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1、西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）厌氧氨氧化细菌的筛选试验研究Research of Selection of Anammox-bacteria年 级:2006级学 号:20065274姓 名:专 业:环境工程指导老师: 二零一零年六月院 系 环境科学与工程学院 专 业 环境工程 年 级 2006级 姓 名 题 目 厌氧氨氧化细菌的筛选试验研究 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 毕业设计（论文）任务书班 级 环境工程2班 学生姓名 学 号 20065274 发题日期：2010年 1 月 2 日 完成日期：
2、6月 2 日题 目 厌氧氨氧化细菌的筛选试验研究 1、本论文的目的、意义 从厌氧氨氧化反应器中筛选、富集厌氧氨氧化菌；确定最佳厌氧氨氧化能力的工艺条件，缩短Anammox反应器启动的时间，并为推进Anammox工艺在实际废水处理工程的应用打下良好的基础。 2、学生应完成的任务 查阅相关的资料，制定实验方案，在上流式厌氧污泥床(UASB)反应器中接种、培养、富集具有厌氧氨氧化活性的颗粒污泥；在成功启动厌氧氨氧化反应器之后，改变培养条件，测定硝化速率，并最终确定菌株的最佳厌氧氨氧化能力的工艺条件。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 12 周）第一部分 查阅相关资料,制定实验方案 (1 周) 第二
3、部分 厌氧氨氧化菌种的筛选实验 (6周) 第三部分 论文的编写 (2 周)第四部分 外文的翻译工作_ (1 周) 第五部分 _修改论文及定稿 _ ( 1周)评阅及答辩 ( 1周)备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日摘要生物脱氮一直是人们关注的问题。尤其在一些富含氨废水和低C/N比废水的脱氮处理方面一直困扰着人们，而最近开发的一些Anammox工艺、SHARON工艺、OLAND工艺等解决了这个问题。但是由于这些系统的主要负责细菌的难获得性和难培养性制约了工程应用的发展。本文主要讨论如何简便易行地从自然界筛选出具有Anammox转化能力的细菌。Anammox过程即：在无氧环境中，
4、同时存在NH4+和NO2-或NO3-时，NH4+作为反硝化的无机电子供体，NO2-/NO3-作为电子受体，生成氮气的这一过程。因而，此过程可以大量节省脱氮过程中的能源和碳源成本，具有很大的实际应用前景。本试验所采用的废水为人工配水。本试验采用一套有效容积为60 L的UASB反应器，接种普通城市污水处理厂厌氧消化池污泥，以自配含NH4+-N和NO2-N的废水为进水，对Anammox反应过程的启动和运行特征进行了研究。结果表明：在反应器运行的第62天， NH4+-N和NO2-N的去除率分别为92.82%，95.19%，成功启动了Anammox过程。Anammox反应过程中，去除的NH4+-N、NO
5、2-N和生成的NO3-N的比例表现为1:1.38:0.24。 pH出水高于进水，稳定在7.4左右。碱度进、出水变化不大。获得的具有厌氧氨氧化活性的污泥为红色，并在反应器的下部形成了红色颗粒污泥。温度、pH和基质浓度等条件都对Anammox反应的稳定运行产生明显影响，因此，在厌氧氨氧化培养条件优化的实验中，我们对温度、pH和基质浓度等运行条件都做了一定的研究。由此，也确定了最佳厌氧氨氧化能力的工艺条件：温度大约为32、pH为7.4、NO2-N浓度为100mg/L（NH4+-N浓度为75 mg/L）。关键词：Anammox反应；UASB反应器；启动；运行条件AbstractBiological n
6、itrogen removal always absorbs peoples eyes. Especially, nitrogen removal of rich ammonium contained water and low ratio C/N water were troubling people. Recently several processes, such as Anammox, OLAND et al, resolved this problem. But due to the bacteria mainly duty for these systems are very di
7、fficult to cultivated, these processes are not easy to apply full-scale plant. This book focused on finding a simple method of how to select Anammox-bacteria from natural environments. Anammox process is a process that while there are exiting NH4+ and NO2- / NO3- at the same time in an anaerobic env
8、ironment, NH4+ is uesd as the inorganic denitrification electron donor and NO2-/NO3- as the electron acceptor to generate nitrogen. Therefore, this process can be substantial savings the cost of energy and nitrogen and carbon, it has a great practical application in the future. Synthetic wastewater
9、was used in this study.The start-up of anaerobic ammonium oxidation (Anammox) process and operational characteristics in a 60L upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor seeding with activated sludge from a municipal sewage treatment plant was investigated. The UASB bioreactor was feed with arti
10、ficial wastewater composed of ammonium and nitrite at proper ratio. The results demonstrated that Anammox process was achieved successfully with high removal efficiencies of NH4+-N and NO2-N upto 92.82% and 95.19% after 62 days of operation and acclimation. Furthermore, the average ratio of removed
11、ammonia, removed nitrite and produced nitrate was 1：1.38：0.24 at the stable stage of the process. The effluent pH kept around 7.4 and the alkalinity varied a little. The biomass obtained with high Anammox activity was red. The grain-sludge of red was found at the bottom of the bioreactor. The Anammo
12、x reaction conditions，such as temperature, pH and substrate concentration are obvious impact on the stable operation. Therefore, we have done some research about the operating conditions of temperature, pH and substrate concentration in the experiments of optimization of culture conditions of anammo
13、x. Thus, we identified the best conditions of anaerobic ammonium oxidation process: temperature about 32 , pH about 7.4,and NO2-N concentration of 100mg/L (NH4+-N concentration of 75 mg/L).Keyword: Anammox reaction；UASB reactor；start-up；operating conditions目录第1章 绪论.11.1课题研究的背景.11.2脱氮的必要性.11.2.1水体中氮的
14、来源.21.2.2水体中氮的危害性.21.2.3氮的控制要求.31.3氮素污染的控制.41.3.1物化法.41.3.2生物法.41.4生物脱氮的进展.51.4.1 全程自养脱氮工艺.6 1.4.2 SHARON工艺.61.4.3 OLAND工艺.81.4.4 SND工艺.91.4.5 SHARON-ANAMMOX工艺.91.4.6 厌氧氨氧化工艺.111.5课题的提出.111.6本研究的内容和意义.121.6.1研究内容.121.6.2研究意义.121.7本文所解决的主要问题.13第2章 Anammox工艺的脱氮原理.142.1生物脱氮的原理.142.2传统生物脱氮机理.14 2.2.1氨化作
15、用.14 2.2.2硝化作用.15 2.2.3反硝化作用.162.3厌氧氨氧化机理.182.4参与Anammox过程的细菌.192.4.1厌氧氨氧化菌的分布.192.4.2优势细胞.202.4.3 Anammox菌的影响因素.202.5利用UASB富集Anammox菌的基本原理.21第3章 试验方法和材料.243.1试验装置.243.2接种污泥.253.3模拟废水.253.4试验分析项目与方法.26第4章 结果与分析.274.1反应器的启动.274.1.1反应初期阶段.294.1.2过渡期阶段.314.1.3稳定运行期阶段.324.2Anammox反应过程中的三氮比.344.3pH和碱度的变化
16、.344.4污泥变化.344.5厌氧氨氧化过程的条件优化.354.5.1pH对厌氧氨氧化反应的影响.354.5.2温度对厌氧氨氧化反应的影响.364.5.3基质浓度对厌氧氨氧化反应的影响.364.5.4小结.37第5章 结论与建议.385.1结论.385.2建议.39致谢.40参考文献.41第1章 绪论1.1课题研究的背景氮和磷是废水中常见的无机营养物，它们是引起湖泊富营养化的重要指标。国外从20世纪60年代末开始研究开发废水的生物脱氮工艺技术，80年代开始广泛应用于城市污水和部分工业废水中营养物的去除。我国从20世纪80年代也开始了脱氮方面的研究工作，并取得了一定的进展。但因为在脱氮的过程中
17、需要消耗碱度和碳源，因而这些技术的应用受到了一些限制。它们不能用来处理高浓度的含氮废水和低碳氮比的废水。目前已发现一类自养型细菌能在厌氧的环境下利用NH4+-N和NO2-N来生长生产出氮气。这种细菌利用CO2作为自身生长所需的碳源，整个过程无须另外投加有机物。这为生物脱氮技术提供了无限生机，如果能把这一原理应用于工程和工业化处理目前难处理的高浓度含氨废水，必将大量节省脱氮过程中的能源和碳源成本。课题就是在这种背景下提出的，以期能最终确定这一类自养型细菌的最佳厌氧氨氧化能力的工艺条件，用尽可能短的时间启动Anammox反应器，并把自养型的厌氧菌脱氮技术应用于实际。1.2脱氮的必要性水体中的氮来源
18、于自然过程和人类活动。在自然界中生物固氮每年可达54106t，闪电固氮可达7.6106t。但是由于造成水体氮污染的主要是人类的社会生产活动所引起的，通过水体的自然生物的自净是远远不能处理人类每年排放的大量的氮。若任由氮自然排放，必将引起系列的严重后果，使水体环境恶化，因此有必要对含氮废水进行处理。1.2.1水体中氮的来源1水体中的氮主要以有机氮和无机氮的形式存在，有机氮主要包括蛋白质多肽氨基酸和尿素等，而无机氮是指氨氮、亚硝态氮和硝态氮。它们的来源是多方面的，主要由城市生活污水、工厂工业废水和农溉污水三方面带入。随着我国城市人口的增加和人口进一步的集中，及人民生活水平的提高，城市排放的垃圾量和
19、污水量在逐步上升。城市生活污水中的氮主要是由厨房洗涤、厕所冲洗、淋浴、洗衣等带入，城市垃圾的渗滤液还有较高的氨氮。工业合成氨厂及系列氮肥厂，复合肥厂，硝酸生产厂，炼油厂屠宰厂等工厂会产生大量的氨氮废水。我国农业大量施用氮肥，氮肥施入土壤以后并不是全部立即被植物所吸收的，一般认为，损失到大气或随水流失的部分可达总量的20%以上。对农作物所施用的农药有80%- 90%会流失在土壤中，会随雨水冲淋、农业排水和地表径流而流入河道等水体中。此外自然界的天然固氮也是一个方面。其中，人工合成的含氮化肥是水体中氨氮营养元素的主要来源。1.2.2水体中氮的危害性(1)刺激地表水中植物和藻类的过度生长1植物和藻类
20、的生长离不开营养物质。在自然水体中，它们通常受氮（N）和磷（P）的限制。由于水生生物所需的N/P为4-10（质量比），而寡营养型湖泊的N/P大于10，因此磷的限制作用更大。但是，如果城市生活污水排入水体中，由于污水的N/P为3，湖泊的N/P降低，氮和磷的限制作用发生逆转。氮素随污水持续进入水体，可引起水体富营养化（eutrophication），造成水生植物和藻类过度生长，并由此衍生出一系列不良的后果。水生植物和藻类大量繁殖，覆盖水面，影响景观。“赤潮”是海面呈现红色，使人感到一片萧条。藻类密度过高，阻塞鱼鳃和贝类水孔，影响呼吸作用。藻类产生毒素，如Cyaulax catenella产生石房蛤
21、毒素（剧烈的神经毒素），可引起鱼、贝中毒。藻类产生气体物质，使水体散发异常气味，如土腥味、霉腐味、鱼腥味等。如果以富营养化水体为水源，藻类可堵塞滤池而影响水厂生产；所含的毒素和气味物质则影响饮用水的质量。(2)通过硝化作用引起水体缺氧氨是硝化细菌的能源，硝化作用会消耗大量氧气。由于氨氮的理论需氧量为4.6mg/mg(O2/NH4+)，在二级处理出水中，氮需氧量（NOD）占总需氧量（TOD）的比列可高达71.3%。假如水体没有足够的稀释能力，二级处理出水排入水体后，氨氮将耗尽溶解氧。20时，水中饱和溶解氧浓度约为9mg/L，许多鱼类生活所需的溶解氧浓度都在5mg/L以上，也即要求水中溶解氧的饱和
22、度大于56%。氨氮消耗溶解氧，可对水生生态系统造成严重影响。(3)氨对水生生物产生毒害氨是水生植物和藻类的营养物质，同时也是鱼类和其它水生动物的毒性物质。在水中，氨以离子（NH4+）和分子（NH3）的形态存在，引起毒害作用的主要是NH3。由于pH和温度可影响NH3的分配NH3/(NH3+NH4+),升高pH或温度，可明显增强氨氮的毒性。夏天，在一些富营养化程度高的水体中，光合作用很强，CO2消耗很大，pH上升很快，极易诱发水生生物的氨中毒。(4)硝酸盐影响人类健康硝酸盐和亚硝酸盐之所以受到公共卫生部门的高度关注，是因为它们能诱发高铁血红蛋白血症和胃癌。高铁血红蛋白血症只要发生于婴儿人群中，患者
23、皮肤呈淡蓝色，因此被称为“蓝儿”症。婴儿吸入含有硝酸盐的饮品后，会在胃和唾液中还原成亚硝酸盐，并与血红蛋白反应生成高铁血红蛋白。由于正常血红蛋白具有输氧能力，而高铁血红蛋白没有输氧功能，当后者在血液中的含量超过70%时，就会导致婴儿窒息，皮肤变成淡蓝色。硝酸盐诱发胃癌主要是亚硝基化合物所致。硝酸盐还原产生亚硝酸盐，后者可与胺或酰胺反应生成亚硝胺或亚硝酰胺，两者都有致癌作用。流行病学研究表明，硝酸盐摄入量大的人群，胃癌发生率也高。(5)增加污水处理成本污水中NH3-N的增加会增加污水的处理成本。以氯气处理法计，每增加1gNH3-N需增加810g的氯气量。若以化学中和法、沉淀法处理，也会增加化学沉
24、淀剂的投入量。此外，氨还会与一些含铜及铜合金设备中的铜组分反应引起相关设备的腐蚀。1.2.3氮的控制要求在我国1996年发布的GB 89781996污水综合排放标准2中明确规定了医药原料药、染料、石油化工工业废水中的氨氮一级出水标准为15mgN/L，二级标准为50mg/L，而其他排污单位的氨氮排放标准：一级为15mg/L，二级为25mg/L。1.3氮素污染的控制因为氮素污染的种种危害，氮素控制得到了社会各界的重视。在废水脱氮技术的研究、开发和应用中，涌现了一大批行之有效的处理工艺，构成了废水脱氮技术的技术体系。这些废水脱氮技术可区分为物化法和生物法。1.3.1物化法物化法主要有空气吹脱法、选择
25、性离子交换法、折点加氯法、磷酸氨镁沉淀法3等。废水的物化脱氮工艺的特点是操作简单、能耗低。出氮效果稳定，适用于工矿企业排出的高含氮废水的处理，尤其适合氨氮浓度较高的氮肥厂处理废水用。1.3.2生物法废水生化处理脱氮工艺效果好，能较为彻底的脱出废水中的氨，且不会造成二次污染，能耗也较物化法低。生物法是目前应用最广的废水脱氮技术。它通常由硝化工艺和反硝化工艺组成。(1)硝化工艺3硝化工艺（nitrification process）是通过工程措施，利用自养型硝化细菌的作用，将废水中的氨氧化为硝酸盐的处理方法。硝化工艺诞生于20世纪中叶，随着研究的深入和应用的普及，硝化工艺的类型不断增加。根据除碳（
26、COD去除）与硝化（氨氧化）的关系，硝化工艺可分为单级处理系统（活性污泥法）和多级处理系统（生物膜法）。在多级处理系统中，既可采用单一的活性污泥法或生物膜法，也可采用两者的组合。若进一步考虑各级处理的反应器构型，硝化工艺将更加丰富多样。(2)反硝化工艺反硝化工艺（denitrification）是通过工程措施，里哦那个反硝化细菌的作用，将废水中的硝酸盐、亚硝酸盐以及其它氮氧化合物还原为氮气的处理方法。与硝化工艺相似，反硝化工艺也可区分为单级处理系统和多级处理系统；悬浮生长系统（活性污泥法）和附着生长系统（生物膜法）；根据反应器构型也可划分出多种类型。从微生物学的角度看，一方面，反硝化细菌多为兼
27、性厌氧细菌，只有在氧受限制时才能进行脱氮作用，要使反硝化过程顺利进行，必须防止氧的干扰；另一方面反硝化细菌主要是异养型细菌，有机物使它们不可缺少的能源和碳源，要使反硝化反应顺利进行，必须为反硝化细菌提供合适的电子供体。根据有机物的来源，反硝化工艺还可区分为内碳源反硝化和外碳源行反硝化作用。前者利用废水中的有机物作为碳源进行反硝化作用；后者则通过外加有机物（如甲醇）进行反硝化。硝化工艺虽然能够把氨转化为硝酸盐，消除氨的不良影响，但不能彻底的消除氮素的不良影响。反之，反硝化工艺虽能够根除氮素对环境的污染，但不能直接去除氨氮。因此在环境工程上，硝化工艺与反硝化工艺常常联合应用。三种常用的生物脱氮工艺
28、流程为3：1)分级除碳、硝化、反硝化工艺除碳硝化反硝化2)组合除碳和硝化，分级硝化工艺除碳和硝化反硝化 3)组合除碳、硝化、反硝化工艺除碳、硝化、反硝化1.4生物脱氮的进展近十多年来，在氮素污染日趋严重，许多国家目前对废水处理工艺也提出了可持续发展目标：最低的有机物和能源消耗（14MJ/kgCOD），最小的二氧化碳排放，最大的生物能量-甲烷的产生。而传统的消化-反硝化生物脱氮工艺能耗大，每硝化1gNH4+-N要耗氧4.57g，每反硝化1gNO3-N要硝化碳源2.86gCOD。为此国外近年来开发了一些全新的脱氮工艺。1977年奥地利理论化学家Broda5根据化学反应自由能的计算，预言自然界必然存
29、在以硝酸盐或亚硝酸盐为氧化剂的氨氧化反应。之后，陆续有许多科学家对这方面的内容进行了研究。20世纪80年代末，荷兰Delft工业大学Mulder5等人发现，生物脱氮流化床反应器中的氨与硝酸盐是同步转化的，产生的气体主要成分是N2。这就是Broda所预言的存在于自然界中的厌氧氨氧化。接着，van de Graaf5等人以充分的实验证据证明，厌氧氨氧化是一个厌氧生物反应。之后Van de Graaf等人在无机盐培养器中培养出了厌氧氨氧化细菌，而且通过实验证明此类细菌的生长受有机物的抑制，因此可以初步判定它们是自养型细菌，厌氧氨氧化是自养型细菌所致的生物反应。以理论为基础，有科学家陆续开发出了多种工艺来处理富含氮废水。主要有荷兰Delft工业大学和生物技术实验室提出的SHARON-ANAMMOX5工艺，比利时Gent微生物生态实验室提出的OLAND5工艺等。并已经有一部分成果应用于实际取得了较好的效果。1.4.1全程自养脱氮工艺全程自养脱氮工艺，英文名为deammonification或autotrophic ammonia removal 。A.Hippen 和H.Siegrist研究发现在限
