含氮廢水MABR處理工藝

1、含氮廢水MABR處理工藝由于大量工業(yè)廢水的排放、農(nóng)業(yè)的長(zhǎng)期過(guò)度使用化肥，導(dǎo)致環(huán)境水體中氨氮污染嚴(yán)重。而氮 是引起富營(yíng)養(yǎng)化的主要物質(zhì)。膜曝氣生物反應(yīng)器（membrane aerated bioreactor, MABR）工藝具有曝氣量少、硝化與 反硝化一體化、污泥發(fā)生量小以及運(yùn)行管理方便等特點(diǎn)，是傳統(tǒng)工藝處理高需氧量廢水的一 個(gè)引人注目的替代工藝，因此受到了世界各國(guó)水處理工作者的關(guān)注。由于在MABR生物膜中 存在明顯的分層現(xiàn)象，從而可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)硝化反應(yīng)、反硝化反應(yīng)和異養(yǎng)氧化反應(yīng)。20世紀(jì)80年代，研究人員發(fā)現(xiàn)了好氧反硝化菌，如副球菌pantotropha sp.,糞產(chǎn)堿桿 菌屬、假單胞菌等。之后

2、越來(lái)越多的研究人員研究并篩選了好氧反硝化菌株，在有氧條件下 好氧反硝化菌株可以去除氮。本實(shí)驗(yàn)篩選高效脫氮菌，并將其應(yīng)用于膜曝氣生物反應(yīng)器中進(jìn)行強(qiáng)化研究，從而增強(qiáng)對(duì) 廢水處理的效果，并利用此類(lèi)反應(yīng)器處理含氮廢水，從而使反應(yīng)器具有高效、低耗的優(yōu)點(diǎn)。1實(shí)驗(yàn)材料與方法1好氧反硝化菌篩菌1. 1菌種來(lái)源菌種來(lái)源取自西安市第四污水處理廠(chǎng)A2 / O中曝氣池中活性污泥。1. 2培養(yǎng)基培養(yǎng)基選取參考文獻(xiàn)。1）富集培養(yǎng)基。富集培養(yǎng)基由牛肉膏1. 0 gL - 1 ,蛋白胨5. 0 gL - 1和硝酸鉀0 g - L - 1 組成。2）選擇性培養(yǎng)基。選擇培養(yǎng)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 , 丁二酸二鈉 4. 7 g L -1,KNO30 g - L - 1 ,NaNO2 1. 0 g L- 1 組成，pH值在 7 7. 5 之間。3）平板分離培養(yǎng)基。平板分離培養(yǎng)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 , 丁二酸二鈉 4.7g L-1 ,KNO3 2. 0 g L - 1 ,NaNO21. 0 g

4、 L -1 ,瓊脂 18 g L - 1 組成。1. 1. 3馴化及平板分離將選取的活性污泥樣品接種至富集培養(yǎng)基，然后在25 C和160 rmin - 1的搖瓶中 培養(yǎng)5 d,曝氣培養(yǎng)。之后將樣品接種至平板分離培養(yǎng)基，在25 C和160 rmin - 1 ,曝 氣培養(yǎng)5 d。經(jīng)過(guò)平板劃線(xiàn)分離純化后得到菌株。1. 4復(fù)篩獲得的菌株使用模擬污水（表1）進(jìn)行復(fù)篩，在模擬污水的搖瓶中培養(yǎng)間歇曝氣,25 C ,160 rmin - 1下培養(yǎng)5 d,進(jìn)行復(fù)篩。選擇TN去除率高于90%以上的菌株。重復(fù)上述步驟，得到純化后菌株。1. 1. 5菌種鑒定采用提取菌株的DNA并進(jìn)行聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）,擴(kuò)增后的P

5、CR樣品由上海生工進(jìn)行基 因測(cè)序。具體方法為：1）DNA提取方法。于200 p L的離心管中（預(yù)先加入30 p L無(wú)菌雙蒸水）放入用接種環(huán) 從培養(yǎng)基中挑出的數(shù)個(gè)單菌落，在94 C左右溫度下水浴加熱2 3 min破壁，之后以該液 體作為DNA模板，進(jìn)行PCR擴(kuò)增。2）PCR擴(kuò)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擴(kuò)增程序如下:94 C預(yù)變性4 min,30個(gè)循環(huán)（94 C變性45 s,60 C退火30 s,72 C 延伸 90 s）,最終 72 C 延

6、伸 12 min。反應(yīng)體系為:無(wú)菌雙蒸水40 p L,10 X PCR反應(yīng)緩沖液5 p L,4 X dNTP溶液1 p L,10 mmol - L - 1 引物各 1 p L,Taq 酶 1 個(gè)單位,DNA 模板 2 p L。PCR結(jié)果經(jīng)上海生工生物工程公司測(cè)序，結(jié)果于美國(guó)NCBI基因庫(kù)進(jìn)行比對(duì)。1. 1. 6細(xì)菌形態(tài)利用掃描電鏡觀察細(xì)菌形態(tài)。電鏡采用Philips XL-30O1. 2實(shí)驗(yàn)裝置1. 2. 1反應(yīng)器構(gòu)建本研究采用平行裝置運(yùn)行法，即以同樣運(yùn)行條件下的2個(gè)相同的膜曝氣生物反應(yīng)器進(jìn) 行水處理，其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置加入篩選菌株運(yùn)行（增強(qiáng)型反應(yīng)器），而另一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置不加篩 選菌株（平行反應(yīng)器

7、），作為平行實(shí)驗(yàn)裝置。反應(yīng)器示意如圖1。反應(yīng)器裝置為圓柱形膜組件置于反應(yīng)器中央，呈倒傘型。反應(yīng)器容 積為5 L。膜組件為聚丙烯疏水性膜，有效面積為0. 2 m2 ,平均外徑為0. 5 mm,壁厚50 um, 截留分子量為10萬(wàn)道爾頓。供氣壓力為7. 0 kPao進(jìn)水由蠕動(dòng)泵從廢水池中抽出后，注入 反應(yīng)器中,反應(yīng)器中的混合液經(jīng)曝氣膜上生物膜處理后自流出水。2組反應(yīng)器構(gòu)造相同，不同點(diǎn)是膜曝氣組件膜面生物膜微生物組分不同。2組反應(yīng)器平 行運(yùn)行。加入所篩菌株的反應(yīng)器簡(jiǎn)稱(chēng)為增強(qiáng)型反應(yīng)器，不加所篩菌株反應(yīng)器成為平行反應(yīng)器。2. 2掛膜2組反應(yīng)器均采用間歇曝氣的運(yùn)行方式進(jìn)行掛膜，平行反應(yīng)器接種污泥為西安市第

8、四污 水處理廠(chǎng)A2 /O中曝氣池中活性污泥與曝氣沉砂池出水（表1）的混合液（體積比1 : 1）（其 中活性污泥投加量為4gL - 1 ）。增強(qiáng)型反應(yīng)器接種污泥為西安市第四污水處理廠(chǎng)A2 / O 中曝氣池中活性污泥、篩菌菌懸液（富集培養(yǎng)基培養(yǎng)）、曝氣沉砂池出水（表1）的混合液（體 積比1 : 1 : 1）（其中活性污泥、篩菌菌懸液投加量均為2 gL - 1 ）。將混合液以懸浮態(tài)分別加入到各自反應(yīng)器中，循環(huán)24 h后排空，重新加入混合液后繼續(xù) 進(jìn)行循環(huán)，一周后觀察到膜上有黃褐色生物膜形成，于是開(kāi)始連續(xù)進(jìn)水并逐漸加大進(jìn)水負(fù) 荷，15 d后膜面黃褐色生物膜加厚并布滿(mǎn)膜面，認(rèn)為掛膜成功。1. 3實(shí)驗(yàn)用水

9、實(shí)驗(yàn)用水采用西安市第四污水廠(chǎng)曝氣沉砂池出水水質(zhì)情況如表1所示。表1廢水水質(zhì)情況項(xiàng)目- LJ)mg -)mg - I. 4水質(zhì)測(cè)定方法95Paeudnmnnaji 汕- pHSS/( rag * L數(shù)值504ft456 9-7.3500 - 560COD、氨氮和總氮等測(cè)定方法均參考水和廢水監(jiān)測(cè)方法第4版。其中COD測(cè)定方法 為重鉻酸鉀法(P210-213);氨氮測(cè)定方法為納氏試劑光度法(P276-281);總氮測(cè)定方法為過(guò) 硫酸鉀氧化紫外分光光度法(P254-257)。測(cè)定數(shù)據(jù)均做平行實(shí)驗(yàn)，取均值。5變性梯度凝膠電泳(DGGE)取1 000 p L的生物膜樣品(超聲震蕩30 min),進(jìn)行1.

10、1. 5的步驟，完成后取PCR擴(kuò) 增產(chǎn)物80 p L在JY-TD331型DGGE電泳儀中進(jìn)行分離。其中，聚丙烯酰胺濃度為8%,凝膠 厚度0. 75 mm。凝膠變性梯度采用30% 70%。電泳緩沖液為1 X TAE(三羥甲基氨基甲 烷、乙酸和乙二胺四乙酸)，電泳溫度60 C,電壓150 V,電泳時(shí)間7. 5 h。電泳完成后，采 用漠化乙錠(EB)染色法染色20 min，之后在紫外燈下觀察拍照。2運(yùn)行結(jié)果與討論1菌種鑒定經(jīng)過(guò)復(fù)篩后,一株脫氮率在90%以上的菌株被篩選出來(lái)。圖2為菌株的掃描電鏡圖片， 為短桿狀。菌株為革蘭氏染色陰性菌。圖3給出了菌株DNA經(jīng)PCR擴(kuò)增后的瓊脂糖電泳，從圖中可以看出，陰

11、性對(duì)照良好PCR 擴(kuò)增序列可以進(jìn)行測(cè)序，經(jīng)上海生工公司測(cè)序后，結(jié)果輸入NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)可初步鑒定為 假單胞菌Pseudomonassp.菌屬(表2)。表2菌株測(cè)序結(jié)果菌株序列長(zhǎng)度種屬2污染物處理效果根據(jù)汪舒怡等的研究結(jié)果，米用水力停留時(shí)間為5 h,運(yùn)行負(fù)荷為7. 6 gCOD - (m2 - d) -1。由于處理的水樣及選取的污泥均取自同一污水廠(chǎng)，因此本研究未進(jìn)行污泥馴化,掛膜后 直接進(jìn)入污染物去除階段，主要考察平行反應(yīng)器對(duì)污水的去除效果。圖4為運(yùn)行期污染物去 除的效果。從圖4(a)中可以看出,2組反應(yīng)器COD的去除效率均較高,COD的去除率基本穩(wěn)定在 85%以上，增強(qiáng)型反應(yīng)器中比平行反應(yīng)器

12、的COD的去除率高出約2% 3%，說(shuō)明所篩菌株反 硝化時(shí)消耗了一定的碳源。圖4(b)顯示了氨氮隨時(shí)間的運(yùn)行結(jié)果，氨氮去除率可達(dá)到90%以上，氨氮去除率在兩種 反應(yīng)器中也較為接近，這說(shuō)明膜曝氣生物反應(yīng)器工藝對(duì)氨氮有較好的去除。順碩11500-400如M順-|皿166*8010212575 30正彳仙板述COD出注通果0jlW|h網(wǎng)m觥敏去除效果制I時(shí)間M總卸五除賴(lài)崟母水增強(qiáng)型反應(yīng)器;平行反應(yīng)器IH爪。峭強(qiáng)電艮戚器主陣率平行反應(yīng)耕鋼率圖4污染物去除裁果圖4(c)為總氮的去除情況,2組反應(yīng)器對(duì)總氮的去除也很好，顯示了膜曝氣生物反應(yīng)器 工藝脫氮性能的優(yōu)越性。從運(yùn)行開(kāi)始，增強(qiáng)型反應(yīng)器比平行反應(yīng)器的要高出

13、5%左右,隨著運(yùn) 行時(shí)間的增加，總氮有了更好的去除，增強(qiáng)型反應(yīng)器比平行反應(yīng)器脫氮率高出10%左右，總 氮去除率達(dá)到85% ,這說(shuō)明篩菌微生物起到了很好的脫氮作用。3膜面微生物變化為了更好地了解膜面微生物的組分，對(duì)運(yùn)行后期膜曝氣上生物膜進(jìn)行了變性梯度凝膠電 泳(DGGE)分析。之后割膠，再按1. 1. 5的方法測(cè)序,得到結(jié)果如圖5及表3所示。從圖5可 以看出,2組反應(yīng)器的膜面生物多樣性較好，條帶比對(duì)顯示,微生物種類(lèi)基本一致，僅僅在亮 度上有所不同，尤其是條帶6,可以看出，增強(qiáng)型反應(yīng)器比平行反應(yīng)器增多，應(yīng)該為所篩菌株。 經(jīng)測(cè)序后的結(jié)果表3中可以證實(shí)。從微觀上證明了所篩菌種發(fā)揮了重要作用。 TOC

14、o 1-5 h z Ruud( Band 2Band 3Band 4Band 5Rand 6Band 7Band 8Band 9Band】0*(圄中1分別表示平-行反應(yīng)耕和增煽反應(yīng)瓣)圖5 2組反應(yīng)器中膜面生物膜16S rDNA DGGE圖譜表3 DGGE圖譜中分離出條帶測(cè)序結(jié)果條帶鑒定丹類(lèi)任度備注Baihd 1jVirj7tdWia.5 必妙phu均測(cè)出Baihd 2.插M 舟泌?血】代函he Ba. 0均測(cè)出Baihd 3olig&iropha MMhe jkSl均測(cè)出Band 4均焉出Band 5S打m2曹192均測(cè)出Baihd 690但增強(qiáng)凋出Band 7EnimA砒E sp.194僅

15、增強(qiáng)調(diào)出Band R.VfireJJdJDtrJFtrlS sp.】的均測(cè)出Band 9LMli血湖 而母即矗在f&n ChtiS94均測(cè)出Bajid 10190均焉出從表3中可以看出，條帶中表現(xiàn)出的菌株為Nitrosomonas oligotropha, Nitrosomonas sp.亞硝化單胞菌屬,Nitrosospira亞硝化螺菌屬，其余則為污染物降解菌,如變形桿菌屬 (Uncultured beta proteobacteriumBal. 0, Uncultured beta proteobacterium Ch6S)。4純菌株獨(dú)立掛膜研究為了進(jìn)一步對(duì)篩選的菌株獨(dú)立掛膜，考察是否該菌

16、株確有好氧反硝化的作用，本研究在 傳統(tǒng)反應(yīng)器基礎(chǔ)上僅添加所篩選菌株構(gòu)建獨(dú)立掛膜反應(yīng)器并同時(shí)再次運(yùn)行平行實(shí)驗(yàn)裝置,3 組進(jìn)行對(duì)比研究。掛膜方式及運(yùn)行與1. 2. 2及2. 2相同。經(jīng)運(yùn)行30 d后發(fā)現(xiàn)，與2. 2污 染物去除結(jié)果相類(lèi)似,3組反應(yīng)器COD的去除效率均較高,COD去除率基本穩(wěn)定在85%以上, 相差不大。氨氮隨時(shí)間的運(yùn)行結(jié)果，氨氮去除率可達(dá)到90%以上,氨氮去除率在3種反應(yīng)器 中也較為接近。獨(dú)立掛膜反應(yīng)器與增強(qiáng)型反應(yīng)器對(duì)總氮的去除率分別達(dá)到85%和84%，而平 行反應(yīng)器對(duì)總氮的去除率為73%。從圖4看出，增強(qiáng)型反應(yīng)器與平行反應(yīng)器對(duì)總氮的去除率 分別達(dá)到85%和75%。因此，重復(fù)實(shí)驗(yàn)與前期實(shí)驗(yàn)無(wú)顯著性差異。研究認(rèn)為:獨(dú)立掛膜反應(yīng)器脫氮效果良好，但是污染去除效果與增強(qiáng)型反應(yīng)器相差不大， 從經(jīng)濟(jì)角度和生物多樣性角度認(rèn)為增強(qiáng)型反應(yīng)器更適合于污水處理。具體參見(jiàn)污水寶商城資 料或 HYPERLINK 更多相關(guān)技術(shù)文檔。3結(jié)論篩選一株好氧反硝化菌,其脫氮效率為90%以上，經(jīng)鑒定為假