水和廢水處理- Forschen科學

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研究文章
糞堿性藻4號對某化工企業廢水異養硝化好氧反硝化的研究

Makoto Shoda＊Yoichi石川

Able公司，東京新宿區西津根街7-9號，郵編216-0812

*通訊作者:日本東京都新宿區西津根街7-9號，Able株式會社，電話:+81-3-260- 0485;傳真:+ 81-3-260-0485;電子郵件:mshoda@res.titech.ac.jp


摘要

化工廠的廢水(簡稱WC)，含有約5000毫克的nhh4采用具有異養硝化和好氧反硝化能力的糞Alcaligenes faecalis No.4 (No.4)處理-N/L銨和少量BOD。在30°C、2-3 mg/L的溶解氧濃度(DO)控製下，在檸檬酸鹽作為碳源和無機營養物質的存在下，重複分批操作900 h。24 ~ 30 h內氨氮去除率達到90 ~ 100%，平均氨氮去除率為1.1 kg NH4- n / m3.這比傳統的硝化-反硝化過程所達到的效率高出100多倍。停機220 h後，4號的除銨活性立即恢複，並保持較高的去除率。當廢水中加入3% NaCl時，氨氮去除率與未加入NaCl時基本相同。

關鍵字

異養硝化作用;好氧反硝化作用;高強度銨;糞產堿杆菌屬;廢水中BOD含量最少

簡介

高效去除接收水體中的銨離子是防止富營養化的關鍵。汙水處理廠常規的除銨過程包括自養細菌在好氧條件下硝化，然後異養細菌在厭氧條件下反硝化。該係統的缺點是硝化速率慢，自養細菌易受高負荷銨和有機物的影響。因此，常規方法硝化所需水力停留時間較長，需要大型處理廠[1-3]。

近年來，人們發現許多細菌具有異養硝化和好氧反硝化能力[4-10]。這些細菌的去除率被計算在0.08到0.6 kg NH的範圍內4- n / m3.初始銨濃度在30 ~ 300 mg NH範圍內時4- n / L。這些實驗是在實驗室低強度銨條件下的燒瓶中進行的。

在之前的研究[11]中，我們發現糞甲菌No.4 (No.4)具有進行以下異養硝化和好氧反硝化的能力，NH4+→nh2Oh→n2O→n2．大約40%的銨和60%的銨轉化為N2分別是氣體和細胞質量。隻有百分之幾的NO2-和NO3.-都是從銨中產生的。No.4在不稀釋廢水[12]的情況下，脫除了90%以上的生豬廢水高強銨和COD。No.4氨氮去除率為3 kg NH4- n / m3.對城市汙水處理廠[13]厭氧消化汙泥的處理。這一數值是常規處理方法的幾百倍。

厭氧氨氧化法作為傳統方法的替代方法被廣泛研究，主要是因為該操作不需要添加碳源[14-17]。然而，anammox細菌生長速度極慢以及這些細菌對高濃度有機碳和銨的脆弱性必須得到解決，才能使實際廢水處理係統的發展成為可能。

一些化工公司或發電廠的廢水含有高濃度的銨和少量的BOD。本研究將No.4應用於某化工企業廢水中，考察了在溶解氧控製條件下高效生物處理高強度銨的可行性。

材料與方法
應變使用

4號的詳細特性在前人的論文[11]中有詳細的描述。培養的4號細胞與50%的甘油溶液混合在小瓶中，保存在-84°C。每次預培養，取1瓶作為4號接種劑。

中使用

一種合成介質，含14K2 HPO(所有單位為g / l)46 kh2阿寶4檸檬酸三鈉二水合物，2(NH4）2所以4， 0.2MgSO4·用2ml微量礦物溶液中的7H2 O進行4號的預培養。微量礦物溶液含有以下成分(g/l): 57.1 EDTA(2,2 '，2 "，2 " ' -(乙烷-1,2-二基二硝基)四乙酸)·2Na, 3.9ZnSO4・7 h2O 7 cacl2・2 h2O, 5.1MnCl2 * 4H2啊,5.0 feso4・7 h2啊,1.1 (NH4) 6月7O24・4 h2O, 1.6CuSO4·5H2O和1.6CoCl2・6小時2O.這種培養基在預培養時進行了滅菌，但在飼料分批處理培養中，沒有進行滅菌。

廢水利用

由日本化學公司提供的廢水(WC)是由該公司進行的化學處理產生的。該WC的主要特性為:pH為10.6，總COD濃度為2280 mg/L，總BOD濃度小於2 mg/L，總氮濃度為4840 mg/L，氨氮濃度為4800 mg/L。在每次實驗中，將原始WC的pH值調整到約7.5 × 5N H2所以4，除非特別說明，ph調整後WC的銨濃度被稀釋到約1000 mg/L。

反應堆使用

在初步實驗中，使用500 mL的搖瓶(工作容積為100 mL)，在30℃、100衝程/ min (spm)的搖瓶下，確定4號的生長和4號對WC中銨的去除。小型罐式發酵罐一台(總容積1升，工作容積300毫升;然後使用BMJ-01PI, Able公司，東京，日本)。通過在發酵罐中插入DO傳感器(SDOC-12F, Able公司，東京，日本)和pH傳感器(Easyferm Plus 225, Hamilton Bonaduz AG, Bonaduz，瑞士)來監測溶解氧(DO)濃度和pH值。溫度維持在30°C。通過改變攪拌速度和恒定的送風速率30 mL/min, DO濃度控製在2-3 mg/L。

使用搖瓶的初步實驗

將ph調整後10倍稀釋的WC溶液與培養的4號細胞、檸檬酸三鈉脫水液和除去(NH4）2所以4在搖瓶中，測定銨的去除率。作為對照，4號在合成培養基中生長。

罐式發酵罐的實驗過程

將4號細胞預培養於500 mL搖瓶中100 mL合成培養基中，搖瓶溫度為30°C，搖速為100 spm，搖瓶2天，培養物作為接種物。

進行重複批次培養。在第一次重複批次實驗中，4號預培養物50 mL，稀釋WC 250 mL，檸檬酸三鈉脫水20 g，除去無機營養物質(NH4）2所以4在發酵罐中混合，然後監測銨處理。由於原始WC中無機成分的含量未知，所以對無機營養成分進行了強化。采用20克檸檬酸三鈉脫水，以避免四號碳供應有限。取1毫升培養液，定期采樣，測定銨的濃度。確認銨濃度降低90%以上後，取10-50 mL培養液作為接種菌液，後續用鮮250-290 mL四倍稀釋的WC和檸檬酸三鈉水合物及無機營養物處理。在每個批次培養周期開始和結束時測定4號細胞數。

分析方法

使用銨傳感器(SNH-10, Able公司，日本東京)測定銨濃度。多次重複批次操作後，分別用硫酸亞鐵法和二甲基酚法(美國科羅拉多州洛夫蘭市HACH公司)測定亞硝酸鹽和硝酸鹽濃度。通過曝氣排出的銨被困在0.1N 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WC樣品的其他原生細胞，且No.4具有特有的形態特征，因此2天後培養皿上出現的菌落均計算為No.4細胞，細胞濃度以細胞/mL表示。

結果與討論
燒瓶實驗

在初步實驗中，采用搖瓶法評價了4號溶液對WC樣品中銨的去除效果。結果如圖1所示。由於碳化鎢樣品的除銨模式與合成介質相似，使用碳化鎢樣品作為氮源似乎對no .4的活性沒有不利影響。兩個樣本的最終細胞數幾乎相同(數據未顯示)。兩種樣品的氨氮去除率為0.1 ~ 0.2 kg NH4- n / m3./天，較低的數值可能是由於氧氣供應有限。

重複批次除銨試驗

圖2為30℃重複批次實驗中銨濃度隨時間的變化情況，圖3為同一實驗中4號細胞數量的變化情況。24 ~ 30 h內氨氮脫除率達90%以上，4號細胞數在108 ~ 1010個/mL之間。試驗期間氨氮的平均去除率為1.1 kg NH4- n / m3./天。該值顯著高於常規硝化反硝化工藝的0.01 kg-N/m3.1-2 kg-N/m，與高效厭氧氨氧化法獲得的[1]相近3./天(16 - 17)。在620 ~ 800 h之間，停止操作，保持罐式發酵罐在室溫(平均10℃)下靜止。當操作恢複後，觀察到銨的去除沒有任何延遲，這表明操作的中斷對4號的活性沒有不利影響。在這些實驗中，pH值在7 - 8之間波動，在No.4的最佳pH範圍內(數據未顯示)。從反應器排出的亞硝酸鹽、硝態氮和排出的銨總量不到進口氮的2%，因此進口銨大部分轉化為N2氣體和細胞含氮化合物。

4號遊離樣品中含有WC和無機營養物質，添加或不添加檸檬酸三鈉二水合物，在攪拌速度為600轉/分鍾、曝氣速度為300毫升/分鍾的罐式發酵罐中曝氣5天，並沒有導致銨濃度和DO(數據未顯示)的下降。這一發現說明引入的空氣傳播微生物對氨的去除貢獻微乎其微，因此本研究觀察到的WC樣品中氨的去除主要是由No.4完成的。

圖1:用搖瓶培養法除銨:搖瓶中含有合成培養基加上4號預培養物(〇)，十倍稀釋的WC加上合成培養基除(NH4）2所以44 .預培養(●)。

圖2:No.4在30℃、DO控製濃度為2 ~ 3 mg/L條件下重複間歇處理WC中銨的濃度。

圖3:同一實驗中4號細胞數量的變化如圖2所示。

由於本研究使用的WC中No.4的BOD含量最少，因此碳源的供應是必不可少的。本研究采用過量檸檬酸三鈉脫水20 g的實驗方案，以避免No.4活性的碳限製。一般情況下，微生物胞內成分的C/N為10，這表明當消耗1單位N時，用10單位碳合成細胞物質。在之前的同位素實驗中，4號[11]將40%的銨轉化為氮氣。假設本研究在1 g-N/L存在下的脫硝水平相似，則使用0.6 g-N/L進行細胞合成，這表明至少需要6 g-N/L。反應器中每300ml 20克檸檬酸三鈉二水合物含有16g - c /L。實際上，當過量的檸檬酸降低到10 g時，仍然可以觀察到銨的完全去除(數據未顯示)。10克脫水檸檬酸三鈉含有2.5克碳。因此，對於完全去除初始0.3 g的nhh4在這個300毫升的反應器中，根據碳氮比10，在一般代謝中大約需要3克碳。在這方麵，我們假設10克可能是碳的最小添加量。

廢水處理的功率需求是影響運行的一個重要因素。在其他送風速率從30 mL/min降至3 mL/min, DO濃度小於0.5 mg/L的實驗中，氨氮的去除明顯緩慢。因此，DO濃度應大於0.5 mg/L，通過保持較低的攪拌速度來控製DO水平將使功率需求最小化。

將4號體係的需碳量與常規甲醇反硝化工藝進行比較，4號體係的需碳量比常規甲醇反硝化工藝高2 ~ 3倍[13]。在這方麵，4號工藝是不利的。然而，作為一個整體係統，4號工藝比傳統工藝更有優勢，因為不需要稀釋高強度廢水，因此，隻需要一個小型反應器。4號細胞在合成培養基中加倍培養時間為2 ~ 3 h，可以在不同的固定化載體上進行固定化。培養的4號細胞在4°C下保存了幾個月的高活性，細胞仍然能耐受高滲透壓(見下文)。

當從廢物或未使用的資源中獲得較便宜的碳源時，顯著的高去除率是可能的，這主要是因為這些材料包含未使用的碳材料和最少數量的糖的混合物。這些材料對No.4的活性是有利的，因為No.4利用了脂肪酸或一些普通細菌不易降解的溶劑。

初始銨濃度為1000、2000和5000 mg NH時的除銨效果4- n / L

圖4顯示了初始銨濃度約為5000 mg NH時的除銨效果4-N/L, 2000 mg NH4-N/L和1000 mg/L。濃度為5000毫克的nhh4-N/L和2000 mg NH4-N/L時，間歇供應20 g檸檬酸三鈉二水合物，如圖4中的箭頭所示。平均氨氮去除率為1000,2000和5000 mg NH4-N/L分別為0.63、0.96和0.92 kg NH4- n / m3./天,分別。這表明即使銨濃度高於1000 mg NH4通過提供足夠的碳源，可有效去除-N/L。在這些實驗中，在實驗開始時添加無機營養物質。添加碳後，除銨率在100 h時增加不明顯。原因尚不清楚，但推測在去除超過3000 mg-N後，某些成分可能受到限製。

該廢水的BOD值較低，需要在處理過程中添加外部碳源。已知4號的其他可用碳來源是低分子和高分子脂肪酸、苯酚、甲醇、一些溶劑和氨基酸[13]。含有機脂肪酸的廉價碳源可以從食品工業或厭氧消化過程中的酸生產階段的廢物中獲得。采用堿性水解或汙泥熱處理是提供廉價、方便的揮發性脂肪酸(VAFs)的一種可能方法[18-20]。汙泥處理係統與4號係統的組合可能是一種有前途的方法。

圖4:初始銨濃度在5000 mg nhh時的變化4-N/L(■)，2000 mg NH4N/L(▲)和1000 mg NH4-N/L(●)的WC用於批量培養。箭頭表示添加檸檬酸鹽的時間。

使用檸檬酸鹽的主要原因是第一篇手稿中所有的基礎數據都是用檸檬酸鹽作為碳源獲得的，而日本柑橘種植過程中產生了大量含檸檬酸鹽的廢物。由於No.4有不同的碳源，因此碳源的選擇取決於產生垃圾的區域。

在這項研究中，唯一使用的溫度是30°C。4號的除銨效果在15℃到37℃之間，而最佳的除銨效果是在30℃。在之前的研究[13]中，我們發現在20°C條件下銨的去除率是30°C條件下的一半，但去除率仍然很高。

高鹽條件下的除銨

No.4在高鹽條件下表現出獨特的除銨特性。圖5為4號在含0、3、6% NaCl的合成培養基中搖瓶培養時銨濃度的變化。在3% NaCl和6% NaCl的誘導期分別為1天和5天後，氨的去除率與0% NaCl的誘導期相似。然後在WC中加入最終濃度為3%的NaCl，並使用與上述類似的方案進行重複批次處理。實驗結果如圖6所示。氨氮去除率達到1.0 kg NH4- n / m3.4號逐漸適應鹽水培養基後，采用四批操作。

雖然No.4不嗜滲，但在高鹽條件下，細胞能夠實現氨的去除。在我們的基礎實驗中，我們發現No.4在細胞暴露於高鹽濃度[13]的滯後時間內合成了滲透保護劑羥基外泌素。由於高鹽濃度或高強度溶劑的廢水滲透壓高，大多數微生物對其很脆弱，No.4在這種條件下經過一定的馴化時間後能夠有效去除銨。因此，這些新係統可以去除海水養殖廢水或漁業加工廢水中的高強度銨。

圖5:No.4在30°C含100ml合成培養基的搖瓶中除銨，NaCl為0%(●)，3%(■)，6%(▲)。

圖6:用4號除銨劑對含3% NaCl的WC進行了重複批次試驗。符號:1(■)、2日(□),3日(▲)、4日(△)和第五周期(●)。

No.4的另一個優點是No.4細胞可以抑製植物病原體的生長，如先前報道[21,22]。這一發現表明，4號汙水處理設施產生的多餘汙泥可以在農田中進行再利用，以防止植物病害。4號細胞也有助於減少瘤胃[23]的甲烷產量。

考慮到高COD和極低BOD的廢水對生物處理操作的潛在影響，特別是在化工公司，他們也生產幾種生物可降解的高BOD化學品。因此，將生物可降解化合物混合到這些COD高、BOD低的廢水中，將導致氨的生物處理。

結論

糞便A. faecalis No.4具有異養硝化和好氧反硝化能力，能有效去除1000 ~ 5000 mg nhh4-N/L來自含有少量BOD的廢水。采用檸檬酸鹽作為碳源，氨氮去除率顯著提高。平均細胞密度為109維持細胞/mL。

在高滲透壓下，No.4對銨的去除率與非滲透壓下的去除率幾乎相同，這導致No.4的額外使用。4號易培養，生長速率高，反應器簡單，可以采用較簡單的銨處理方法。

4號槽在其他農業領域具有應用潛力，解決了汙水處理係統中汙泥過多的問題。因此，使用4號的高效除銨係統將允許開發先進的除銨處理係統。

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Aritcle類型:研究文章

引用:Shoda M, Ishikawa Y(2015)糞堿性藻No.4對某化工企業廢水的異養硝化和好氧反硝化。國際J水廢水處理1(2):doi http://dx.doi.org/10.16966/2381-5299.111

版權:©2015 Shoda M等。這是一篇開放獲取的文章，根據創作共用署名許可協議(Creative Commons Attribution License)發布，該協議允許在任何媒體上不受限製地使用、分發和複製，前提是注明原作者和來源。

出版的曆史:

  • 收到日期:2015年10月14日

  • 接受日期:2015年11月10日

  • 發表日期:2015年11月16日