摘要

為了利用具有異養硝化和好氧反硝化能力的糞Alcaligenes faecalis No.4 (No.4)高效處理銨，采用厭氧降解有機物和糖製備了No.4的有機酸溶液作為主要碳源。製備的溶液中總有機碳(TOC)為20049 mg/L，與8種有機酸的含碳量20754 mg- c /L相近，以TOC作為確定廢水最佳加碳量的指標。將該溶液用於高銨濃度下缺碳的滲濾液和厭氧消化廢水中補充碳。完全脫除600-700 mg-NH的銨₄根據TOC/銨- n10的碳比，用No.4求得兩種廢水中的-N/L。處理過程中，8種有機酸碳含量的變化與TOC的變化具有良好的相關性。這些試驗的氨氮去除率比常規氨氮處理係統高約100倍。

關鍵字

異養硝化作用;好氧反硝化作用;糞產堿杆菌屬；有機酸溶液

簡介

許多細菌都能進行異養硝化和好氧反硝化[1-9]。使用這些細菌比傳統的好氧硝化和厭氧反硝化脫氮過程更有利，因為在好氧條件下，使用一種細菌在一個反應器中實現氨的去除。該工藝除銨率高於常規除銨工藝，且水力停留時間短。然而，使用這些細菌的實驗是在低強度銨條件下進行的。

在之前的研究[10]中，我們發現糞便堿性igenes faecalis No.4 (No.4)具有進行以下異養硝化和好氧反硝化的能力，NH₄+→NH₂哦→N₂O→N₂．大約40%的銨被轉化為N₂氣體和60%的細胞質量。隻有一小部分的NO₂- - -沒有_3.-是從銨中產生的。No.4在未稀釋廢水[11]的情況下，脫除了90%以上的生豬廢水高強銨和化學需氧量(COD)。No.4的氨氮去除率為3 kg-NH₄- n / m^3.對城市汙水處理廠[12]厭氧消化汙泥的處理。一家化工公司的廢水含有高濃度的銨(5000 mg- nhh)₄-N/L)，少量BOD采用No.4處理，平均氨氮去除率為1.1 kg-NH₄- n / m^3./天[13]。這些去除率比傳統的處理方法高幾百倍。

由於no .4主要使用有機酸作為碳源，沒有糖，所以在之前的實驗中使用了檸檬酸作為碳源的化學劑。在前文[10]中，我們證明了No.4的最佳有機碳與銨氮比為10，說明在該比下，氮源和碳源同時被消耗。在實際處理中，有機酸的廉價生產和供應是銨處理中4號物化的關鍵。本研究以滲濾液為種子，添加糖進行厭氧發酵，得到高有機酸溶液。然後將製備好的混合有機酸溶液添加到兩種高銨低碳廢水中，使C/N比值保持在10左右，驗證了製備的溶液的有效性。

材料和方法

應變

4號的詳細特性在先前的論文[10]中有描述。培養的4號細胞與50%甘油溶液混合，裝於小瓶中，-84℃保存。每次預培養，取1瓶作為4號接種物。

合成培養基

使用的合成介質在以前的論文中有詳細的描述，其中檸檬酸鹽被用作碳源[12,13]。但本研究使用12.5 g乳酸鈉作為碳源，因為製備的有機酸溶液中乳酸濃度在8種有機酸中最高，消耗程度高於其他有機酸。

廢水

以B市某垃圾填埋填埋場的滲濾液廢水為原料進行氨氮處理。總有機碳(TOC)和銨濃度分別為4,310 mg/L和880 mg NH₄分別- n / L。Y市城市垃圾處理廠厭氧消化的汙泥中含有約900 mg NH₄-N/L和幾乎沒有TOC也用於銨處理。低TOC主要是因為厭氧消化器產生的大部分有機酸在消化過程中轉化為甲烷。

有機酸溶液的製備

將40毫升滲濾液廢水與20克葡萄糖混合在1升塑料容器中，30℃靜置孵育兩周。製備的溶液中的TOC和8種有機酸的濃度由KURITASU分析有限公司(日本土波)測定。

反應堆

小型罐式發酵罐一台(總容積1升，工作容積300毫升;使用BMJ-01PI, Able公司，東京，日本)。利用插入發酵罐的溶解氧(DO)傳感器(SDOC-12F, Able Corp.，東京，日本)和pH傳感器(Easyferm Plus 225, Hamilton Bonaduz AG, Bonaduz，瑞士)監測溶解氧(DO)濃度和pH值。溫度維持在30℃。攪拌速度固定在600轉/分，空氣以恒定的速率30毫升/分鍾供應。

罐式發酵罐的實驗過程

4號細胞在500 mL搖瓶中以100 mL合成培養基預培養2天，搖瓶溫度30℃，搖速為100次/分(spm)。

在罐式發酵罐上進行了以下四項實驗:

實驗一:用4號有機酸溶液在合成介質中處理銨

為了驗證有機酸溶液的使用，將125 mL無乳酸合成培養基、30 mL 4號培養液和145 mL有機酸溶液混合，進行銨化處理。最初的NH₄-N濃度設置為1200 mg/L，用(NH₄）₂所以₄．確定有機酸溶液的體積為C/N比10

實驗二:僅用4號培養液氨法處理滲濾液廢水

將265 mL滲濾液廢水與35 mL 4號培養液混合，進行銨化處理。

實驗三:用4號培養液和有機酸溶液銨化處理滲濾液廢水

滲濾液廢水230 mL、4號培養液30 mL、有機酸溶液40 mL混合後進行銨化處理。

實驗四:用4號培養基和有機酸溶液銨化處理厭氧消化汙泥

對於含有高nhh的樣品₄-N濃度和最低碳量的厭氧消化汙泥廢水。將180 mL廢水、30 mL 4號培養液和90 mL有機酸溶液混合後進行銨化處理。該體積的有機酸溶液也確定了C/N比為10。

分析方法

使用銨傳感器(SNH-10, Able公司，日本東京)測定銨濃度。間歇測定亞硝酸鹽和硝酸鹽濃度的方法在前麵的論文[13]中描述。通過曝氣排出的銨被困在0.1 N H中₂所以₄測定了溶液和累積銨的含量。為了確定4號細胞的數量，將采樣培養物稀釋後，置於含有合成培養基和1.5%瓊脂的合成瓊脂平板上，30°C孵育2天。由於之前已經證實No.4在培養皿上的生長速度明顯快於滲濾液樣品或厭氧消化汙泥中的其他原生細胞，且No.4具有特有的形態特征，因此2天後在培養皿上出現的菌落計數為No.4細胞，細胞濃度以細胞/mL表示。TOC的初始值和最終值以及初始和最終樣品中8種有機酸的濃度在KURITASU analysis Co.， Ltd.(日本土波)進行測定。

結果與討論

製備了高濃度有機酸溶液

滲濾液經過2周的厭氧培養，得到的溶液中TOC含量為200,049 mg/L，總有機酸含量為52,103 mg/L，包括草酸、檸檬酸、乳酸、甲酸、乙酸、丙酸、iso丁酸鹽和n丁酸。有機酸數據估計碳含量為20754 mg/L，如表1所示。由於TOC和有機酸溶液中的碳含量基本相似，因此以TOC為指標，通過平衡C/N比10，調整到完全處理銨所需的碳含量。NH含量₄在製備的有機酸溶液中檢測到-N為600 mg/L，因此NH₄處理樣品中-N的加入量被認為是確定有機酸溶液的體積。

	內容(毫克/升)	碳內容(毫克/升)
草酸	250	64
檸檬酸	250	94
乳酸	41202	16481
甲酸	479	125
醋酸	4750	1900
丙酸	2402	613
iso丁酸鹽	250	102
n丁酸鹽	2520	1375
總計	52103	20754

表1:製備的有機酸溶液中有機酸的分布和碳含量。

合成介質中銨處理采用4號有機酸溶液

結果如圖1所示。1200年mg-NH₄- N/L為初始濃度，對於銨的完全消耗，含碳量應為NH的10倍₄- N.因此，在合成培養基中加入145 mL有機酸溶液，初始TOC為11,300 mg/L。銨被完全處理，DO的突然升高反映了銨的耗盡和細胞合成的停止。最後NH₄- N為0，最終TOC為300 mg/L，說明97%的TOC被利用。8種有機酸在初始和最終樣品中的碳含量變化如表2所示。初始和最終碳含量分別為10,460 mg-C/L和387 mgC/L。這些值幾乎與TOC測量值相似。在處理過程中，幾乎沒有檢測到亞硝酸鹽和硝酸鹽，發酵罐蒸發銨的濃度低於初始銨濃度的0.5%。初始細胞數為7 × 10⁸細胞/mL增加到4 × 10¹⁰細胞/毫升在治療的最後階段。

	初始碳含量(毫克/升)	最終的碳含量(毫克/升)
草酸	64	13.3
檸檬酸	94	9.4
乳酸	8400	296
甲酸	65	6.5
醋酸	880	10
丙酸	255	28
iso丁酸鹽	102	10.2
n丁酸鹽	600	13.6
總計	10460	387

表2:圖1中有機酸初始和最終碳含量的變化。

圖1:合成介質與有機酸溶液混合時的除銨效果。符號:NH₄-N(●)、溶解氧濃度(DO)(□)、pH(△)。

僅用4號培養液氨法處理滲濾液廢水

滲濾液樣品，含4,310 mg/L TOC和NH₄- N 880 mg/L，與4號培養基混合，進行銨處理。來自TOC和NH₄- N數據，預期氨處理不完全。結果如圖2所示。最初的NH₄N濃度從780 mg/L下降到約240 mg/L的NH₄-氮，由於滲濾液廢水中缺乏有機酸，氮一直沒有得到處理。

圖2:4號培養法處理滲濾液廢水除銨:符號:NH₄-N(●)、溶解氧濃度(DO)(□)、pH(△)。

用4號培養和有機酸溶液銨化處理滲濾液廢水

如圖2所示，NH約為240 mg/L₄- N仍未處理。對於完全銨化處理，在混合物中加入40ml有機酸溶液進行銨化處理。結果如圖3所示。初始TOC為7017 mg/L，初始NH為7017 mg/L₄- N濃度為659 mg/L。8種有機酸的初始值為17750 mg/L，其中估計碳含量為6500 mg/L(表3)。最終TOC值為900 mg/L, 8種有機酸的最終碳值為827 mg/L，如表3所示。觀察到銨的完全去除，從而證實了有機酸溶液和TOC作為測定C/N比的指標的有效性。

	初始碳含量(mg/L)	最終碳含量(mg/L)
草酸	64	64
檸檬酸	94	94
乳酸	3600	One hundred.
甲酸	65	65
醋酸	1680	One hundred.
丙酸	842	156
iso丁酸鹽	102	102
n丁酸鹽	136	136
總計	6500	817

表3:圖3中有機酸初始和最終碳含量的變化。

圖3:用4號菌+有機酸溶液處理滲濾液除銨。符號:NH₄-N(●)、溶解氧濃度(DO)(□)、pH(△)。

用4號培養和有機酸溶液銨化處理厭氧消化汙泥

在前文[12]中，Y市過量城市汙水汙泥產生甲烷的厭氧反應器產物厭氧消化汙泥產生的高強度銨，采用添加檸檬酸鹽的No.4去除。在這項研究中，一個類似的樣品含有900毫克的nhh₄- N/L和20 mg/L有機酸來自Y市工廠。有機酸含量較低，說明4號有效碳含量較低，需要補充有機酸溶液才能完全脫除銨。對於最初的180 mL汙泥樣品，將90 mL有機酸溶液和30 mL 4號培養基混合，監測氨的去除情況，如圖4所示。最初的NH₄- N濃度為635 mg/L，完全脫除。有機酸含量的初始TOC和總碳含量分別為7030 mg/L和7314 mg/L(表4)，最終有機酸含量的碳含量為348 mg/L(表4)。在這種情況下，消耗的TOC/消耗的NH₄- N約為9.5。初始細胞數為3.8 × 10⁸細胞/mL增加到1.4 × 10¹⁰細胞/毫升在治療的最後階段。在之前的研究[12]中，檸檬酸為碳源，氨的去除率為3 kg-NH₄- n / m^3.但在本研究中去除率下降到0.8，主要是因為乳酸是主要的碳源。說明有機酸的質量對4號的活性有影響。

	初始碳含量(mg/L)	最終碳含量(mg/L)
草酸	6.4	6.4
檸檬酸	9.4	9.4
乳酸	6000	One hundred.
甲酸	22	6.5
醋酸	720	138
丙酸	181	64
iso丁酸鹽	10.2	10.2
n丁酸鹽	365	13.6
總計	7314	348

表4:圖4中有機酸初始和最終碳含量的變化。

圖4:用4號培養基和有機酸溶液處理厭氧消化汙泥去除氨氮。符號:NH₄-N(●)、溶解氧濃度(DO)(□)、pH(△)。

4次實驗銨的去除率如表5所示。速率根據廢水的種類而不同。然而，這些速率是常規銨處理係統的約100倍[14,15]。作為4號有機酸的來源，是利用4號除銨的必要條件，未使用的有機酸可以從柑橘類水果和乳製品工業等不同領域獲得。當有機物過剩時，厭氧發酵也可以很容易地生產混合有機酸。TOC作為一種評價有機酸混合物處理能力的指標，由於大多數有機酸都可用於No.4，因此簡單實用。

	Exp.1	Exp.2	Exp.3	Exp.4
氨的去除率(kg-N/m3/天)	1．2	0.6	1．1	0.8

表格5：四次實驗中銨的去除率

如前文[12,13]所示，No.4在高鹽條件下有利於除銨[10,11]，且No.4細胞具有抑製植物致病菌[16]和減少瘤胃[17]產甲烷的能力。這表明，4號汙水處理後多餘的細胞是可以再利用的，這減少了廢水處理後產生的多餘汙泥的處理問題。

結論

作為糞產堿杆菌屬4號主要以有機酸為碳源，采用厭氧發酵法製備了高濃度有機酸混合溶液，用於實際補碳處理高強銨。由於製備的混合物中產生的8種有機酸的TOC和碳含量基本相似，且TOC的變化與8種有機酸的碳含量變化具有良好的相關性，因此可以通過C/N比來確定廢水中應添加的有機酸溶液的體積。通過調整C/N比，4號能有效去除600 ~ 700 mg NH₄-N/L從兩個廢水在24小時內。

通過對兩種高銨濃度廢水的處理，調整有機酸溶液的供水量，使氨氮完全脫除，TOC顯著降低。由於氨的去除率明顯高於傳統的除氮係統，因此可以采用緊密型反應器係統處理高強度銨，其中銨可以轉化為N₂通過異養硝化和好氧反硝化對4號菌體進行硝化。

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條信息

文章類型:研究文章

引用:Shoda M, Ishikawa Y(2016)利用糞堿性藻No.4製備有機酸溶液進行高強度銨處理。國際J水廢水處理2(5):doi http://dx.doi.org/10.16966/2381-5299.131

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出版的曆史:

收到日期:2016年8月31日

接受日期:2016年10月20日

發表日期:2016年10月25日