固定化脱氮菌群处理含氮污水的研究

【摘要】：富营养化问题是当今世界面临的主要水污染问题之一,水体富营养化的发生及发展是多因素共同作用的结果,其中营养盐增加是发生富营养化的主要因素。本研究针对水体的氮污染,研究固定化脱氮菌群技术,以实现污水脱氮目的,从而减少富营养化发生的风险。本文首先从活性污泥、土壤等环境样品中筛选氨化菌、异养亚硝酸菌、硝酸菌和反硝化菌,通过观察菌株的菌落和菌体表观形态、测试生理生化特征和16S rDNA序列分析,综合以上特征对各菌株进行鉴定。取具有四种不同功能菌株各一株,构建脱氮菌群组合,筛选高效降低有机氮和氨氮浓度,且不积累亚硝态氮和硝态氮的菌群组合。研究制备固定化脱氮菌群颗粒,优化颗粒制备配方,同时对颗粒质量进行评价,并建立了评价方法。将固定化脱氮菌颗粒用于自行研制的污水处理反应器中,研究其处理效果。本文汇集了脱氮菌群、微生物固定化和污水处理反应器工艺,并将其有效结合,此技术具有高效净化氮污染型富营养化水或深度处理含氮污水的功能,为微生物处理含氮污水提供了理论依据和实际指导意义。本研究主要内容及结果如下: 1.氨化菌、亚硝酸菌、硝酸菌和反硝化菌的筛选及菌种鉴定 本文从活性污泥、鱼塘水和土壤等环境中,通过富集、初筛得到196株细菌,其中氨化菌112株、亚硝酸菌46株、硝酸菌25株和反硝化菌13株;通过复筛得到18株高效菌株,其中氨化菌5株、亚硝酸菌4株、硝酸菌4株和反硝化菌5株。对这些菌株进行菌种鉴定,部分鉴定结果如下, A亚-C-3为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis),G硝-C-3为门多萨假单胞菌(Pseudomonas mendocina),M氨-4为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis),R反-5为类产碱假单胞菌(Pseudomonas pseudoalcaligenes)。 2.脱氮菌群的构建 选取氨化、亚硝化、硝化和反硝化功能菌各一株组成脱氮菌群组合,共构建72个组合。依据筛选高效降低有机氮和氨氮浓度,且不积累亚硝态氮和硝态氮菌群组合的原则,筛选获得AMGR组合脱氮效率最高,此组合AGMR处理污水48h时总氮去除率为65.32%,96h时总氮去除率达95.27%。 3.固定化脱氮菌颗粒的制备、颗粒配方优化及质量评价 采用聚乙烯醇和海藻酸钠包埋微生物,优化颗粒制备配方,优化结果为海藻酸钠最适浓度0.25%,活性炭含量2%,PVA浓度12%,交联时间为24h。以优化后的配方制备固定化亚硝酸菌Bacillus subtilis A颗粒并测试其处理含氮污水的效果,结果表明碳源有利于包埋菌颗粒对氨氮的去除,包埋两种不同浓度菌的颗粒除氨氮效果差异不显著。此外,固定化脱氮菌群颗粒处理模拟富氮营养水和模拟河水效果比固定化单菌颗粒好。本文提出了固定化微生物颗粒质量评价方法,从物理、化学和微生物三方面评价颗粒的质量。 4.固定化Bacillus subtilis A颗粒在固定床反应器中处理氨氮污水效果研究 通过试验发现固定化Bacillus subtilis A颗粒在固定床反应器中运行需经一周的驯化期才能达到稳定运行状态。在连续运行中,将HRT控制为20min,氨氮去除率可达90%以上;高溶氧(42.3 - 58.7%)有利于氨氮的去除;污水中较合适的碳氮比为10。 5.固定化脱氮菌群颗粒在反应器中处理含氮污水的研究 采用装载固定化复合菌颗粒的反应器系统分别以固定床和流化床方式处理含氮污水,研究不同条件参数对污水处理的影响,优化运行参数及运行方式。①采用固定床连续运行方式,较合适的HRT为20min,当溶氧为36.7–59.8%、碳氮比为20:1时总氮去除率可接近100%。②采用流化床间歇运行方式,停留时间为140min,溶氧为56.8~71.6%时,总氮去除率可接近100%。本反应器系统适于处理初始氮浓度低于20mg/L的微污染水。③采用流化床连续运行,停留时间为12h时,溶氧为43.0~56.8%条件下,总氮的去除率可达78.12%-80.86%。此外,对流化床和固定床处理含氮污水的运行效果进行比较,流化床处理效率更高。 6.固定化脱氮菌颗粒处理含氮污水的机理探讨 脱氮菌处理含氮污水过程中,氮的转化脱除起主要作用;通过电镜观察发现固定化颗粒内的脱氮菌经驯化后会出现分布上的演替,主要分布在颗粒外层;初步探讨脱氮菌群产气成分以氮气为主。 【关键词】：富营养化水 氮污染 脱氮菌群 固定化微生物技术 反应器 处理效果
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-20
• 第一章 引言20-36
• 1.1 水体氮污染20-31
• 1.1.1 水体氮污染概况20-21
• 1.1.2 水体中氮的来源及危害21-22
• 1.1.3 脱氮理论与技术22-28
• 1.1.4 如何解决水体氮污染问题28-31
• 1.2 固定化微生物处理含氮污水的研究及应用进展31-34
• 1.2.1 微生物固定化方法及反应器类型31-33
• 1.2.2 固定化微生物处理含氮污水的应用实例33-34
• 1.3 本研究的目的意义及内容34-36
• 1.3.1 课题研究目的意义34-35
• 1.3.2 研究内容35-36
• 第二章 亚硝酸菌、硝酸菌、反硝化菌和氨化菌的筛选与鉴定36-54
• 2.1 材料36-38
• 2.1.1 样品来源36
• 2.1.2 培养基36-37
• 2.1.3 主要试剂37-38
• 2.1.4 试验主要仪器设备38
• 2.2 方法38-42
• 2.2.1 亚硝酸菌、硝酸菌、反硝化菌和氨化菌的筛选38-39
• 2.2.2 菌株鉴定39-42
• 2.3 结果与分析42-52
• 2.3.1 亚硝酸菌的筛选42
• 2.3.2 硝酸菌的筛选42-43
• 2.3.3 反硝化菌的筛选43-44
• 2.3.4 氨化菌的筛选44
• 2.3.5 菌种鉴定44-52
• 2.4 讨论52-53
• 2.5 小结53-54
• 第三章 脱氮菌群的构建及菌株生长降解条件研究54-65
• 3.1 材料54-55
• 3.1.1 菌种54
• 3.1.2 培养基及污水配方54-55
• 3.2 方法55-56
• 3.2.1 菌株间拮抗作用试验55
• 3.2.2 脱氮菌群的筛选55-56
• 3.2.3 碳源对脱氮菌群中各菌株生长的影响56
• 3.2.4 不同碳氮比对菌株降解性能的影响56
• 3.3 结果与分析56-63
• 3.3.1 菌株间的拮抗作用测试56-57
• 3.3.2 脱氮菌群组合的筛选57-60
• 3.3.3 AGIQ 和AGMR 菌群组合处理模拟富营养化水60-61
• 3.3.4 碳源对脱氮菌群中各菌株生长的影响61-62
• 3.3.5 不同碳氮比对菌株降解性能的影响62-63
• 3.4 讨论63-64
• 3.5 小结64-65
• 第四章 固定化微生物颗粒的制备及固定化条件的研究65-78
• 4.1 材料65-66
• 4.2 方法66-68
• 4.2.1 菌体富集及固定化微生物颗粒的制备66
• 4.2.2 固定化微生物颗粒质量评价66-67
• 4.2.3 固定化单菌颗粒和固定化混合菌群颗粒处理含氮污水试验67-68
• 4.3 结果与分析68-75
• 4.3.1 固定化颗粒质量的物理特征评价68-72
• 4.3.2 固定化颗粒质量的化学效能评价72-73
• 4.3.3 固定化单菌颗粒及固定化复合菌颗粒处理富氮营养水73
• 4.3.4 固定化单菌颗粒及固定化复合菌颗粒处理模拟河水73-75
• 4.4 讨论75-77
• 4.4.1 颗粒制备配方中海藻酸钠添加浓度的优化75
• 4.4.2 固定化微生物颗粒的质量评价75-76
• 4.4.3 实验室批量生产和工厂试生产76-77
• 4.5 小结77-78
• 第五章 固定化Bacillus subtilis A 颗粒处理含氨氮污水研究78-88
• 5.1 材料及试验装置78-79
• 5.1.1 菌株及固定化微生物颗粒78
• 5.1.2 培养基及试验水质78-79
• 5.1.3 试验装置79
• 5.2 方法79-80
• 5.3 结果与分析80-86
• 5.3.1 驯化阶段80-81
• 5.3.2 在间歇运行中，固定化Bacillus subtilis A 菌处理含氨氮污水81
• 5.3.3 在间歇运行中，DO 对去除氨氮的影响81-82
• 5.3.4 在连续运行中，不同HRT 对去除氨氮的影响82-83
• 5.3.5 在连续运行中，DO 对去除氨氮的影响83-84
• 5.3.6 在连续运行中，C/N 对去除氨氮的影响84-85
• 5.3.7 在连续运行中，不同初始氮浓度对氨氮去除的影响85-86
• 5.4 讨论86-87
• 5.5 小结87-88
• 第六章 固定化复合菌颗粒在反应器中处理含氮污水的研究88-105
• 6.1 材料88-90
• 6.1.1 菌株及固定化混菌颗粒88
• 6.1.2 培养基及试验用水88-89
• 6.1.3 试验装置89-90
• 6.1.4 试验分析项目及检测方法90
• 6.2 方法90-92
• 6.2.1 固定床间歇运行中，固定化复合菌处理含不同氮化物污水试验90
• 6.2.2 固定床连续运行中，HRT 对固定化复合菌处理模拟河水的影响90-91
• 6.2.3 固定床连续运行中，低通气量时C/N 对固定化复合菌除氮的影响91
• 6.2.4 固定床连续运行中，高通气量时C/N 对固定化复合菌除氮的影响91
• 6.2.5 流化床间歇运行中，固定化复合菌颗粒填充率对除氮的影响91
• 6.2.6 流化床间歇运行中，DO 对固定化复合菌除氮的影响91
• 6.2.7 流化床间歇运行中，初始氨氮浓度对固定化复合菌除氮的影响91
• 6.2.8 流化床连续运行中，水力停留时间对固定化复合菌除氮的影响91
• 6.2.9 固定床与流化床处理含氮污水试验的效果比较91-92
• 6.3 结果与分析92-103
• 6.3.1 固定床间歇运行中，固定化复合菌处理含不同形式氮污水试验92
• 6.3.2 固定床连续运行中，HRT 对固定化复合菌处理模拟河水的影响92-95
• 6.3.3 固定床连续运行中，低通气量时C/N 对固定化复合菌除氮影响95-96
• 6.3.4 固定床连续运行中，高通气量时C/N 对固定化复合菌除氮影响96-98
• 6.3.5 流化床间歇运行中，固定化复合菌颗粒填充率对除氮的影响98-99
• 6.3.6 流化床间歇运行中，DO 对固定化复合菌除氮的影响99-100
• 6.3.7 在流化床间歇运行中，初始氨氮浓度对固定化复合菌除氮影响100-101
• 6.3.8 流化床连续运行中，HRT 对固定化复合菌除氮的影响101-103
• 6.3.9 固定床与流化床处理含氮污水试验的效果比较103
• 6.4 讨论103-104
• 6.5 小结104-105
• 第七章 微生物脱氮的机理探讨105-112
• 7.1 脱氮菌群对氮的转化脱除起主要作用105-106
• 7.1.1 材料105
• 7.1.2 方法105
• 7.1.3 结果与分析105-106
• 7.2 固定化微生物颗粒的电镜观察106-109
• 7.2.1 材料106
• 7.2.2 方法106
• 7.2.3 结果与分析106-109
• 7.3 脱氮菌群产气成分测定与分析109-111
• 7.3.1 材料与方法109-110
• 7.3.2 结果与分析110-111
• 7.4 小结111-112
• 第八章 全文结论与研究展望112-115
• 8.1 研究结论112-114
• 8.2 创新点114
• 8.3 研究展望114-115
• 参考文献115-124
• 致谢124-125
• 附录125-135
• 作者简介135

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