱氮;硝化作用;反硝化作用;固定化中图分类号:X703.1文献标识码:A文童编号:10(X》巧923(2仪刃)03刁237--(碑StUdyons加gle·sta罗biode苗td6aCtionbyinunobU七edeells.CAOGuo一而n,ZHANGoTng,GONGJian一11,ZHAO学ng一xiang(DePartmentofllEviornmenaltEngineenng,EastChlnaUniversiytofSeieneeandl’echnology’Shanghia20(j237,China).hCinanEviorn阴enatlcSience.20(刃,20(3):237一240AbstartC:hTesingl合sagtebiodeinitrifeiatonteChnologyofsimultalleousniitrifeationanddeniitrifeiatonunderaerobiceondiitonswasstudidebye任访unobiilzdeniitrfyinganddeinitrfyingbacteira.hTeresultsshowdehtathteinllnoiblizeddeniitrfyingbaeteiraenabldedienitrifeiatonotoccurundsraerobieeondiitons.hTeeo一illlJllobillzdeinitrfyinganddeniitrfyingbacteirawereabletoniitrfyanddeinitrfysunulatneouslyunderaoerbieeoidnitons:andhteirammonianitrogenoxidiatonratewas1.4itmesasafstashtatofsingleinunobiilzedulitrfyingbacteira.hTeniotrgenremovalarreinthesingle一sagtebiodeniitrifcationsystemofeo一iommbiilzdeinitrfyinganddeinitrfyingbactierawasZ石timesasafstashtatofsinglyinu刀obillZdeinitrifynganddeinitrfyingbaeteira.Keywodrs:biodeniitrifcation;niitrifeation:deinitrifeiaton;Inunoihilziaton在含氮污染物的控制中,目前国内外主要采用生物脱氮技术,研究的热点集中在如何改进传统的硝化一反硝化工艺[`}.从微生物学角度看,硝化和反硝化是两个相互对立的生化反应.前者借助硝化菌的作用,将氨氮氧化成硝态氮,需要氧的有效供给;而后者则是一个兼氧反应,只有在缺氧和无氧的条件下,反硝化菌才能把硝态氮还原为氮气.因此在传统的生物脱氮工艺中,硝化和反硝化反应一般是在两个分开的构筑物中进行的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.本文报道了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所形成的好氧区、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,构成单级生物脱氮系统,在好氧条件下同时进行硝化与反硝化的研究结果.材料与方法1.1硝化菌和反硝化菌及其培养基试验所用硝化菌和反硝化菌均由实验室自行培养.硝化菌培养基组成为(NH4)250;700mg几,NaHc03llxx)m吵,适量的铁、钙和镁等微量元素和磷酸盐缓冲液;反硝化菌的培养基组成为KNO31800mg几,CH3OH1500mg几,适量的微量元素和磷酸盐缓冲液.1.2化学试剂海藻酸钠(化学纯,上海化学试剂采购供应收稿日期:基金项目:1999一08一17国家自然科学基金资助项目(29777加7)中国环境科学20卷站分装厂);试验所用其他试剂均为国产分析纯.1,3细胞的固定化方法将硝化菌或反硝化菌的培养液,在3〔以)对而n下离心15n云n,用生理水洗涤并离心2次.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,用注射器滴入4%的cacl:溶液中,经搅拌、钙化一段时间后,形成直径约为3~的小球.将此小球先用.006mo比己二胺处理hl,再以.03mo比戊二醛交联10而n,以增加载体的机械强度l2[,最后将固定化细胞在培养基中活化,待其活性稳定后进行试验.1.4模拟废水组成1.4.1模拟氨氮废水(NH4)2504300一500m目1,NaHC03500一800mg几,适量的微量元素,CH30H340一570mgL/,50mM、pHS.2的HCI一irTs缓冲溶液。1.4.2模拟硝酸盐废水KNO3350一soomgjL,CH30H250一350mglL,适量的微量元素,50mM、pH7.8的HCI一irTs缓冲溶液.1.5固定化细胞的间歇试验试验在有效容积为IL(内径5.lem,高50em)并带有保温夹套(夹套内通3肚l℃的水)的鼓泡床中进行.固定化细胞的填充率为巧%一20%,空气流量为20~30Ull,D03一smg几.每隔一定时间从反应器中取出少量样品,按文献[31用比色法分析NH+4一N、N03一N及N02一N的浓度,并按下式计算总无机氮(TIN)的浓度:ITN=N’H4+一N+N03一N+N02一N.去除No3一N的速率较快,曝气48h,No3一N从64.3m创飞降至l.omg几,平均去除速率为1.驼gmN03一N/(L·h).反硝化菌是一种兼性厌氧菌,只有在缺氧或厌氧条件下才具有反硝化功能,因此游离的反硝化菌在好氧条件下不能进行反硝化作用.但反硝化菌被固定化后,由于载体对氧的传递产生阻力,阻碍了DO由液相主体向载体内部扩散,在载体内部形成了氧的浓度梯度,由外向内DO逐渐下降,逐步形成好氧区、缺氧区和厌氧区.Uemoot和Siaikl4,的研究结果表明,从载体表面至100林m深处为好氧区,100一200林m为缺氧区,200卿以上为厌氧区.故包埋在载体内的反硝化菌,在好氧条件下仍具有反硝化功能.卜卜、~一___\\\-一一、、一游离离\\\(犷犷70印50403020100ǎ毛蕊已à侧理城深图1在好氧条件下游离与固定体系中硝酸盐浓度变化iFg.lChangesinnitrateeoneentriatonsdiurngaerobiceUlutersoffreeCCllSandinu朴obilizedcells2结果与讨论2.1固定化反硝化菌在好氧条件下的反硝化作用图1表示在好氧条件下,用游离与固定化反硝化菌分别处理人工合成硝酸盐废水时,N仇一浓度随时间的变化.由图1可知,在好氧条件下游离细胞去除NO3一N的速率很慢,曝气4h8,N03一N从64.3mg几降到54.2m留1,平均去除速率仅.021mgN03一N(/Lh).而固定化细胞2.2同时硝化和反硝化作用将一定量的硝化菌均分成两份,一份直接固定,另一分与适量的反硝化菌混合后一起固定.所得固定化细胞分别置于两个鼓泡床中,用模拟的氨氮废水进行试验,结果如图2所示.由图a2可见,在硝化菌和反硝化菌混合固定的体系中,皿N与NH4+一N的浓度几乎以相同的速率下降,N02一N和NO3一N浓度始终都很低.而在硝化菌单独固定的体系中,ITN却不随NH月十一N同步下降,N03一N浓度随时间单调升高,N02一N浓度则先以较快的速度升高,而后逐渐下降(图Zb).由图Za和2b中氨氮浓度的变化曲线计算可知,24h内硝化菌单独固定时氨氧化平均速率为1.78mgNH犷一Nl(Lh),而混合固定时氨氧化平均3期曹国民等:固定化细胞单级生物脱氮研究速率为2.slmgNH4+一N/(L·h),为硝化菌单独固定时的1.4倍.产生这些显著差异的原因是硝化菌单独固定的体系只有硝化功能,没有反硝化功能,因此出现了硝化产物的积累,NOZ一N的积累会对硝化菌的氨氧化活性产生抑制作用5[].而硝化菌和反硝化菌混合固定的体系,不仅具有硝化功能而且还具有反硝化功能.在固定化细胞的载体内部存在着好氧、缺氧和厌氧3个区,在好氧区主要进行硝化反应,其产物N02一N和N03一N在浓差推动下向内扩散,在缺氧区或厌氧区进行反硝化作用,转变成氮气,实现了同时硝化和反硝化作用;在混合固定的体系中还可能有部分N-oz一N被直接还原成氮气,避免了生物脱氮过程中硝化菌将NO2’一N进一步氧化成NO3一N,而反硝化菌再把NO3一N还原成N0-2一N,从而可以缩短生物脱氮的历程,提高脱氮速率,有利于减少氧气和有机碳的消耗.的固定化细胞分别置于两个鼓泡床中,在相同条件下考察两者的脱氮速率,结果发现两者有明显的差异(图3a,3b).分别固定的单级脱氮系统(图a3)24h内总无机氮(TIN)的平均去除速率为.090gmITN/(L·h),而混合固定的单级脱氮系统(图3b)相同时间内的平均脱氮速率为..23lgmTINI(L·h),后者为前者的.26倍.分别固定的单级脱氮系统,宏观上是单级系统,但微观上实际是个两级系统.因为氨氮首先必须扩散到固定硝化菌的载体中进行氧化反应,生成的产物从载体中扩散到主体相,再从主体相扩散到反硝化菌的载体内部进行反硝化作用.扩散路径比混合固定时长,总的扩散阻力也比混合固定时大,影响了反硝化的进行.分别固定的体系中N03几N、NO--zN浓度明显高于混合固定体系中相应的浓度,也验证了这样的假设是合理的.另外,由于扩散阻力的存在,固定硝化菌的载体内部可能有NoZ一N的积累,这也会对硝化反应产生不利影响.lsJ70印50403020100ǎ闷奋日à侧经喊闷也日à侧说喊时阳」(h)性性兹___限限~一._、、““洛了了侧锐孤ǎ山锄日à侧说喊时阳」(h)在好氧条件下混合固定(a)与单独固定(b)体系中氮浓度的变化Changesinnitrogeneoneentraitonsduirngaeorbieeulturesofsinglyilllmobilizedeellsandeo一immobilizedCells图3在好氧条件下两种单级生物脱氮系统中氮浓度的变化Fig3Changesinniotrgeneoneentriatonduirngaerobiceulturesoftwoikndsofsingle一stagebiodeniitrifcationsystem单级生物脱氮系统的脱氮速率将硝化菌和反硝化菌分别固定及混合固定22Jg口Ut且OJ240中国环境科学02卷3结论3.1在好氧条件下,由于载体对氧的传递产生阻力,在载体内部形成氧的浓度梯度,固定化反硝化菌可以进行反硝化作用.3.2硝化菌和反硝化菌混合固定时,由于在载体内部形成了适合硝化和反硝化的环境,可以在好氧条件下同时进行硝化和反硝化作用,实现单级生物脱氮.3.3硝化菌和反硝化菌混合固定时的氨氧化速率大于硝化菌单独固定时的氨氧化速率.24h内的平均氨氧化速率,前者约是后者的1.4倍.3.4硝化菌和反硝化菌混合固定构成的单级脱氮系统优于硝化菌和反硝化菌分别固定的单级脱氮系统,前者24h内的平均脱氮速率是后者的.26倍.do~比view{J].Enzyme碱帅beTchnol.,1992,14(3):17于183.l2]雷乐成.污水厌氧处理微生物的固定化方法及硬化处理