包埋顆粒內(nèi)硝化菌增殖衰亡規(guī)律及硝化特性研究.pdf

1、與游離態(tài)相比較，經(jīng)包埋固定化的硝化菌具有生物濃度高，易于固液分離，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)的特點(diǎn)，促進(jìn)了硝化反應(yīng)速率。本研究以上海交通大學(xué)膜科學(xué)與技術(shù)研究所自主研發(fā)的聚氨酯包埋固定化硝化菌顆粒為對(duì)象，研究了包埋顆粒內(nèi)硝化菌增殖衰亡規(guī)律及硝化特性，主要結(jié)果如下:
　　 建立了針對(duì)包埋硝化菌顆粒有效擴(kuò)散系數(shù)的浸入測(cè)定方法，經(jīng)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得包埋硝化菌顆粒的有效擴(kuò)散系數(shù)De的計(jì)算模型，未經(jīng)馴化的包埋顆粒的氨氮擴(kuò)散系數(shù)為0.826×10

2、-9m2/s，約為純水中擴(kuò)散的42.1％;氧擴(kuò)散系數(shù)為0.468×10-9m2/s，約為純水中擴(kuò)散的23.6％。本研究采用的包埋顆粒的基質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)略高于文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的其他大多數(shù)固定化方式的擴(kuò)散系數(shù)，說(shuō)明本研究采用的包埋固定化載體具有較好的通透性。包埋過(guò)程中預(yù)聚體濃度和混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度MLVSS都對(duì)De的大小有影響。預(yù)聚體濃度越高，De越小;MLVSS越大，De越小。
　　 對(duì)包埋顆粒內(nèi)微生物活性與數(shù)量定性定量分析測(cè)定，獲得了

3、包埋顆粒內(nèi)硝化菌在馴化啟動(dòng)過(guò)程的增殖與擴(kuò)散規(guī)律。采用連續(xù)進(jìn)水馴化的效率大于間歇進(jìn)水馴化，馴化過(guò)程控制DO為3～4mg/L時(shí)即能較快地完成馴化，達(dá)到最大活性。70天馴化過(guò)程中，呼吸速率、硝化速率及顆粒內(nèi)的微生物量先快速增長(zhǎng)，后逐漸趨緩，在50天左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，表明馴化結(jié)束。包埋顆粒內(nèi)單位生物量的活性隨著馴化時(shí)間推移逐漸下降，下降率約22％。由于生物量不斷增長(zhǎng)，基質(zhì)在菌團(tuán)間傳質(zhì)小于其在載體內(nèi)的傳質(zhì)，有效擴(kuò)散系數(shù)隨著馴化不斷下降，降至約0.

4、492×10-9m2/s，為未馴化包埋硝化菌擴(kuò)散系數(shù)的59.6％。由于傳質(zhì)限制，靠近載體表面的菌團(tuán)會(huì)生長(zhǎng)得比靠近中心部位的菌團(tuán)更快，更大，表面比中心部分更密實(shí)，基質(zhì)更不易向內(nèi)擴(kuò)散。由于菌團(tuán)不斷膨脹，靠近顆粒表面的菌團(tuán)會(huì)最終觸及表面，形成突起并釋放到本體溶液中。
　　 對(duì)反應(yīng)器內(nèi)微生物量平衡分析研究獲得包埋顆粒內(nèi)硝化菌的比增長(zhǎng)速率μi。結(jié)果表明，馴化過(guò)程μi不斷減少直至趨于0，表明顆粒內(nèi)細(xì)胞釋放量等于生物凈增長(zhǎng)量。利用電鏡觀察和P

5、CR-DGGE(聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)-變性梯度凝膠電泳)對(duì)馴化后包埋顆粒內(nèi)的微生物進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)硝化菌一部分附著于顆粒表面，另一部分仍包裹于顆粒的網(wǎng)狀空隙內(nèi)，顆粒內(nèi)部的硝化菌呈菌團(tuán)狀，活細(xì)胞與死亡細(xì)胞共存。馴化完成后AOB(Ammoniaoxidizingbacteria)和NOB(Nitriteoxidizingbacteria)均形成穩(wěn)定的生物群落結(jié)構(gòu)，AOB均為亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonaseuropaea),NOB以Ni

6、trobacterSp.219、NitrobacterSp.263為主。
　　 包埋顆粒內(nèi)硝化菌衰亡規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)O2不足時(shí)，硝化菌衰減速率為0.935×10-6s-1(μmax的5.88％);當(dāng)氨氮不足時(shí)，其衰減速率為4.20×10-6s-1（μmax的26.4％）。當(dāng)氨氮濃度受限制，可以減少DO濃度以降低微生物衰亡程度。由O2不足而失活的硝化菌顆粒約10天后恢復(fù)至最大活性1207.8mgO2/L-pellet·h，由氨氮不

7、足而失活的硝化菌顆粒至25天仍未能恢復(fù)至最高活性。
　　 包埋硝化菌顆粒的擴(kuò)散-反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果表明，氨在包埋顆粒內(nèi)的內(nèi)擴(kuò)散影響可以忽略不計(jì)，而氧的內(nèi)擴(kuò)散對(duì)硝化反應(yīng)速率會(huì)產(chǎn)生影響。通過(guò)計(jì)算得到，溶解氧濃度為0.5、1、2和4mg/L時(shí)，平均溶解氧穿透層厚度分別為0.511、0.599、0.692、0.808mm，說(shuō)明本體溶液中溶解氧濃度越高，中間形成的缺氧區(qū)體積越小。
　　 對(duì)比研究包埋硝化菌顆粒與彈性填料生物膜硝化反

8、應(yīng)效能，結(jié)果表明包埋硝化菌顆粒對(duì)環(huán)境條件的變化適應(yīng)能力更強(qiáng)，硝化效果穩(wěn)定，最佳環(huán)境條件為:pH=8.0，DO=4mg/L，溫度為30℃。靈敏度分析表明，相對(duì)于DO和溫度，pH對(duì)硝化活性的影響較為明顯。在連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)中，包埋硝化菌顆粒反應(yīng)器始終保持較高的硝化率。用包埋硝化菌顆粒處理高有機(jī)物濃度和高氨氮濃度的米酒廢水，由于有機(jī)物濃度高，異養(yǎng)菌繁殖抑制了硝化細(xì)菌的活性，反應(yīng)器所能承受的最大負(fù)荷和包埋硝化菌活性均低于小試試驗(yàn)所能達(dá)到的最大值。<

9、br>　　 通過(guò)對(duì)亞硝酸化和硝酸化的動(dòng)力學(xué)研究以及游離氨抑制硝化的動(dòng)力學(xué)分析，并借助FISH(Fluorescenceinsituhybridization，熒光原位雜交)技術(shù)，確定了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定短程硝化的幾個(gè)因素:(1)包埋顆粒內(nèi)微生物種群中AOB為優(yōu)勢(shì)菌種，其菌種數(shù)量決定了硝化過(guò)程氨氧化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于亞硝酸氧化速率;(2)AOB的氧半飽和常數(shù)高于NOB，使AOB在較低溶解氧條件下更易獲得氧氣生長(zhǎng);(3)AOB對(duì)游離氨FA有較好耐受能力，