含氮废水生物脱氮工艺研究.docx

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含氮废水生物脱氮工艺研究

含氮废水生物脱氮工艺研究

生物脱氮工艺由于运行成本低,二次污染小,已逐渐被应用于处理各种含氮废水。

而作为生物脱氮新技术之一的好氧反硝化,较之传统缺氧反硝化技术,不仅效率更高,而且适应性强,好氧反硝化反应过程中不受氧气抑制从而容易调控,并且使硝化反硝化同时发生在一个反应器内,可减少占地面积和建设成本,其反硝化速率比传统的缺氧条件下高,因此得到广泛的关注。

国内外学者研究发现Alcaligenes、Pseudomonas、Bacillus等菌属具有好氧反硝化性能。

　　有机碳源作为电子供体,在异养反硝化菌代谢过程中发挥重要作用。

在污水生物处理中,碳源费用占设备运行和管理成本一半以上,因此,寻找高效低成本的碳源可以在一定程度上解决碳源成本高的问题。

很多学者研究利用农林业有机物质作为反硝化碳源如报纸、麦秆、木、棉花、玉米芯等;但是有些农林业有机物如棉花有更高的经济价值,因此使用农林业废弃物作为反硝化碳（源能在脱氮同时实现废物资源化,更具实际意义。

　　农林业废弃物是由纤维素、半纤维素、木质素组成,其复杂的三维结构阻碍微生物接近可生物利用的纤维素和半纤维素部分。

另外,使用农林业废弃物作固体碳源存在着许多问题亟待解决,如释碳速度无法控制,反硝化效率较低,需要较长的水力停留时间,容易造成填料堵塞等。

若先将农林业有机物进行预处理,从三维结构中分离纤维素和半纤维素,并进一步分解出易被微生物利用的可溶性有机物质,以水解液作碳源从而提高反硝化效率,解决固体碳源所存在的问题。

　　目前很多工业废水如石油行业含氮废水都超过45℃,烟气经过除尘和脱硫后温度也一般在50~60℃,而当前的相关生物技术的最佳温度均为常温,高温生物脱氮技术具有切实的工程应用价值。

　　本研究首次利用玉米叶作为好氧反硝化碳源,这是基于玉米叶的碳水化合物含量高而木质素含量低,因而有利于微生物利用。

先对玉米叶进行水解预处理,使水解液中富含可生物降解的可溶性有机碳,反硝化效率可进一步提高。

本研究考察以玉米叶水解液为碳源,螯台球菌（Chelatococcusdaeguensis）TAD1在50℃下的好氧反硝化效率。

　　1　材料与方法

　　1.1　实验菌株

　　螯台球菌（Chelatococcus.daeguensis）TAD1是本实验室前期从广州瑞明电厂生物滴滤塔内筛选出来具有好氧反硝化特性的菌株。

TAD1在-20℃下保存于甘油管中,实验前使用种子培养基进行活化。

　　1.2　培养基

　　种子培养基:

蛋白胨10.0g·L-1,牛肉浸膏5.0g·L-1,氯化钠5.0g·L-1。

　　硝酸盐反硝化培养基:

KH2PO41.5g·L-1,Na2HPO40.8g·L-1,MgSO40.2g·L-1,KNO30.36~2.16g·L-1,微量元素2mL,玉米叶和柠檬酸钠根据实验要求进行调整。

　　亚硝酸盐反硝化培养基:

KH2PO41.5g·L-1,Na2HPO40.8g·L-1,MgSO40.2g·L-1,NaNO20.15~0.74g·L-1,微量元素2mL,玉米叶和柠檬酸钠根据实验要求进行调整。

　　微量元素溶液成分:

EDTA50.0g·L-1,ZnSO42.2g·L-1,CaCl25.5g·L-1,MnCl2·4H2O5.06g·L-1,FeSO4·7H2O5.0g·L-1,（NH4）6Mo7O2·4H2O1.1g·L-1,CuSO4·5H2O1.57g·L-1,CoCl2·6H2O1.61g·L-1。

　　1.3　碳源材料及其主要参数测定

　　玉米叶来源于广州市番禺区新造镇,回收后用自来水洗净,储存于4℃冰箱中。

前期实验得出以下预处理最优条件,将玉米叶粉碎至10~40目,加碱量为0.01mol·L-1,固液负荷比为60g·L-1,在40℃下静置24h,其水解液作为液体碳源供螯台球菌TAD1生长。

测定玉米叶水解液的化学需氧量（COD）、还原糖、pH、NO-3-N和NO-2-N。

　　1.4　菌株TAD1分别利用玉米叶水解液、柠檬酸钠为碳源时好氧反硝化性能

　　在玉米叶水解液中加入硝酸盐反硝化培养基中除碳源以外的其他组分,在105℃下高压灭菌30min。

基于本实验室的前期研究,TAD1脱氮的最佳C/N为9,最佳碳源为柠檬酸钠;因此,在硝酸盐反硝化培养基中加入柠檬酸钠使C/N为9与玉米叶水解液进行比较,在115℃下高压灭菌20min。

　　将TAD1活化后取10mL（即10%体积比）菌悬液接种于含90mL硝酸盐反硝化培养基的250mL的锥形瓶中,于50℃、160r·min-1（此时溶解氧为7.25mg·L-1）条件下培养20h,每隔2.5h取样2mL检测其NO-3-N、NO-2-N。

　　1.5　培养条件对TAD1好氧反硝化的影响

　　将TAD1活化后接种于90mL反硝化培养基中,于50℃、160r·min-1条件下培养10h,隔一定时间测定其NO-3-N、NO-2-N、OD600。

　　1.5.1　混合碳源中玉米叶水解液与柠檬酸钠比例的影响

　　玉米叶水解液与传统碳源混合可能会提高硝酸盐去除率,使处理后水质达到更高标准。

将玉米叶水解液与柠檬酸钠溶液以不同的比例混合,柠檬酸钠加入量基于C/N为9,初始NO-3-N为100mg·L-1时,考察混合比对好氧反硝化性能的影响。

　　1.5.2　初始pH的影响

　　前期研究探索出,玉米叶水解液被TAD1利用的过程中,pH会下降再上升,偏碱性更有利于TAD1进行好氧反硝化,最佳初始pH为8.5。

调整初始pH至7.0、7.5、8.0、8.5、9.0,考察不同pH对TAD1以混合液为碳源时好氧反硝化性能的影响。

　　1.5.3　初始NO-3-N的影响

　　保持玉米叶水解液浓度不变,而柠檬酸钠按C/N为9调整,使初始NO-3-N浓度为50、100、150、200、250、300mg·L-1,在最佳pH条件下考察不同初始NO-3-N对TAD1以混合液为碳源时和以玉米叶水解液为唯一碳源时好氧反硝化性能的影响。

　　1.5.4　初始NO-2-N的影响

　　调整初始NO-2-N浓度为30、50、100、150mg·L-1,考察不同初始NO-2-N对TAD1以混合液为碳源时和以玉米叶水解液为唯一碳源时好氧反硝化性能的影响。

　　1.6　分析方法

　　硝酸盐氮（NO-3-N）测定采用酚二磺酸-紫外分光光度法,亚硝酸盐氮（NO-2-N）测定采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法,化学需氧量（COD）测定采用快速密闭消解法,还原糖测定采用3,5-二硝基水杨酸分光光度比色法,OD600测定采用721分光光度计在光密度为600nm处测定吸光度值,溶解氧测定采用YSI型DO测定仪,pH测定采用PHS-25pH计。

　　2　结果与分析

　　2.1　玉米叶水解液主要参数测定

　　实验对培养24h后的玉米叶水解液主要参数进行测定。

玉米叶在24h内释放大量COD,浓度为4508mg·L-1。

玉米叶水解液中还原糖含量先增加后减少,24h时为2530mg·L-1,占COD的56.12%。

加入0.01mol·L-1NaOH时玉米叶水解液pH为9.35,pH在水解过程中不断降低,经过24h后,pH下降低至4.42,可能是由于玉米叶水解过程中产生有机酸,而且其水解产物糖类也会进一步分解为有机酸。

玉米叶渗出1.16mg·L-1NO-3-N和0.01mg·L-1NO-2-N,不会增加明显的硝氮和亚硝氮含量。

　　2.2　菌株TAD1分别利用玉米叶水解液、柠檬酸钠为碳源时好氧反硝化性能

　　由图1可看出,菌株TAD1利用玉米叶水解液为唯一碳源生长时,硝酸盐氮在5h内由100.25mg·L-1降至20.70mg·L-1,并在10h内降低到8.20mg·L-1,平均反硝化速率为9.21mg·（L·h）-1。

亚硝酸氮在5h达到最大值39.28mg·L-1,在7.5h后降至0。

硝酸盐氮与亚硝酸盐氮的迅速减少可能是由于玉米叶水解液中含有多种碳源供TAD1利用,有助于TAD1迅速生长,快速去除硝酸盐氮与亚硝酸盐氮。

但是硝酸盐在10h后并没有进一步并去除,脱氮率为91.82%。

当柠檬酸钠为唯一碳源时,反硝化速率明显比玉米叶水解液为碳源时慢。

由于柠檬酸钠、C/N为9是TAD1脱氮的最佳条件,进一步增加碳量并不会提高反硝化速率,因此其速率低于玉米叶水解液不是由于其含碳量较低而可能是因为TAD1对其利用的速率低于玉米叶水解液。

NO-3-N在20h内降至0,NO-2-N在12h达到最大值40.80mg·L-1,在20h后低于检测限。

虽然TAD1利用柠檬酸钠为碳源生长时,反硝化速率仅有5.03mg·（L·h）-1,但随着反硝化过程的持续脱氮率可达到100%。

若将两者按一定比例混合作为碳源可能会同时获得高反硝化速率和脱氮率。

　　2.3　混合碳源中玉米叶水解液与柠檬酸钠比例的影响

　　为了进一步降低处理后的硝酸盐浓度,实验将玉米叶水解液以不同比例混合,考察不同混合比对TAD1的好氧反硝化性能的影响,结果如图2所示。

　　由此可看出,随着玉米叶水解液含量增大,硝酸盐去除率先增加后减少,在混合比为1∶4时硝酸盐去除率达到峰值95.85%。

当柠檬酸钠与玉米叶比例大于等于1∶4时,处理10h后硝酸盐去除率均达到92%以上,并且没有亚硝酸盐的积累,因此无须进一步增加玉米叶水解液的投入。

而当混合比低于1∶4时有亚硝酸盐积累,并且玉米叶水解液含量越低其积累越明显;因此,将玉米叶水解液与柠檬酸钠以1∶4混合作为碳源供TAD1利用可以同时获得最优反硝化速率和脱氮率。

　　2.4　初始pH的影响

　　由图3可看出:

随着初始pH的增加,硝酸盐去除率先增加后下降,在pH为8.0时达到最大值96.79%。

在初始pH为7.0~9.0时均没有亚硝酸盐的积累。

OD600的变化趋势与硝酸盐去除率的相一致,在pH为8.0时达到最大值1.555。

因为在TAD1利用玉米叶水解液的过程中,培养基的pH会先下降再上升,因此在初始pH为8.0时,更有利于TAD1生长,从而达到更高的去除率。

值得注意的是,在pH为7.0~9.0时,去除率均高于92.5%,说明pH的下降没有给好氧反硝化带来显著的负面影响。

　　2.5　初始NO-

　　3-N的影响

　　保持玉米叶水解液含量不变而柠檬酸钠按C/N为9调整,实验考察不同NO-3-N对TAD1利用2种碳源的好氧反硝化性能的影响,结果如图4所示。

　　由图4（a）可看出,在初始NO-3-N为0~250mg·L-1时,玉米叶水解液或混合液为碳源时硝酸盐去除率与浓度正相关,最大值分别为97.20%与95.12%。

而当浓度为300mg·L-1时,两者均下降,并且伴随着亚硝酸盐的积累,分别为16.05mg·L-1与18.20mg·L-1,这是由于随着硝酸氮浓度的增加需要相应碳源的补充才能维持高效率,或延长处理时间以达到高去除率,12h时以两者为碳源均不再有亚硝酸盐积累（数据在图中未给出）。

由图4（b）可看出,好氧反硝化效率随浓度的变化趋势与硝酸盐去除率相一致,最大值分别为24.30mg·（L·h）-1与23.78mg·（L·h）-1,发生在初始浓度为250mg·L-1时。

当NO-3-N为50、100mg·L-1时,混合液为碳源时的硝酸盐去除率与反硝化效率均高于玉米叶水解液为唯一碳源时,在50mg·L-1时更为明显。

在NO-3-N≥150mg·L-1时,TAD1利用玉米叶水解液的好氧反硝化性能优于柠檬酸钠。

同样地,OD600随着浓度的增加相应增大,利用玉米叶水解液为碳源的TAD1菌浓度始终高于利用混合液为碳源的菌浓度。

而且,当NO-3-N由200mg·L-1增加至250mg·L-1,OD600的增加最为明显,利用水解液生长的菌浓度由1.865增加至2.380,而利用柠檬酸钠的由1.690增加至2.298。

当NO-3-N为300mg·L-1时,两者菌浓度皆达到最大值2.520及2.410。

这可能是因为高浓度的氮源可以刺激TAD1的生长,尤其当NO-3-N高于200mg·L-1时。

另外,玉米叶水解液为唯一碳源更能促进TAD1的生长;因此,当NO-3-N≤100mg·L-1时,混合液更适宜作为TAD1的碳源,当NO-3-N>100mg·L-1时,则玉米叶水解液更具有优势。

　　2.6　初始NO--N的影响

　　实验考察不同NO-2-N对TAD1利用2种碳源的好氧反硝化性能的影响,结果如图5所示。

由图5（a）与5（b）可看出,当以玉米叶水解液为唯一碳源时,初始NO-2-N为30~100mg·L-1时,亚硝酸盐均在7.5h内去除。

而利用混合液作为碳源时,30mg·L-1NO-2-N在5h内去除,50mg·L-1NO-2-N在7.5h内去除,100mg·L-1NO-2-N在10h内去除。

当初始NO-2-N为150mg·L-1时,利用玉米叶水解液生长的TAD1在10h内去除了56.46%的NO-2-N。

而利用混合液生长的TAD1在10h内仅仅去除了8.54%的NO-2-N。

说明碳源不足导致好氧反硝化进行不彻底,亚硝酸盐去除率低;玉米叶水解液更适于高浓度亚硝酸盐的去除。

由图5（c）可以看出,玉米叶水解液作为碳源时,当NO-2-N高于30mg·L-1,TAD1从0h开始就迅速生长。

当NO-2-N为100mg·L-1培养10h后,OD600达到最大值1.185,而当NO-2-N为150mg·L-1时,培养10h的TAD1的OD600在4个浓度中最低,0.615。

这说明了以玉米叶水解液为碳源时,NO-2-N为30~100mg·L-1时,亚硝酸盐浓度增加并没有抑制TAD1的生长,反而有助于其生长。

由图5（d）可以看出,以混合液作为碳源时,TAD1从2.5h开始迅速生长。

在初始NO-2-N为100mg·L-1培养10h后,OD600达到最大值0.922,明显低于同条件下玉米叶水解液为碳源的OD600。

因此,当NO-2-N<50mg·L-1时,混合碳源更有利于TAD1进行好氧反硝化。

当NO-2-N>50mg·L-1时,玉米叶水解液碳源更具有优势。

 图5初始NO-2-N对TAD1分别利用玉米叶水解液（a,c）、混合碳源（b,d）的好氧反硝化的影响

　　3　讨论

　　3.1　菌株TAD1分别利用玉米叶水解液、柠檬酸钠为碳源时好氧反硝化性能

　　好氧反硝化需要充足的外源有机碳作为电子供体将硝酸盐还原为氮气。

农林业有机物即木质纤维素物质由于其经济性以及来源广泛,有作为反硝化碳源的巨大潜力;但是由于纤维素是由线性的葡萄糖聚合物通过氢键连接,并与半纤维素和木质素紧密结合在一起,其复杂的三维结构会阻碍微生物获得可利用的碳源,因此,先将玉米叶水解以破坏其复杂结构,使微生物更容易利用其有机碳有助于随后的反硝化反应。

水解预处理的费用相对于碳源费用要低得多。

实验证明玉米叶水解液为TAD1提供可利用的有机碳使其可高效进行反硝化,使NO-3-N的快速还原和积累的NO-2-N的快速去除,反硝化时间比以柠檬酸钠为碳源的缩短一半。

这可能是玉米叶水解后有各种各样可利用的糖类以及有机酸类碳源为微生物提供电子供体,使其代谢活动更加旺盛,在短时间内进入对数生长期,快速利用氮源达到脱氮的目的,但是其脱氮率（91.82%）低于以柠檬酸钠为碳源（100%）。

　　3.2　培养条件对好氧反硝化的影响

　　当柠檬酸钠与玉米叶比例为1∶4时好氧反硝化效果最好,处理10h后硝酸盐去除率达到95.85%,反硝化速率为9.59mg·（L·h）-1,TAD1同时获得最佳反硝化速率和脱氮率。

亚硝酸盐在7.5h内还原为含氮气体,少于施氏假单胞菌Pseudomonas.stutzeriPCN-1利用玉米淀粉为碳源时所需时间（12h）。

有研究表明,在有好氧条件下混合碳源可以同时促进硝酸盐还原和碳的降解;因为纤维素是线性的葡萄糖聚合物,玉米叶水解液主要成分是糖类,与柠檬酸钠混合其相互作用可能更有利于TAD1对碳源的利

　　用,从而充分还原硝酸盐。

另外,柠檬酸钠能使周质硝酸盐还原酶活性增强,使好氧反硝化进行得更彻底。

以混合液为碳源时,最适宜pH为8.0。

这时由于TAD1利用含玉米叶水解液的混合碳源生长时,在胞外酶的作用下进一步将糖类分解为有机酸,使pH降低,偏碱性有利于补偿碳源分解带来的pH下降。

但是,在pH为7.0~9.0时,去除率均高于92.5%,说明TAD1能适应废水处理过程中的pH的波动,具有实际意义。

　　高浓度的NO-3-N可能是反硝化的其中一个限制因素,因为剩余的碳源可能不足以维持异养代谢;但是在本实验高浓度硝酸盐反而刺激了TAD1的生长,增强硝酸盐还原酶的活性,促进好氧反硝化快速进行,以玉米叶水解液为碳源时尤为明显。

可能由于玉米叶水解液中含有高浓度的多种糖类从而更有利于TAD1生长繁殖。

初始NO-3-N浓度越高,NO-2-N的还原需要更多的时间,初始NO-3-N为250mg·L-1时,处理10h后没有亚硝酸盐存在;NO-3-N为300mg·L-1时,处理12h后没有亚硝酸盐存在。

其高效好氧反硝化性能明显优于已报道的好氧反硝化菌施氏假单胞菌PseudomonasstutzeriT13利用丁二酸钠为碳源时的性能。

在初始NO-3-N为185.24mg·L-1,摇床转速为160r·min-1,T13培养15h后仍有147.44mg·L-1NO-2-N。

总的来说,当NO-3-N为30~100mg·L-1时,混合液更适宜作为TAD1的碳源,当NO-3-N为150~300mg·L-1时,玉米叶水解液更适宜为TAD1提供碳源进行好氧反硝化;因此,玉米叶水解液可以作为一种高效廉价的碳源处理高浓度硝酸盐废水。

　　催化还原亚硝酸盐为含氮气体的亚硝酸还原酶通常是对氧气敏感的;但是在初始NO-2-N为100mg·L-1,摇床转速为160r·min-1条件下,TAD1利用玉米叶水解液为碳源,NO-2-N在7.5h内完全去除。

说明当玉米叶水解液为碳源时,TAD1的亚硝酸还原酶在较高溶解氧下也能高效运作。

玉米叶水解液为碳源时,适当增加亚硝酸盐的初始浓度可以加速TAD1的生长,但当NO-2-N为150mg·L-1,TAD1的生长受到抑制,可能由于此时碳源已经不能为TAD1提供大量的电子供体。

当NO-2-N为30、50mg·L-1,以混合液为碳源时,NO-2-N分别在5、7.5h内被迅速还原,因此混合液适合在此浓度范围内作为TAD1的碳源。

当NO-2-N为50~150mg·L-1,利用玉米叶水解液为碳源时的好氧反硝化性能更佳。

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　　4　结论

　　1）初始NO-3-N为100mg·L-1时,柠檬酸钠与玉米叶水解液比例为1∶4时可获得最佳的好氧反硝化性能,TAD1培养10h后硝酸盐去除率达到95.85%。

其最佳pH为8.0,适宜范围为7.0~9.0。

　　2）初始NO-3-N在50~250mg·L-1的范围内,脱氮率、反硝化效率与时间成正相关,脱氮率最高达到97.20%,反硝化效率最高为24.30mg·（L·h）-1。

NO-3-N为30~100mg·L-1时,混合液更适宜作为TAD1的碳源,当NO-3-N为150~300mg·L-1时,玉米叶水解液更合适。

　　3）适当增加亚硝酸盐的初始浓度可以加速TAD1的生长,但当NO-2-N为150mg·L-1,TAD1的生长受到抑制。

NO-2-N为30~50mg·L-1时,混合液更适宜作为TAD1的碳源,当NO-2-N为50~150mg·L-1时,玉米叶水解液更合适。