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1、一个新型的去除废水中的有机物和氨氮颗粒污泥序批式反应器摘要：在序批式反应器中微生物在不同N/COD比率的培养基中培养。结果，显示异养型细菌、硝化细菌和反硝化细菌可以在微生物颗粒中和平共处，然而增加培养基N/COD比率导致颗粒中三种菌种的数量重大变化。在高N/COD比率的培养基驯化提高了颗粒中硝化和反硝化菌种的活性，然而增加培养基的N/COD比率颗粒中的异养菌的数量减少。发现溶解氧DO浓度对微生物颗粒崃反硝化效率有着显著的影响。同时结果也昱显示提供可靠的混合动力确保在反硝化时液体和颗粒大量的迁移。它可以证明在基徘于SBR单一颗粒可以高效稳定去除全部碗的有机物和氮。第一个研究显示微生物颗胼粒有能力
2、同时去除废水中的有机碳和氮。桔关键词：微生物颗粒N/COD有机物髫去除硝化反应反硝化反应1、介绍随着更严格的环境规定的实施，在废水中氮密去除中高级的、经济有效的技术变得越来越来重要了。从废水去除氮的许多改进和愠方法被发展和实施。基本上，去除氮的那佞些工艺可以分类为悬浮污泥和固定膜培养叭。那些悬浮污泥系统有污泥膨胀。大容积丸的缺点，对负荷冲击很敏感，然而固定膜系统有生物膜相关的堵塞和脱落等等问题枥。同时由于硝化菌对环境的敏感型以及低搠生长速率，它非常困难在常规悬浮和固定俱培养废水处理系统中获得和维持足够的硝摅化生物量，然而硝化是反硝化的第一步，樽反硝化是转化亚硝酸盐和硝酸盐为氮气。在污水处理中好
3、氧颗粒是一个最近描述的现象和在积极的调查中潜在的生物代名词徨。对照常规污水处理系统，颗粒系统有几示个优点。例如更大密度和更结实的微生物呃结构、好的沉淀能力、和高的生物量停留炮时间，和有能力抵抗高有机负荷率。好氧梗颗粒技术似乎有潜在的挑战废水氨氮的去弱除。因此，非常希望混合好氧颗粒有能力维同时去除有机碳和氮，因为废水经常存在有机物和氮。完全氮去除包括硝化和反硝瓿化。硝化成的亚硝酸盐和硝酸盐要求通过染反硝化生成氮气。众所周知反硝化是一个厌氧过程，它受到溶解氧DO影响。踱到目前为此，非常少的资料关于微生物颗纡粒同时去除有机物和氮。因此，本课题主弥要研究好氧颗粒在不同底物N/COD比掮率的发展，在单一
4、的颗粒生物反应器同时去除有机物和氮的可行性，以及DO窜和混合程度对微生物颗粒反硝化效率的影吸响。2材料和方法反应器的建立和运哙行四个有效容积为的圆柱用作序批式反轸应器，和每一个有相同的几何结构。反应邳器运行了一年多。340天前，反应器1豫4被供应空气流量/min，相当于表面上升空气速度/min。在这个时间里，反应器中的DO浓度超过/L。所有反蓉应器运行一个周期为4h，以一个有顺序尉的方式：4分钟进水，230分钟曝气，湍2分钟沉淀和4分钟排水。排水端口在圆塄柱反应器的中部。340天以后，为了观褂察在不同底物N/COD比率培养的微生冥物颗粒的反硝化性能，SBR的循环时间课增加到6h，即进水4分钟，
5、230分钟墚曝气，2h厌氧或缺氧阶段，2分钟沉淀卒，和4分钟排水。做以下三个试验：3皈42天后，所有反应器的DO浓度降低到哳/L，通过减少空气流量至/min；砻350天后，反应器DO进一步降低至m数g/L，通过降低曝气量至/min；钷355天后，所有的反应器停止曝气，创部造一个无DO的环境。在厌氧或缺氧阶段，在反硝化阶段乙醇作为外加碳源加入反呈应器，其浓度为600mg/L。媒介轿物反应器14接种650ml新鲜活洚性污泥，来自于当地市政污水处理厂的污淡泥。反应器初始生物量浓度为每升200龈0mg干重。人工底物主要是作为单一碳卧源的乙醇，氯化铵，重碳酸钠，和其它必逮要元素。乙醇化学需氧氧量固定为5
6、00mg/L,而在R1至R4中氨氮浓度从橐25变化到150mg/L，各自底物N蚱/COD比率分别为5/10030/货100。为了满足硝化菌生长要求，所有“反应器中的重碳酸盐与氨氮的比值保持常列数值/mg。在人工废水中微量元素在别况处可以发现。反应器的pH降低到的范涎围。试验温度控制在25。分析方法溶液中氨氮和氮的浓度氨，亚硝酸盐，檬和硝酸盐浓度用一个流量注射分析器测量，而COD浓度用标准方法测量。生物哥种的氧利用率异氧细菌的生物种氧利用巩率h和氨氮氧化菌及亚硝酸盐氧化菌的氨播氮与亚硝酸生物种氧利用率NH4和NO酥2），可以通过标准方法进行测量。一定鹌数量颗粒样本用自来水小心洗干净，然后寰放进干
7、净的BOD瓶。接着，BOD瓶加卅满预先曝气的营养物和培养基溶液，带有搅拌机置的氧传感的探针立即插入BOD祸瓶中。间隔15S记录DO的减少量。根鲶据整个过程中DO浓度记录可以计算出生梳物种的氧利用率。生物量、COD、NH现4-N和NO2-N浓度分别保持为50呱0、400、20和20mg/L常数，落乙醇、NH4Cl和NaNO2各个培养基确定SOUR）h、NH4和NO2）戟。SOUR试验在25进行。颗粒的舢物理性质用激光粒子尺寸分析系统或者届图象分析仪。悬浮固体和挥发性悬浮固体护用标准方法测量.3结果不同培养基俩N/COD比率的好氧颗粒接种污泥平哭均絮状尺寸为90m。运行20天后，牙4个反应器的好氧
8、颗粒形成了。好氧颗粒曷尺寸逐渐稳定下来。40天后，R1、R针2、R3和R4的平均直径分别为、瓠。在稳定状态下反应器里的生物量浓度增加超过了10gSS/L。当培养基N/疟COD比率从5/100增加到30/100，VSS/SS比率从降到。微生物观察显示4个反应器中好氧颗粒结构紧密，与接种污泥对比其外部形状有明显的球形。好氧条件下COD和硝化反应关系图2显示反应器R1至R4运行一个4h蔷循环时间时COD和硝化反应关系。数据停跳跃的点是：几乎所有流入COD在开炷始30分钟去除；培养基N/COD比跎率为5/100时反应器R1没有亚硝酸盐和硝酸盐产生，可以观察到在各个培养兴基N/COD比率10/100、2
9、0/100和30/100时COD和硝化反程应关系；COD去除后在反应器R2至闵R4中完全硝化反应发生；在循环时间前30分钟氨氮去除是微生物生长需求氮庵源替代了硝化反应，因为在这个阶段既没劢有亚硝酸盐产生也没有硝酸盐产生；就褶亚硝酸盐形成来说不能看到缓慢硝酸盐产铺物；实际上，硝化反应主要由两类细菌来酸完成，氨氮氧化菌负责亚硝酸盐形成，亚硝酸氧化菌转化亚硝酸盐为硝酸盐。在正氽常培养条件下，至少有两个因素影响硝化锿反应效率，在微生物种群中氨氮氧化菌与苹亚硝酸氧化菌的实际生长率，以及在该系峡统两种菌种的比率关系。在没有搅拌无DO条件下的反硝化图3显示在厌氧条軎件下反应器R2至R4中COD和反硝化铽关系
10、。可以看到反应器中少量的反硝化反泛应发生。反应器R2至R4总的氮去除率筹分别为21、24和26，但是COD去除率在这个运行条件下非常低。由于好蜥氧颗粒对照水里有更高的实际重力，没有翅充分的搅拌情况下他们将沉淀到反应器底圣部。这将导致颗粒与培养基溶液接触不充分，结果，由于缺乏搅拌物质传质受到限冱制，这就是观察到反硝化效率低的原因。DO为/L搅拌下反硝化反应在这个阶埽段，反应器DO维持在/L，通过控制曝亻气率，但确保固液混合。图4显示反应呶器R2至R4中COD和反硝化关系。它显示在反应器R2至R4中完全反硝化发郝生。2h缺氧阶段所有硝酸盐转化为气态蹴氮。在反应器R2至R4实际总氮去除率谍分别为、-
11、1SSmin-1。那些值矫可以与常规生物处理所得数值进行比较。逡DO为/L搅拌下反硝化反应为了研蛑究DO对微生物颗粒反硝化的影响，通过霈增加曝气速率将所有反应器中的DO浓度弩增加到/L。图5显示反应器R2至R4暑中DO浓度/L时COD与反硝化的关系啾。反应器R2至R4氮的去除效率大约为40，但是所有的反应器排出的水硝酸盐浓度依然很高，与DO浓度/L呈现的品结果相比较只发生了部分反硝化。图4和笼图5显示微生物颗粒中反硝化菌的活性受高浓度DO抑制。显然DO不是它们合成蕾物质抑制剂而是充当反硝化还原酶活性抑苁制剂，当溶解氧浓度大于/L时反硝化可级以被忽略。异养菌、硝化菌和反硝化菌凸的活性氨氮氧化剂和
12、亚硝酸氧化剂各自佧活性被实际氨氮氧利用率NH4和实际氮瞧氧利用率NO2描述，但是异养菌的活性瓒可以根据它的实际异养菌氧利用率h来量噍化。不同培养基N/COD比率下好氧颗狮粒稳态培养的NH4、NO2和NO2骁在图6显示。图7显示了NH4、和NO傣2氮减少速率。高浓度DO导致低反硝化活性，从图7中qobs可以知道，好氧腰颗粒反硝化菌似乎与培养基N/COD比桅率或者硝化菌量成正比。4讨论图1礤显示微生物颗粒在培养基N/COD比率5/100至30/100范围内可以形慎成。超过95进水COD在曝气阶段去除，同时氨完全转化为硝酸盐。在反应器晡R1至R4中培养的好氧颗粒的沉淀速度玛大于60m/h，所有反应器
13、中的生物停糕留量达到9gVSS/L。常规活性污泥沉淀速率小于10m/h。与常规生物絮廴状比较，满意的好氧颗粒沉降速率可以确帻保进水生物固体容易有效分离出来，高的啻生物浓度意味着一个紧密的、小型的好氧翅颗粒污泥反应器可以研发出来。好氧颗粒坌污泥反应器24星期可以训化好，而厌槟氧颗粒系统至少需要4个月细心训化才能成熟。在本研究中，好氧颗粒污泥反应器擦稳定运行一年多，此时试验已经结束了。镶那些结果显示好氧颗粒的利用可以提高现有的污水处理厂同时去除有机物和氮能力苦是可行的、有益的。从图26可知异诔养菌、硝化菌和反硝化菌在不同培养基N/COD比率里培养可以共存。事实上，侬大多数反硝化菌是特殊细菌，广泛分
14、布于颉各种各样的生理和分类群体中。在好氧条件下，它们利用氧作为最终电子受体。图35揭示了DO和搅拌对微生物颗粒反硝化效率影响。由于微生物培养的颗粒非常重，如果没有充分搅拌它们将会全部搔沉淀到反应器底部。结果，颗粒和溶解氮酵接触非常差，图3可知反硝化不能有效发褛生。因此在以颗粒为基本生物反应器里为了取得有效反硝化效率，一定量搅拌是必彖须的，确保颗粒和溶解氮好的接触。在搅外拌的条件下，从图4和5可知DO小于/L对反硝化非常有利，微生物颗粒反硝化DO浓度/L受到抑制。事实上，反硝化靖酶一旦合成，好氧条件下细菌保持它，但是其功能受高浓度DO的抑制。另一方面广泛地报道在某种程度上溶解氧抑制反硝鹿化地每一
15、步。图6显示氨氮和亚硝酸氧姗化菌的活性随着培养基N/COD比率增跆加而大大提高了，然而在好氧颗粒中异养祗菌的活性迅速减少了。结果显示当增加培飒养基N/COD比率少数硝化菌数量会逐幽渐超过异养菌数量，异养菌的主导地位越歃来越小了。相似的现象在生物膜反应器也啕有报道。图7显示DO和培养基N/C赂OD比率对整个微生物颗粒反硝化菌数量鬲活性影响。早期讨论可知，反硝化细菌对拿生物反应器中DO浓度非常敏感。在/L的DO下，反硝化细菌的活性比在/L的掏DO活性大得多。在DO浓度/L下，在反应器R2至R4培养的微生物颗粒的各鹈自实际总氮去除率为、和/(),这可以与常规反硝化处理所获得活性数据相比较。我们知道随
16、着培养基N/COD比率增加qobs也增加，图6可知增加培养基霁N/COD比率导致好氧颗粒中的反硝化碧菌数量增加，图2显示在反应器中硝酸盐贬浓度也增加了。Batchlor(1父982)提出了描述DO和硝酸盐浓度对趔反硝化细菌的影响公式：(1)公式窈中：qNO3表示实际氮还原速率；q炅表示最大实际氮还原速率；SNO3表示NO3-N浓度，mg/L;Se表璁示有机培养基半反应速率常数,mg/L;KO表示氧半反应速率常数，mg/她L;根据这个模型，增加硝酸盐浓度将橙导致实际硝酸盐减少速率变大，但是增加雇DO将会使实际硝酸盐减少速率减少。这袱个试验数据和这个模型预期效果相吻合。棰结果，从本课题可知异养菌、
17、硝化菌和反泣硝化菌可以在微生物颗粒相共存，一个新型高效率基于颗粒生物反应器被希望用于鹿同时去除有机物和氮。5结论微生物颗粒在反应器SBRS不同培养基N/C嵯OD比率培养有能力同时去除有机物和氮婺。可知异养菌、硝化菌和反硝化菌在颗粒佳中能共存，在颗粒微生物数量变化与培养垴基N/COD比率有很大的关系。微生物喾颗粒在高培养基N/COD比率培养可以提高硝化和反硝化活性，同时颗粒中异养艇细菌的活性有降低的趋势。这就是微生物苜颗粒比常规活性污泥更有优势的原因，不胺同菌种可以在同一微生物模型共存，这提供细菌协作作用的平台。在这种情况下，一个去除有机碳和氮的更紧凑的生物反应契器阿可以实现。DO浓度和搅拌两个因素搠影响微生物颗粒反硝化的效率。完全反硝柿化在DO浓度/L可以取得，同时搅拌为佣了确保颗粒和溶解氮足够接触是有必要的，否则微生物颗粒反硝化非常缓慢，这篇论文打开了环境工程者进一步研发去除污庹水中的有机物和氮两种物质的新颖的、紧凑的和高效率基于颗粒生物处理工艺。11 / 11