包埋颗粒内硝化菌增殖衰亡规律及硝化特性研究

与游离态相比较，经包埋固定化的硝化菌具有生物浓度高，易于固液分离，抗冲击负荷能力强的特点，促进了硝化反应速率。本研究以上海交通大学膜科学与技术研究所自主研发的聚氨酯包埋固定化硝化菌颗粒为对象，研究了包埋颗粒内硝化菌增殖衰亡规律及硝化特性，主要结果如下:
　　 建立了针对包埋硝化菌颗粒有效扩散系数的浸入测定方法，经理论推导和实验验证，获得包埋硝化菌颗粒的有效扩散系数De的计算模型，未经驯化的包埋颗粒的氨氮扩散系数为0.826×10-9m2/s，约为纯水中扩散的42.1％;氧扩散系数为0.468×10-9m2/s，约为纯水中扩散的23.6％。本研究采用的包埋颗粒的基质扩散系数略高于文献报导的其他大多数固定化方式的扩散系数，说明本研究采用的包埋固定化载体具有较好的通透性。包埋过程中预聚体浓度和混合液挥发性悬浮固体浓度MLVSS都对De的大小有影响。预聚体浓度越高，De越小;MLVSS越大，De越小。
　　 对包埋颗粒内微生物活性与数量定性定量分析测定，获得了包埋颗粒内硝化菌在驯化启动过程的增殖与扩散规律。采用连续进水驯化的效率大于间歇进水驯化，驯化过程控制DO为3～4mg/L时即能较快地完成驯化，达到最大活性。70天驯化过程中，呼吸速率、硝化速率及颗粒内的微生物量先快速增长，后逐渐趋缓，在50天左右达到稳定状态，表明驯化结束。包埋颗粒内单位生物量的活性随着驯化时间推移逐渐下降，下降率约22％。由于生物量不断增长，基质在菌团间传质小于其在载体内的传质，有效扩散系数随着驯化不断下降，降至约0.492×10-9m2/s，为未驯化包埋硝化菌扩散系数的59.6％。由于传质限制，靠近载体表面的菌团会生长得比靠近中心部位的菌团更快，更大，表面比中心部分更密实，基质更不易向内扩散。由于菌团不断膨胀，靠近颗粒表面的菌团会最终触及表面，形成突起并释放到本体溶液中。
　　 对反应器内微生物量平衡分析研究获得包埋颗粒内硝化菌的比增长速率μi。结果表明，驯化过程μi不断减少直至趋于0，表明颗粒内细胞释放量等于生物净增长量。利用电镜观察和PCR-DGGE(聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳)对驯化后包埋颗粒内的微生物进行分析研究，发现硝化菌一部分附着于颗粒表面，另一部分仍包裹于颗粒的网状空隙内，颗粒内部的硝化菌呈菌团状，活细胞与死亡细胞共存。驯化完成后AOB(Ammoniaoxidizingbacteria)和NOB(Nitriteoxidizingbacteria)均形成稳定的生物群落结构，AOB均为亚硝化单胞菌属(Nitrosomonaseuropaea),NOB以NitrobacterSp.219、NitrobacterSp.263为主。
　　 包埋颗粒内硝化菌衰亡规律研究发现，当O2不足时，硝化菌衰减速率为0.935×10-6s-1(μmax的5.88％);当氨氮不足时，其衰减速率为4.20×10-6s-1（μmax的26.4％）。当氨氮浓度受限制，可以减少DO浓度以降低微生物衰亡程度。由O2不足而失活的硝化菌颗粒约10天后恢复至最大活性1207.8mgO2/L-pellet·h，由氨氮不足而失活的硝化菌颗粒至25天仍未能恢复至最高活性。
　　 包埋硝化菌颗粒的扩散-反应动力学研究结果表明，氨在包埋颗粒内的内扩散影响可以忽略不计，而氧的内扩散对硝化反应速率会产生影响。通过计算得到，溶解氧浓度为0.5、1、2和4mg/L时，平均溶解氧穿透层厚度分别为0.511、0.599、0.692、0.808mm，说明本体溶液中溶解氧浓度越高，中间形成的缺氧区体积越小。
　　 对比研究包埋硝化菌颗粒与弹性填料生物膜硝化反应效能，结果表明包埋硝化菌颗粒对环境条件的变化适应能力更强，硝化效果稳定，最佳环境条件为:pH=8.0，DO=4mg/L，温度为30℃。灵敏度分析表明，相对于DO和温度，pH对硝化活性的影响较为明显。在连续运行试验中，包埋硝化菌颗粒反应器始终保持较高的硝化率。用包埋硝化菌颗粒处理高有机物浓度和高氨氮浓度的米酒废水，由于有机物浓度高，异养菌繁殖抑制了硝化细菌的活性，反应器所能承受的最大负荷和包埋硝化菌活性均低于小试试验所能达到的最大值。
　　 通过对亚硝酸化和硝酸化的动力学研究以及游离氨抑制硝化的动力学分析，并借助FISH(Fluorescenceinsituhybridization，荧光原位杂交)技术，确定了实现稳定短程硝化的几个因素:(1)包埋颗粒内微生物种群中AOB为优势菌种，其菌种数量决定了硝化过程氨氧化速率远远高于亚硝酸氧化速率;(2)AOB的氧半饱和常数高于NOB，使AOB在较低溶解氧条件下更易获得氧气生长;(3)AOB对游离氨FA有较好耐受能力，即使在较高的FA浓度下仍能保持较高的反应速率。