（环境工程专业论文）硝化反应过程中ph值变化的研究及数值模拟.pdf

中出犬学顶 j 学位论文摘爨 蔓曼皇曼燃i i i i i l l , 1 1 1 1 i i i i 一i i 量曼曼曩s 薹 硝佬反应过程中渊值变化的研究及数值模拟 专业：环境工程 硕士学位申请人：万千 指导老师：李遭字( 教授) 摘要 由硝化细菌催化氨氮氧化的硝化作用是氮循环的关键步骤，也是现代污水处 理厂生物处理氨氮废水的重要环节。由于硝化反应过程伴随着质子的释放和碱度 的消耗，导致整个系统的p h 值下降，当p h 值过低时，将严重影响硝亿反应的 进程。本文通过建立硝化模型和p h 模型，模拟硝化反应过程中p h 值、氮氮、 亚硝态氮以及硝态氮的变化，并通过实验加以验证。 硝化模型的建立以活性污泥3 号模型( a s m 3 ) 的硝化反应部分为基础，进 行三处改进，包括修改原一步硝化反应为亚硝化一硝化两步反应；在模型中加入 s ，c 变量，描述无机碳在硝化反应中的变化，并用于与p h 模型的衔接，去除原 有变量s 脒；增加c 0 2 扩散这一工艺过程。硝化模型中有众多参数，其中表征 硝化细菌生长最关键的参数是最大比增长率一溯、p 。o b ，, u n o b 的取值根据硝酸 ， 盐的质量浓度变化，始的取值根据经验公式：一形， o 6 0 。 - ，_ n o b p h 模型的建立依据是电荷守恒，在硝化反应过程中，影响p h 值变化的主 要物质有：，s 粕，和s 形，所以本文通过如下电荷守恒方程建立模型： 糠= h + 倒一+ 刿甄+ 一鸩一- h c 0 3 一- 2 c 0 3 一n 0 3 一+ z + 。 硝化反应实验采用两个有效容积为5 l 的反应器，种泥取融广州猎德污水处 理厂，实验内容包括以下两个方面： 污泥驯化以及活性实验，污泥驯化包括3 个阶段共5 5 天，经过驯化后的硝 化细菌的氨氮去除率达到8 0 以上。在三个阶段的活性实验中，p h 值曲线均为 下降一上升型，p h 值出现最低点的时间与硝化反应完成时间相吻合，即氨氮浓度 下降至最低，硝态氮浓度上升至最高，亚硝态氮浓度整体趋势为先上升岳下降， 中山人学硕i j 学位论文 摘要 中间有波动。 碱度变化实验。分别取n a h c 0 3 ：n h 4 + - n ：p 为5 0 ：5 ：1 、3 5 ：5 ：1 和2 0 ：5 ：l 进 行实验。在这三组实验中，p h 值曲线均为下降一下降型，碱度的降低，导致p h 值下降幅度增大、氨氮去除率下降以及硝化反应时间减短，硝化细菌活性受抑制， 反应不完全。实验证明，若要保证硝化反应进行完全，n a h c 0 3 ：n h 4 + - n 1 0 ：l 。 用模型模拟三个阶段活性实验过程中氨氮、亚硝念氮、硝态氮和p h 值的变 化，其中氨氮与硝态氮的模拟比较理想，但亚硝态氮的模拟与实测值有一定的差 距，p h 模拟的最低值高于实测最低值，且出现的时间点与实测有一定差别，但 总体模拟结果较理想。 关键i 再- j 硝化反应，p h 值，数值模拟 u 中山夫学硕 ：学位论文 a b s t r a c t m e c h a n i s m sa n dm a t h e m a t i c a l s i m u l a t i o no fp hv a r i a t i o ni nn i t r i f i c a t i o n d e p a r t m e n t ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：w a nq i a n s u p e r v i s o r ：p r o f l is h i y u a b s t r a c t n i t r i f i c a t i o n ，p e r f o r m e do x i d a t i o no fa m m o n i at on i t r a t eb yn i t r i f y i n gb a c t e r i ai s ak e yp r o c e s si nt h ec y c l i n go fn i t r o g e na n da ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fm o d e m w a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h eb i o l o g i c a lc o n v e r s i o nr e a c t i o n si nn i t r i f i c a t i o nt h a ti n v o l v e p r o t o n p r o d u c t i o na f f e c tt h ep i - i v a l u eo ft h em e d i ai nw h i c h 斑e yt a k ep l a c e n i t r i f y i n gb a c t e r i aw i l lb ei n h i b i t e di ft h ep hv a l u ei st o ol o w i nt h i sp a p e r , t h e s i m u l a t i o no f n i t r i f i c a t i o np r o c e s sa n dp hv a r i a t i o ni se s t a b l i s h e d 。 am o d i f i e da c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 3 ( a s m 3 ) w i t ht w o s t e pn i t r i f i c a t i o ni s e s t a b l i s h e d ，a n dt h eo t h e rc h a n g e sa re ： 1 a d d i n gan e wv a r i a b l esl c ，t h i sc o m p o n e n tr e p r e s e n t st h et o t a li n o r g a n i c c a r b o n ，t h ep u r p o s eo ft h ev a r i a b l ei st or e p r e s e n tt h ev a r i a t i o no fi n o r g a n i cc a r b o ni n n i t r i f i c a t i o na n dl i n ku pw i t hp hs i m u l a t i o n 2 a d d i n gap r o c e s s c a r b o nd i o x i d es t r i p p i n g t h e r ea r em a n yv a r i a b l e si nt h en e wn i t r i f i c a t i o nm o d e l ，t h em o s ti m p o r t a n to n e s a r e 滓玺d | b 、譬哺o b w h i c hr e p r e s e n t st h em a x i m u mg r o wr a t eo fa o ba n dn o b 。t h e v a l u eo f 秘怕0 8i se s t i m a t e da c c o r d i n gt ot h ec o n c e n t r a t i o nv a r i a t i o no fn i t r a t e ，a n d t h ev i t i a t i o n 褥b i se s t i m a t e d a c c o r d i n g t ot h e e m p i r i c a l f o r m u l a ： g a o b ，p , 0 6 0 n o b t h ec a l c u l a t i o no fp hi sb yt h em e a n so fac h a r g eb a l a n c e t h ec o m p o n e n t s i n v o l v e di nc h e m i c a le q u i l i b r i u m sf i l e s n m ，sn 0 ta n d sl c t h ec h a r g eb a l a n c e e q u a t i o n i sa 动= 日+ 一o h 一+ 脚4 + 一n 0 2 一h c 0 3 一一2 c 0 3 2 一一n 0 3 一+ z 十 中山大学硕 ：学位论文 a b s t r a c t t w or e a c t o r sw i t ha l le f f e c t i v ec a p a c i t yo f5 lw e r eu s e di nt h en i t r i f i c a t i o n e x p e r i m e n t d o m e s t i c a t i o na n dc u l t u r eo fn i t r i f y i n gb a c t e r i aw a sl a s tf o r5 5d a y s ， w h i c hw a sd i v i d e di n t ot h r e es t a g e s a tt h ee n do ft h et h i r d - s t a g ed o m e s t i c a t i o n ，t h e r e m o v ee f f i c i e n c yw a su pt o8 0 t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep hc u r v e s w e r e d e c r e a s e - i n c r e a s e ”s t y l e ，t h et i m ew h i c hp hw a sl o w e s tw a sc o n s i s t e n tw i t ht h e t i m ew h i c hn i t r i f i c a t i o nw a sc o m p l e t e d i nt h en e x te x p e r i m e n t ，t h er a t i ob e t w e e na m m o n i aa n d a l k a l i n i t yw e r ec h a n g et o 10 ：l ，7 ：1 ，4 ：1 r e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep hc u r v e sw e r e d e c r e a s e - d e c r e a s e s t y l e ，t h en i t r i f y i n gb a c t e r i aw e r ei n h i b i t e d i no r d e rt om a k es u r e t h a tt h en i t r i f i c a t i o nc o m p l e t e d ，n a h c 0 3 ：n h 4 + - n 10 ：1 t h ea m m o n i aa n dn i t r a t es i m u l a t er e s u l t sw e r ef i tw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，b u tt h ep ha n dn i t r i t es i m u l a t er e s u l t sh a v es o m ed e v i a t i o n s k e y w o r d s ：n i t r i f i c a t i o n ；p hv a l u e ；m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n i v 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：1 厂下 1 日期：溯年参月f 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送 交论文的电子版采纸质版，有权将学位论文用于非赢利冒的 的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以 采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：百千导师签名：稚弓 日期：_ 晰占月f ? 日日期：歹汐嘭年多月? 。日 中l 】j 人学硕l ：学能论义第l 章绪论 第1 章绪论 随着全球经济的发展，环境阀题逐渐成为人们关注的焦点，保护生态环境、 提高人们的生活质量已成为许多国家及国际组织的共识。在环境治理问题上，污 水的处理是重要组成部分。氨氮是污水中的重要污染物，氨氦含量也是衡量污水 排放的重要指标，许多氨氮复合物对鱼类和某些水生生物具有毒害作用，未经处 理的工业和生活污水中的氨氮可以使水体富营养化，影响甚至破坏生态平衡，从 而引发一系列的环境和医学问题，所以污水脱氮处理技术已成为水污染控翻领域 的研究重点和热点 冯本秀，2 0 0 5 。 1 1 研究背景 目前污水脱氮处理技术的一个重要方法是生物脱氮法。在生物脱氮中由硝化 细藏完成的硝化反应是将氨氮从污水中去除的第一步，也是最为关键的步骤。硝 化反应实际上是一个主要由硝化细菌参与的连续的生物氧化反应过程。参与硝佬 反应的硝化细菌是由两类在系统上无紧密关系的化能无机自养菌组成的一分别 是参与氨氧化的氨氧化细菌和参与亚硝酸盐氧化的亚硝酸氧化菌。1 9 3 0 年 w u h r m a n n 最先提出以微生物细胞内物质作为脱氮还原硝酸盐供氢体的微生物生 物脱氮法。随后微生物脱氮研究进展很快，各种处理氨氮的设备和工艺不断出现， 1 9 6 0 年前后，b r i n g m a n 提怨利用城市污水中的有机物作为反硝化代谢反应所需 碳源；1 9 7 0 年后又相继出现了三、二和级生物脱氮系统；1 9 8 0 年后又产生了 将反硝化设备煎是的微生物脱氮法以及短程硝化一反硝化系统 张自杰，2 0 0 4 。 尽管生物脱氮法有多种，但它们所具有的一个共同的特点就是都霈通过硝化细菌 的硝化反应，这是生物处理氨氮的最关键步骤。 在硝化反应过程中，p h 值是重要的参数之一，硝化细菌的生理活动与环境 的碑值密切相关，只有在适宜的p | 条件下，微生物才能进行燕常的生理活动。 但是，由于硝化反应过程中伴随着质子的释放、碱度的降低，如果系统中的碱度 不足以缓冲硝化过程中产生的质子，p h 值搀变得不稳定，一旦州值降至6 0 以 下，就会降低硝化及其他生化反应的速率，并筐导致如腐蚀之类的闻题。这时， 中山人学硕f j 学位论文第l 章绪论 就要通过投加化学品来维持合适的p h 值。 1 2 研究意义 如前所述，硝化反应在废水处理过程中扮演着重要的角色，而p h 值是其中 重要的影响因素，硝化反应伴随着较大的p h 值波动。p h 值是如何波动的，与 氨氮的降解、硝态氮的产生量有怎样关系，与硝化反应进程有怎样的关联，碱度 大于多少量才能避免p h 值过低，这些都是有待解决的问题。 在过去，实验监测是主要的手段，但在实际操作中，仅仅凭借观测和实验分 析是远远不够的。因为这不仅时间长，而且需要大量的人力、物力和财力的投入。 因此，数学模型被越来越广的应用于各个研究领域。与单一的实验监测、分析手 段相比，它只需要一些实验数据就能进行模拟和结果预测，更大程度地帮助揭示 事物的发展变化规律。与此同时，数学模型开发成本小，资源消耗少，受客观环 境因素的制约小，因此，数学模型的开发越来越受到重视。在水处理方面，也已 经开始数学模型的应用。国际水协( i n t e r n a t i o n a lw a t e r a s s o c i a t i o n ，简称1 w a ) 开发了活性污泥模型，其中包含硝化反应过程，本文通过对该模型的开发运用， 模拟硝化反应过程中各物质的变化，并在此基础上增加对p h 值的模拟，一方面 进一步了解p h 值与硝化反应之间的关系，另一方面可以对避免p h 值过低起预 测作用。 1 3 研究现状 1 3 1 硝化反应模拟研究现状 对硝化反应的模拟一般包含在对a s m 模型的模拟运用过程中，如徐伟峰 2 0 0 6 应用a s m 2 d 模型对生物除磷脱氮过程进行模拟，江峰 2 0 0 7 应用a s m 3 模型对下水道污水水质转化进行模拟。在这些模型中，为了避免模型的复杂性， 硝化反应一般假设为一步反应，即从氨氮直接到硝态氮，不包含亚硝态氮组分。 单独研究硝化反应的模型中，a b d u l t a l i bs 【2 0 0 2 ，2 0 0 5 在下水道硝化反应 的研究过程中，将硝化反应分为两步，以反映亚硝态氮在其中的影响。l l e n i a 2 孛出大学硕| j 学位论文第l 章绪论 皇曼曼曼燃曼曼曼量舅曼曼曼曼嬲i i i i i i i i i i i i 邕曼曼曼嬲鼍曼量曼曼麓董 1 【2 0 0 6 将原a s m 3 中的硝化过程和反硝化过程均按两步加以模拟，建立 a s m 一2 n 模型，以更好反应微生物的硝化、反硝化作用。星前，较多对硝化反 应的研究集中在短程硝化。反硝化生物脱氮过程中，因其具有节省氧供应量、减 少投碱量、缩短反应时间、降低能耗和减少污泥生成量等优点，在短程硝化的模 拟过程中，亚硝态组分就显得更为重要，r i c h a r db 2 0 0 7 耳i 对此进行了模拟研 究。 1 。3 。2p h 值模拟研究现状 在p h 值模拟方面，国内外对天然水体，如湖泊、海洋的模拟较多，这些研 究均以纯学反应为主，基本忽略生物作用的影响。如r a u lh p 1 9 9 5 等人对海 洋中的p 援值变化进行了模拟，以h 2 c 0 3 、n h 3 、b ( o h ) 3 、h 3 p 0 4 在水中的电离 平衡为基础，并假设海水中的碱度守恒，从面建立对h + 浓度的计算方程，s t e i n a r s 1 9 9 6 等人对湖泊的p h 值变化进行了模拟，文章认为c 0 2 、n h 。是影响p h 值的主要因素，与r a u lh p 等不同的是，它加入了鱼类呼吸产生c 0 2 的过程， 但其忽略了c 0 2 在气相和液相之间的扩散。m o n i c ap 1 9 9 5 等人在模拟o r t a 湖 的p h 值时也采用了和上述相网的方法。 在对生化过程的饵值模拟方面，k a r l i n es 和a n d r e a sf h 。 2 0 0 7 】等人系 统研究了海洋中各种生化作用对水体p h 值的影响，包括异养菌好氧生长、缺氧 生长、硝化反应、反硝化反应以及碳酸盐沉淀、铁盐、镁盐氧化还原等化学反应， 通过水体中电荷守恒的原理，总结了各个反应过程对p h 值的影响，但由于生化 反应的复杂性，各个反应并不是独立进行，而是相互作用，所以文章没有得出所 有生化反应共同作用下水体p h 值的变化结果。 k r i s tg 和b r i t t ap 2 0 0 2 等人研究了好氧过程中影响p h 值交纯的各种生 物、化学过程，并在a s m l 的基础上，建立了好氧条件下p h 值变佬模型。该模 型主要考虑的生化过程有：1 微生物对易降解物质的吸收利用，k r i s tg 在实验 中分别采用乙酸和葡萄糖为碳源，由于乙酸在水体中为弱电离物质，能够电离出 一部分旷，微生物对其的吸收利用，必然会减少这部分h + 浓度，从而使p h 值 升高；2 c 0 2 的产生，微生物呼吸作用的结果是将易降解有机物最终转化为二 氧化碳和水，三氧化碳在水体中形成碳酸，电离出一部分旷，使p l 值降低：3 f f l 山人学硕i j 学位论文第1 章绪论 微生物对n h 3 的吸收，微生物生长除了碳源外，同时需要氮源，n h 3 在水体中 主要以n h 4 + 的形式存在，而微生物则以n h 3 的形式吸收利用，造成一部分的h + 残留在水体中，使p h 值降低。整个过程如图1 - 1 所示，但在活性污泥系统中， 由异养菌好氧生长引起的p h 值波动较硝化反应小得多 i w a ，2 0 0 2 。 图1 1 好氧生化过程对h + 影响示意图 f i g u r e l - ls c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no ft h ep r o c e s s e st h a tw i l l i n f l u e n c et h ep r o t o nb a l a n c ed u r i n ga c e t a t ed e g r a d a t i o n 另外，s e r r a l t as 2 0 0 4 将p h 值模拟扩充到a s m 2 d 模型中，通过质量守恒 原理加以模拟。u s a m a z 2 0 0 5 贝u 在厌氧消化1 号模型( a d m l ) 的基础上增加 对p h 变化的模拟，因为微生物厌氧消化的过程中p h 值波动更大，且对微生物 消化速率的影响也显著。 虽然有部分研究者对生物过程中的p h 值变化进行了研究和模拟，但对于大 多数生化反应模型而言，p h 值都被认为恒定，其变化和影响不加以考虑。 1 3 3 硝化反应过程中p h 值变化研究现状 因硝化反应过程中p h 值波动较大，所以有部分研究者对其进行了研究，如 徐乐 1 9 9 6 ，研究了p h 和碱度对脱氮除磷效果的影响；王新为 2 0 0 3 、陈旭良 2 0 0 5 ，2 0 0 6 研究了p h 值对硝化作用的影响；高景峰 2 0 0 1 d j 恿过实验定性的对 s b r 法去除有机物、硝化和反硝化过程中p h 变化规律进行了探讨。 这部分的研究集中在通过实验定型分析硝化过程中p h 的变化规律，很少采 用定量的方式加以模拟或预测。 4 中山人学硕l j 学位论文第1 章绪论 皇曼曼舅燃皇曼曼曼麓曼曼舅寰篡曼曼曼篁蔓曼曼曼墨罡曼曼曼黑曼曼曼曼嬲鬯邑曼曼燃皇皇皇曼黑蔓曼曼曼鼎皇! 曼曼缫ii l l 曼! 曼燃曼! 曼嘲 1 4 创新点 ( 1 ) 通过a s m 3 改进硝化反应模型，为使模型更能符合实际硝化反应过程， 对其进行了修改和补充。 ( 2 ) 建立硝化反应p h 值模型，对硝化反应过程中的p h 值变化进行定量的 模拟，研究p h 值变化与氮氮、亚硝态氮、硝态氮变化之间的关系，从而可以通 过模拟预测硝化反应p h 值变化情况，防止击现p 珏值过低影响生物硝纯作用的 情况，并建立硝化反应实验对模型的模拟情况加以验证，以判断模型的准确度以 及实用价值。 5 中山夫学硕i 学位论史第2 市硝化细荫及硝化反膨溉述 曼曼曼量皇曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼皇曼曼曼皇i i 一i i 量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼! 曼曼 第2 章硝化细菌及硝化反应概述 2 1 硝化细菌概述 硝化细菌( n i t r i f y i n gb a c t e r i a ，o rn i t r i f i e r ) 是一大类在自然界氮素循环中十 分重要的菌群，它们能够通过硝化作用把氨氮转化为亚硝酸盐，再进一步把亚硝 酸盐转化为硝酸盐。硝化细菌是历史上最早发现的表现为化能无机自养型的微生 物，w i n o g r a d s k y 通过实验证明了这种细菌能以c 0 2 为唯一碳源产生有机物质及 细j 自2 m a d i g a nm t ，2 0 0 1 。从此，关于硝化细菌的研究便不断地发展起来。 2 1 1 硝化细菌的分类 目前，已知的化能无机自养型硝化细菌均不能将氨直接氧化成硝态氮。将氨 氧化为硝态氮的过程是两类不同细菌连续作用的结果。一类是氨氧化菌，即亚硝 酸细菌，它们把氨氮转化为亚硝酸盐；另一类是亚硝酸氧化菌，即硝酸细菌，它 们将亚硝酸盐氧化为硝酸盐，这两类细菌属于硝化杆菌科。两类细菌部分属的分 类特征如表2 1 所示 布坎南r e ，1 9 8 4 。 2 1 2 硝化细菌的特征 硝化细菌是化能自养菌类群中的主要生理类群之一，其主要特征如下 郑士 民，1 9 8 3 ： 硝化细菌的大多数种类都是专性化能的自养菌，除了维氏硝化杆菌中的某些 菌株能同化乙酸盐，进行兼性自养生长外，其他的种类几乎都不能在有机培养基 上生长，也不需要外源生长因素。并且亚硝酸细菌与硝酸细菌这两个生理亚群对 底物的要求非常专一，亚硝酸细菌以氨作为能源，硝酸细菌以亚硝酸盐作为能 源。 硝化细菌的所有种类均生长缓慢，平均世代时间在1 0 小时以上。 硝化细菌均为专性好氧菌，以氧气为最终电子受体。 6 中山人学硕f ：学位论文第2 带硝化细菌及硝化，| 爻7 遁概述 硝化细菌羌芽孢，都是革兰氏阴性蘸。 硝化细菌对溶解氧、温度、p 珏等孙界因素的变化反应灵敏，易受外界环境 的影响。 表2 - 1 硝化细菌各属的特征比较 t a b l e 2 1c o m p a r i s o no f t h ec h a r a c t e r i s t i c so f v a r i o u sn i t r i f y i n gb a c t e r i ag e n e r a 2 1 3 硝化细菌的生长速度 硝化细菌与异养细菌的生长方式和消耗底物的类型是完全不同的。硝化细 菌的动力常数与其底物的有效性有关。在处于最大活性时，它们都熊消耗自身重 量几倍的底物。僵硝化细菌只将少量的底物转化成细胞成分，大部分a t p 用于合 成n a d p h ，而异养细菌则将大量的底物转化为新细胞。因此，硝化细菌的生长速 率相对而言缓慢得多 k e e ng a ，2 0 0 1 ，k o o p sh p ，1 9 8 7 。如n i t r o s o m o n a s 在1 0 - 2 0 ，p h 6 5 - 7 5 的生长率为0 1 0 d - 0 6 1 d - 1 。n i t r o b a t e r 为 0 0 1 d - 0 4 5 d 。 k e e ng a ，2 0 0 1 ，p a i n t e rh a ，1 9 8 3 ，比异养细菌的生长速 7 中山人学硕l 学位论文第2 幸石肖化细荫殷硝化反j 啦概述 率要慢许多。 另一个重要的特征是，硝化细菌在较低底物浓度的环境中即可维持最大的 反应活性，所需的底物浓度是异养细菌的1 。 表2 2 将亚硝酸细菌，硝酸细菌和异养细菌的动力学常数进行比较 s h a r m a b ，1 9 9 7 ，g e ec s ，1 9 9 0 ，由表可知硝化细菌的各项动力学特征均明显低于 异养细菌。 表2 2 硝化细菌与异养细菌动力学特征的比较 t a b l e 2 - 2c o m p a r i s o no ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s b e t w e e nn i t r i 聊n gb a c t e r i aa n dh e t e r o t r o p h i cb a c t e r i a 2 1 4 硝化细菌的衰减和死亡 一般而言，当细菌长期处于休眠期或不活跃状态时，便开始衰减和死亡。 细菌可以通过内源呼吸减缓这种衰减的过程。细菌内源呼吸产生的少量能量能被 细菌用于合成代谢所需的物质，同时对其运动、压力和热量的调控起到促进作用， 满足细菌维持这种低能耗状态 a l l e m a nj e ，1 9 9 1 硝化细菌细胞的衰减和死亡也是必然的生物过程。已有的研究表明，处于 休眠期的硝化细菌是通过利用外界底物，而不是消耗其体内的氮盐来获取能量的 a l l e m a nj e ，2 0 0 3 。因而硝化细菌的衰减速率比异养细菌要慢得多。对异养 细菌的衰减和死亡，已有许多文献进行了报道，但有关硝化细菌的衰减和死亡的 精确数据目前为止尚未报道过。 2 1 5 影响硝化细菌生长的外界因子 由于硝化细菌化能自养的特殊性，导致硝化细菌容易受外界因素的影响， 中出人学硕l 学位论文第2 章疆l 化细菌使硝化_ | 爻戍概述 rii, 1 1 1 1 1 1 1 一, i, i i i i i i ：ii,!,皇曼 其影响因子主要有以下几点： 2 。1 5 。王溶解氧( d o ) 硝化细菌正常代谢需要溶解氧，每毫克氮素经过整个硝化作用途径后，由 氨氮转变为硝酸根，需要4 5 7 毫克溶解氧来“清除含氮物质释放的电子 a l l e m a nj e 。1 9 9 1 。 在活性污泥硝化系统中，大多数学者认为溶解氧应控制在1 5 2 o m g l ， 低予0 5 m g l 则硝化作用趋予停止。但是关予实际应用中对溶解氧浓度的控制 却有多种说法。一般认为d o 的浓度必须在2 m g l 以上；m i c h a e lk s 。与r i c h a r d a 。p 1 9 8 0 在总结大量文献的基础上，通过对各种因素及双底物限制动力学进 行分析，认为这些浓度之所以各不相同，主要是由于双底物限制动力学的原因， 并得出结论：在较高的平均细胞停留时间( m c r t ) ，d o 浓度为o 5 1 o m g l 就可以完成硝化反应，m c r t 较低时，完全硝化则需要相对较高的d o 浓度；而 能够发生硝化作用的最低d o 浓度约为0 3 m g l 。h a n a k ik 1 9 9 0 等通过实验 发现，低的d o 不会对氦的氧化产生影响，因为在低的d o ( 0 5 m g l ) 条件下， 亚硝酸细菌的生长量会增加，恰好补偿d o 太低弓| 起的氨氧化速率的降低；露低 的d o 会大大地抑制亚磷酸盐的氧化作用，因为亚硝酸氧化菌( 硝酸细菌) 的生 长量未增加，不能补偿由d o 过低引起的亚硝酸盐氧化速率的降低，并且低的 d o 会加剧有机负荷对硝化作用的影响。王歆鹏等人 1 9 9 9 也发现低的 d o ( o 8 m g l ) 会对硝酸细菌的生长酶系产生抑制作用，丽对亚硝酸细菌的生长酶 系则会起到促进作朋。l a a n b r o c kh j 1 9 9 2 的研究进一步表明在缺氧状态下， 亚硝酸菌大量积累是由予亚硝酸菌对d o 的亲和力较硝酸菌强。亚硝酸麓的氧饱 和系数一般为o 2 0 4 m g l ，硝酸壤力l 。2 一王。5 m g l 。低d o 下，亚硝酸菌和硝 酸蘸增殖速率均下降。当d o 为0 5 m g l 时，亚硝酸菌增殖速率约为正常的6 0 ， 丽硝酸菌不超过正常值的3 0 。b e c c a r im 等 1 9 9 2 通过对d o 及其扩散阻力对 硝化作用产生的影响的动力学研究，发现无论是研究结果还是模型推算都得出以 下结论：当活性污泥絮体的直径( 假设为球形) 大于1 0 0 肛m 、d o 2 m g l 。综上所述，为了确保硝化作用彻 9 中山人学硕l ：学位论史第2 章硝化细菌及硝化反膨概述 底进行，建议硝化系统中的溶解氧保持在2 m g l 以上。 但最近，a b e i l i o v i c ha 1 9 8 7 、p u k h o l du 2 0 0 0 等研究表明当系统处 于无溶解氧存在的情况下，硝化细菌能靠将亚硝酸或硝酸作为电子受体来代替氧 维持呼吸作用和新陈代谢。简而言之，他们能同时进行硝化和反硝化。溶解氧的 不足能破坏亚硝酸细菌和硝酸细菌之间的生化平衡。亚硝酸细菌在低溶解氧的条 件下，会产生高能态的中间产物羟氨，而羟氨的存在又破坏甚至中止了硝酸 细菌的活性，缩短了硝化反应的历程，即导致短程硝化。硝化细菌的反硝化能力 是在最近几年才被发现的 p u k h o l du ，2 0 0 0 ，但硝化细菌的“反硝化 作用是 非常微弱的，它们往往不能将n 0 2 。或者n 0 3 彻底降解到n 2 ，而是产生n 2 0 。 2 1 5 2 温度 温度对硝化细菌的生长和硝化速率有较大的影响。一般的硝化细菌是中温 生长菌，其适宜的温度范围为2 0 - 3 0 。若温度低于1 0 以下，硝化细菌的生长 及硝化作用显著减慢。若温度高于3 5 ( 2 ，则对硝化细菌的酶系具有破坏作用， 硝化细菌的生命将受到潜在的威胁。硝化细菌能承受最高温度的上限为4 0 王 歆鹏，1 9 9 9 。所以，在任何情况下，都应注意保持硝化反应器温度的稳定性， 以避免极端温度和瞬间温度变化给硝化作用带来的不良影响。对于硝化细菌的一 般培养建议在2 0 - 3 0 为宜。 2 1 5 3 p h 酸碱度是影响硝化作用的重要环境因子之一，也是本论文研究的重点，将 在后面详细讨论。 2 1 5 4 有机物 硝化细菌属于典型的白养细菌，有机物对于硝化细菌是否具有毒害作用是 人们普遍争论的问题。近来，越来越多的研究表明，有机物对硝化细菌的影响并 非是具有毒害作用，更有可能的是有机物的参与刺激异养细菌迅速生长，从而与 硝化细菌竞争溶解氧、氨和微量营养元素，使得硝化细菌的生长受到限制，而有 机物本身并不直接影响硝化细菌的生长与硝化作用 o k u nd a ，1 9 7 8 ；o k a b es ， 1 9 9 6 。h a n a k ik 1 9 9 3 也认为有机物导致硝化作用的降低不是直接毒害作用的 结果，他认为原因有二：一是异养菌的同化作用导致氨的减少；二是异养细菌细 胞的凝聚体会对硝化作用产生抑制作用。二者共同作用导致了硝化作用的减低。 l o 孛l 人学硕l ：学位论文第2 章硝化细麓及硝化反戍搋述 蔓皇曼黑麓皇曼曼鼍鬯曼曼曼鼍墨量! 曼鼍嬲皇曼詈曼墨笪曼曼寰i i i i i i i i i 皇寰! 曼黑笪曼! 曼燃皇皇曼曼寰邕舅曼曼曼麓誉 但圜前也有实验表明，在一定有枫物存在的条件下，出现有利予硝化细菌生长的 情况，m i c h a e lr 2 0 0 8 等通过两个硝化反应器的对毙，其中一个添加一定量的 葡萄糖，另一个不添加，结果表明添加葡萄糖的反应器中的硝化细菌生长更好， 氨氮降解效率更高，原因可能是硝化细菌的生长需要一定载体，而适量异养菌的 生长提供了这样的条件。 2 1 5 5 渗透压 硝化细菌能承受渗透压的范围相当的广，从淡水到海水，都有其相应的种 属。由一个盐度转变到另一个盐度时，多数磷化缨菌都能快速适应，且其活性尼 乎不变。在大多数的硝化反应器中，即使不断的有额赡的补充水进入，反应器中 的渗透压变化很小，因_ 丽这一参数显得并不重要 j o n e sr d ，1 9 8 0 2 1 5 6 光照 亚硝酸细菌对近紫外波段很敏感，其原因可能是与细胞膜上的氧产生超氧 化物游离基有关，但对于这一波段的光对皿硝酸菌产生负面影响的确切原因尚待 发掘。对于那些受光照影响的涯硝酸细菌，应及时将其转移到暗区，并提供是量 的功能物质，大约需要凡个小时它们才能修复 a l l e m a nj 。e ，2 0 0 3 ；j o h n s t o n e b 。h 。，1 9 8 8 。 2 1 5 7 抑制剂 很多化学物质能对硝化细菌产生抑制作用，如：a t u 、乙炔、重金属、盒 属螫合剂( 尤其是与铜螯合的) 、二硫化碳、游离氨、2 一氯一6 一三氯甲基吡啶等。 2 1 5 8 共代谢 催化亚硝酸细菌反废的是氨单加氧酶，它与晕基营养菌的甲烷单加氧酶极 其相似 m i c h a e lr 。h 。，1 9 9 5 ：o l d e n h u i sr 。，1 9 9 1 。甲烷单加氧酶能催化氧化已 分解的碳氢化会物，包括卤代烃类 h a m a m u r an ，1 9 9 7 。一些研究成果表明氮 单加氧酶也有类似的功能，它能通过共代谢的途径来氧化其他非氨底物 m i c h a e l r h ，1 9 9 5 。有人估计，亚硝酸细菌能以共代谢的途径降解其每融耗氧量十分 之一的碳氢化合物 a l l e m a mj e ，2 0 0 3 。 2 。2 硝化反应过程机理 硝化作用由两个阶段组成，第一阶段把氨氧化为亚硝酸盐，由亚硝酸细菌 中山人学硕i 学位论史第2 章硝化细菌及硝化反j 影概述 完成，反应方程式如下： n h 。+ + 1 3 8 2 0 2 + 1 9 8 2 h c 0 3 一 - - f f0 0 1 8 c 5 h 7 0 2 n + 0 9 8 2 n 0 2 一+ 1 0 3 6 h 2 0 + 1 8 9 1 h 2 c 0 3 n h 3 被氨单加氧酶氧化产生羟胺( n h 2 0 h ) 和h 2 0 ，接着羟胺氧化还原酶 将n h 2 0 h 氧化成n 0 2 。，并转移4 个电子。氨单加氧酶是一种膜整合蛋白，而羟 胺氧化还原酶存在于周质中。氨单加氧酶催化的反应中，需要两个外源电子将双 氧中的一个氧原子还原为水，这些电子来自羟胺的氧化并通过细胞色素c 和泛 醌由羟胺还原酶传递给氨单加氧酶。n h 3 氧化成n 0 2 产生4 个电子，但只有2 个电子真正作用于终端氧化酶( 图2 一l 所示) 。 。、；0 5 0 2 + 4 + 丹繁雯禾h 2 0 7 7 h i l i ，、a d l i mj 二i ：久一m i 十、a ：i p l 疋r p a s e 图2 。1 氨氧化细菌的氨氧化和电子传递 f i g u r e 2 - la m m o n i ao x i d a t i o na n de l e c t r o nt r a n d p o r tp a t h w a y a m o ：氨单加氧酶；h a o ：羟胺氧化还原酶；q ：泛醌 第二阶段把亚硝酸盐氧化为硝酸盐，由硝酸细菌完成，反应方程是如下： n o ，、一+ 0 0 0 3 n h 十+ 0 0 0 3 h c o ，一+ 0 0 1 h c o ，+ 0 4 8 8 0 ， - 1，-， _ 争0 0 0 3 c 。h ，o n - i - n o 一+ 0 0 0 8 h ，、o 、， 由亚硝酸氧化为硝酸盐只需一步( 图2 - 2 所示) 。该反应由亚硝酸氧化酶将 亚硝酸盐氧化成硝酸盐；电子通过一个极短的电子传递链传给终端氧化酶。细胞 1 2 中山人学硕l 学位论文第2 章硝化细菌及硝化反心概述 兰曼舅, i i l li l l l l l i l l i!lll,i ! l l li l l l l l l 皇曼曼! 燃蔓 色素a 和c 参与亚硝酸盐氧化荆的电子传递链，并通过细胞色素a a ，的反应产生 一个质子的动力，仅有很少的部分能量可被利用，嚣焉磷酸细菌的生长率也就 相应较低。 周质 细胞膜 细胞质 一广一i 一 图2 2 硝化细菌中将亚硝化盐氧化成硝酸盐 f i g u r e 2 - 2n i t r i t eo x i d a t i o na n de l e c t r o nt r a n s p o r tp a t h w a y n o ：亚硝酸盐氧化酶 硝化反应中氮元素的转化及其氧化还原态的变纯如图2 - 3 所示： 邢赞由， 2 0 0 3 】： 一氨离子n h i + 氮 - 的 _ i羟离子n h 2 0 h 氧 o 化+ 王硝酰基n o h 还 + 豫 + 凄囊硝酸盐鼢+ 态 + + v 硝酸盐n o l 图2 3 硝化反应中氮元素的转化及其氧化还原态的变化 f i g u r e 2 - 3c o n v e r s i o nr e g u l a t i o no ft h ec h e m i c a le l e m e n to f n i t r o g e ni nn i t r i f i c a t i o n 。 1 3 中山人学硕f j 学位论文第2 章硝化细菌及硝化反j 遍概述 由上图可知，从n h 4 + 到n 0 2 的转化，经历了3 个步骤6 个电子的变化。可 见，亚硝酸菌的酶系统十分复杂，而n 0 2 到n 0 3 - 的转化则相对简单，只经历了 1 步反应2 个电子的变化。因此，亚硝酸菌往往比硝酸菌更易受到抑制，a h a r o n a 1 9 9 3 等报导，n h 2 0 n 、n h 2 n h 2 均对n i t r o s o m a s 的增长起抑制作用。 2 3 硝化反应与p h 、碱度的相互关系 活性污泥系统中，引起p h 波动的生物、物理、化学反应包括质子接受能 力物种的增减( 如c 0 2 浓度的增减) 和质子增减的反应，前者在活性污泥系统 中的数量很少，p h 的剧烈变化主要集中在后者，一是发生在异养菌和好氧菌合 成过程氨氮向氨基酸的转化以及氨化的逆过程中 s c e a r c es n ，1 9 8 0 ，另一个 发生在硝化反应过程中，铵氧化为自养菌提供能