含氮废水MABR处理工艺

1、含氮废水MABR处理工艺由于大量工业废水的排放、农业的长期过度使用化肥，导致环境水体中氨氮污染严重。而氮 是引起富营养化的主要物质。膜曝气生物反应器（membrane aerated bioreactor, MABR）工艺具有曝气量少、硝化与 反硝化一体化、污泥发生量小以及运行管理方便等特点，是传统工艺处理高需氧量废水的一 个引人注目的替代工艺，因此受到了世界各国水处理工作者的关注。由于在MABR生物膜中 存在明显的分层现象，从而可以同时实现硝化反应、反硝化反应和异养氧化反应。20世纪80年代，研究人员发现了好氧反硝化菌，如副球菌pantotropha sp.,粪产碱杆 菌属、假单胞菌等。之后

2、越来越多的研究人员研究并筛选了好氧反硝化菌株，在有氧条件下 好氧反硝化菌株可以去除氮。本实验筛选高效脱氮菌，并将其应用于膜曝气生物反应器中进行强化研究，从而增强对 废水处理的效果，并利用此类反应器处理含氮废水，从而使反应器具有高效、低耗的优点。1实验材料与方法1好氧反硝化菌筛菌1. 1菌种来源菌种来源取自西安市第四污水处理厂A2 / O中曝气池中活性污泥。1. 2培养基培养基选取参考文献。1）富集培养基。富集培养基由牛肉膏1. 0 gL - 1 ,蛋白胨5. 0 gL - 1和硝酸钾0 g - L - 1 组成。2）选择性培养基。选择培养基由Na2 HPO4 - 7H2 O 7. 9 L -

3、1 ,KH2 PO4 1. 5 gL-1 ,NH4 Cl 0. 3 g L - 1 ,MgSO4- 7H2 O 0. 1 g L - 1 , 丁二酸二钠 4. 7 g L -1,KNO30 g - L - 1 ,NaNO2 1. 0 g L- 1 组成，pH值在 7 7. 5 之间。3）平板分离培养基。平板分离培养基由Na2 HPO4 7H2 O 7. 9 gL - 1 ,KH2 PO4 1.5 g L - 1 ,NH4 Cl0. 3 g L - 1,MgSO4 7H2O 0. 1 g L - 1 , 丁二酸二钠 4.7g L-1 ,KNO3 2. 0 g L - 1 ,NaNO21. 0 g

4、 L -1 ,琼脂 18 g L - 1 组成。1. 1. 3驯化及平板分离将选取的活性污泥样品接种至富集培养基，然后在25 C和160 rmin - 1的摇瓶中 培养5 d,曝气培养。之后将样品接种至平板分离培养基，在25 C和160 rmin - 1 ,曝 气培养5 d。经过平板划线分离纯化后得到菌株。1. 4复筛获得的菌株使用模拟污水（表1）进行复筛，在模拟污水的摇瓶中培养间歇曝气,25 C ,160 rmin - 1下培养5 d,进行复筛。选择TN去除率高于90%以上的菌株。重复上述步骤，得到纯化后菌株。1. 1. 5菌种鉴定采用提取菌株的DNA并进行聚合酶链反应（PCR）,扩增后的P

5、CR样品由上海生工进行基 因测序。具体方法为：1）DNA提取方法。于200 p L的离心管中（预先加入30 p L无菌双蒸水）放入用接种环 从培养基中挑出的数个单菌落，在94 C左右温度下水浴加热2 3 min破壁，之后以该液 体作为DNA模板，进行PCR扩增。2）PCR扩增引物及程序。上游引物P1:27F（5 -AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3），下游引物 P2:1492R（5 -TACGGCTACCTTGTTACGACTT-3 ）。PCR扩增程序如下:94 C预变性4 min,30个循环（94 C变性45 s,60 C退火30 s,72 C 延伸 90 s）,最终 72 C 延

6、伸 12 min。反应体系为:无菌双蒸水40 p L,10 X PCR反应缓冲液5 p L,4 X dNTP溶液1 p L,10 mmol - L - 1 引物各 1 p L,Taq 酶 1 个单位,DNA 模板 2 p L。PCR结果经上海生工生物工程公司测序，结果于美国NCBI基因库进行比对。1. 1. 6细菌形态利用扫描电镜观察细菌形态。电镜采用Philips XL-30O1. 2实验装置1. 2. 1反应器构建本研究采用平行装置运行法，即以同样运行条件下的2个相同的膜曝气生物反应器进 行水处理，其中一个实验装置加入筛选菌株运行（增强型反应器），而另一个实验装置不加筛 选菌株（平行反应器

7、），作为平行实验装置。反应器示意如图1。反应器装置为圆柱形膜组件置于反应器中央，呈倒伞型。反应器容 积为5 L。膜组件为聚丙烯疏水性膜，有效面积为0. 2 m2 ,平均外径为0. 5 mm,壁厚50 um, 截留分子量为10万道尔顿。供气压力为7. 0 kPao进水由蠕动泵从废水池中抽出后，注入 反应器中,反应器中的混合液经曝气膜上生物膜处理后自流出水。2组反应器构造相同，不同点是膜曝气组件膜面生物膜微生物组分不同。2组反应器平 行运行。加入所筛菌株的反应器简称为增强型反应器，不加所筛菌株反应器成为平行反应器。2. 2挂膜2组反应器均采用间歇曝气的运行方式进行挂膜，平行反应器接种污泥为西安市第

8、四污 水处理厂A2 /O中曝气池中活性污泥与曝气沉砂池出水（表1）的混合液（体积比1 : 1）（其 中活性污泥投加量为4gL - 1 ）。增强型反应器接种污泥为西安市第四污水处理厂A2 / O 中曝气池中活性污泥、筛菌菌悬液（富集培养基培养）、曝气沉砂池出水（表1）的混合液（体 积比1 : 1 : 1）（其中活性污泥、筛菌菌悬液投加量均为2 gL - 1 ）。将混合液以悬浮态分别加入到各自反应器中，循环24 h后排空，重新加入混合液后继续 进行循环，一周后观察到膜上有黄褐色生物膜形成，于是开始连续进水并逐渐加大进水负 荷，15 d后膜面黄褐色生物膜加厚并布满膜面，认为挂膜成功。1. 3实验用水

9、实验用水采用西安市第四污水厂曝气沉砂池出水水质情况如表1所示。表1废水水质情况项目- LJ)mg -)mg - I. 4水质测定方法95Paeudnmnnaji 汕- pHSS/( rag * L数值504ft456 9-7.3500 - 560COD、氨氮和总氮等测定方法均参考水和废水监测方法第4版。其中COD测定方法 为重铬酸钾法(P210-213);氨氮测定方法为纳氏试剂光度法(P276-281);总氮测定方法为过 硫酸钾氧化紫外分光光度法(P254-257)。测定数据均做平行实验，取均值。5变性梯度凝胶电泳(DGGE)取1 000 p L的生物膜样品(超声震荡30 min),进行1.

10、1. 5的步骤，完成后取PCR扩 增产物80 p L在JY-TD331型DGGE电泳仪中进行分离。其中，聚丙烯酰胺浓度为8%,凝胶 厚度0. 75 mm。凝胶变性梯度采用30% 70%。电泳缓冲液为1 X TAE(三羟甲基氨基甲 烷、乙酸和乙二胺四乙酸)，电泳温度60 C,电压150 V,电泳时间7. 5 h。电泳完成后，采 用漠化乙锭(EB)染色法染色20 min，之后在紫外灯下观察拍照。2运行结果与讨论1菌种鉴定经过复筛后,一株脱氮率在90%以上的菌株被筛选出来。图2为菌株的扫描电镜图片， 为短杆状。菌株为革兰氏染色阴性菌。图3给出了菌株DNA经PCR扩增后的琼脂糖电泳，从图中可以看出，阴

11、性对照良好PCR 扩增序列可以进行测序，经上海生工公司测序后，结果输入NCBI数据库比对可初步鉴定为 假单胞菌Pseudomonassp.菌属(表2)。表2菌株测序结果菌株序列长度种属2污染物处理效果根据汪舒怡等的研究结果，米用水力停留时间为5 h,运行负荷为7. 6 gCOD - (m2 - d) -1。由于处理的水样及选取的污泥均取自同一污水厂，因此本研究未进行污泥驯化,挂膜后 直接进入污染物去除阶段，主要考察平行反应器对污水的去除效果。图4为运行期污染物去 除的效果。从图4(a)中可以看出,2组反应器COD的去除效率均较高,COD的去除率基本稳定在 85%以上，增强型反应器中比平行反应器

12、的COD的去除率高出约2% 3%，说明所筛菌株反 硝化时消耗了一定的碳源。图4(b)显示了氨氮随时间的运行结果，氨氮去除率可达到90%以上，氨氮去除率在两种 反应器中也较为接近，这说明膜曝气生物反应器工艺对氨氮有较好的去除。顺硕11500-400如M顺-|皿166*8010212575 30正彳仙板述COD出注通果0jlW|h网m觥敏去除效果制I时间M总卸五除赖崟母水增强型反应器;平行反应器IH爪。峭强电艮戚器主阵率平行反应耕钢率图4污染物去除裁果图4(c)为总氮的去除情况,2组反应器对总氮的去除也很好，显示了膜曝气生物反应器 工艺脱氮性能的优越性。从运行开始，增强型反应器比平行反应器的要高出

13、5%左右,随着运 行时间的增加，总氮有了更好的去除，增强型反应器比平行反应器脱氮率高出10%左右，总 氮去除率达到85% ,这说明筛菌微生物起到了很好的脱氮作用。3膜面微生物变化为了更好地了解膜面微生物的组分，对运行后期膜曝气上生物膜进行了变性梯度凝胶电 泳(DGGE)分析。之后割胶，再按1. 1. 5的方法测序,得到结果如图5及表3所示。从图5可 以看出,2组反应器的膜面生物多样性较好，条带比对显示,微生物种类基本一致，仅仅在亮 度上有所不同，尤其是条带6,可以看出，增强型反应器比平行反应器增多，应该为所筛菌株。 经测序后的结果表3中可以证实。从微观上证明了所筛菌种发挥了重要作用。 TOC

14、o 1-5 h z Ruud( Band 2Band 3Band 4Band 5Rand 6Band 7Band 8Band 9Band】0*(圄中1分别表示平-行反应耕和增煽反应瓣)图5 2组反应器中膜面生物膜16S rDNA DGGE图谱表3 DGGE图谱中分离出条带测序结果条带鉴定丹类任度备注Baihd 1jVirj7tdWia.5 必妙phu均测出Baihd 2.插M 舟泌?血】代函he Ba. 0均测出Baihd 3olig&iropha MMhe jkSl均测出Band 4均焉出Band 5S打m2曹192均测出Baihd 690但增强凋出Band 7EnimA砒E sp.194仅

15、增强调出Band R.VfireJJdJDtrJFtrlS sp.】的均测出Band 9LMli血湖 而母即矗在f&n ChtiS94均测出Bajid 10190均焉出从表3中可以看出，条带中表现出的菌株为Nitrosomonas oligotropha, Nitrosomonas sp.亚硝化单胞菌属,Nitrosospira亚硝化螺菌属，其余则为污染物降解菌,如变形杆菌属 (Uncultured beta proteobacteriumBal. 0, Uncultured beta proteobacterium Ch6S)。4纯菌株独立挂膜研究为了进一步对筛选的菌株独立挂膜，考察是否该菌

16、株确有好氧反硝化的作用，本研究在 传统反应器基础上仅添加所筛选菌株构建独立挂膜反应器并同时再次运行平行实验装置,3 组进行对比研究。挂膜方式及运行与1. 2. 2及2. 2相同。经运行30 d后发现，与2. 2污 染物去除结果相类似,3组反应器COD的去除效率均较高,COD去除率基本稳定在85%以上, 相差不大。氨氮随时间的运行结果，氨氮去除率可达到90%以上,氨氮去除率在3种反应器 中也较为接近。独立挂膜反应器与增强型反应器对总氮的去除率分别达到85%和84%，而平 行反应器对总氮的去除率为73%。从图4看出，增强型反应器与平行反应器对总氮的去除率 分别达到85%和75%。因此，重复实验与前期实验无显著性差异。研究认为:独立挂膜反应器脱氮效果良好，但是污染去除效果与增强型反应器相差不大， 从经济角度和生物多样性角度认为增强型反应器更适合于污水处理。具体参见污水宝商城资 料或 HYPERLINK 更多相关技术文档。3结论筛选一株好氧反硝化菌,其脱氮效率为90%以上，经鉴定为假