利用生物强化技术处理硝基苯与硝酸盐混合污水 (该技术部分来源于我的科创课题) 黄虞晴18301050214 1技术背景 1.1氮元素污染状况 在当今的工业背景下,氮肥和磷肥的广泛施用,使大量的氮和磷通过大气迁 移、水体迁移等方式进入到水体中,这是富营养化水体中氮、磷等营养物质的主 要外源之一。化肥的全球产量不断攀升,氮量由不足0.1亿t升至0.8亿t,专 家预计到2030年将达到1.35亿t。一方面,化肥的使用量增加使农业增收;而 另一方面,由于施用和灌溉方式的问题,再加上地面水的冲刷,施用的肥料中 部分氮、磷最终进入到水体中提高无机肥料的有效使用率,是目前无机化肥行业 需要考虑的一个重要问题。从图1-1可以看出,硝氮是很大一块污染源。 表1-1世界若干河涌水体氮污染情况 Tab. I-I Nitrogen Pollution of some municipal water body of the world 单位:mg1 溶解氧 氨氢 亚硐氮 总氮 (DO) (NH -N) (NO-N) (NO-N)(TN) Bilbao estuary (spain 977 0.83 1.17 ( Japan,199s-2002) 1.57 6.7 ( belgium,19992000 Mahanadi 7.17 0613 33.9 2006) Lifte Ireland.2000-2003) 雅涌 图1-1-1-1我国若干河流氮污染现状1
利用生物强化技术处理硝基苯与硝酸盐混合污水 （该技术部分来源于我的科创课题） 黄虞晴 18301050214 1.技术背景 1.1 氮元素污染状况 在当今的工业背景下，氮肥和磷肥的广泛施用，使大量的氮和磷通过大气迁 移、水体迁移等方式进入到水体中，这是富营养化水体中氮、磷等营养物质的主 要外源之一。化肥的全球产量不断攀升，氮量由不足 0.1 亿 t 升至 0.8 亿 t，专 家预计到 2030 年将达到 1.35 亿 t。一方面，化肥的使用量增加使农业增收；而 另一方面，由于施用和灌溉方式的问题，再加上地面水的冲刷，施用的肥料中一 部分氮、磷最终进入到水体中提高无机肥料的有效使用率，是目前无机化肥行业 需要考虑的一个重要问题。从图 1-1 可以看出，硝氮是很大一块污染源。 图 1-1-1-1 我国若干河流氮污染现状 1
604 (中国佛山,2003) 望虞河 1.60 3.41 (中国常熟.2004) 黄河干流 中国,1998) 京杭运河宿迁段 0.482 0.044 中闪,2002) 钱塘江干流 0.51 0.101 1.90 (中国浙江,2001) 2.52 (I. Water quality parameters of Dendermonde river in summer: 2 water quality parameters of Mahanadi river in Pre-monsoon 3 surface water quality pera of Group I of L itly river·:不同时期小同地点的饱和溶解氧 图1-1-1-2我国若干河流氮污染现状2 1.1.2POPs污染现状 持久性有机污染物( Persistent Organic Pollu- tants)简称POPs,具有 致”(致癌、致畸、致突变)效应一旦进入环境,能在环境中持久性地残留, 产生生物积累,并通过食物链的生物放大作用达到中毒浓度,从而使其在大气、 水、土壤等环境介质中达到足以造成严重负面影响的水平。从图1-2-1可知,我 国POPs污染主要分布在东部沿海工业带,以水体污染及表层沉积物污染形式居 东北地区 北部沿海地区 东部沿海地区 南部沿海地区 黄河中游地区 长江中游地区 西部地区(西南、西北) 考虑到区块面积、特征、保持行 政区划的完整性、历史廷续性等 因 图1-2-1全国POPs污染分布现状 1.1.3硝基苯的污染现状 按照我国国家标准《急性毒性实验》附录D的毒性分级标准,硝基苯(501 5000mg/kg)属于低毒污染物,但由于硝基苯属于易燃易爆的危险物质,容易产 生环境污染事件,因此许多国家和组织都将硝基苯作为优先污染物记录在案,并 制定了相应标准与基准,以便管理 硝基苯作为POPs中的典型的一种,含有硝基,可以被反硝化细菌降解。在
图 1-1-1-2 我国若干河流氮污染现状 2 1.1.2 POPs 污染现状 持久性有机污染物( Persistent Organic Pollu-tants) 简称 POPs，具有 “三致”( 致癌、致畸、致突变) 效应一旦进入环境，能在环境中持久性地残留， 产生生物积累，并通过食物链的生物放大作用达到中毒浓度，从而使其在大气、 水、土壤等环境介质中达到足以造成严重负面影响的水平。从图 1-2-1 可知，我 国 POPs 污染主要分布在东部沿海工业带，以水体污染及表层沉积物污染形式居 多。 图 1-2-1 全国 POPs 污染分布现状 1.1.3 硝基苯的污染现状 按照我国国家标准《急性毒性实验》附录 D 的毒性分级标准，硝基苯（501～ 5000mg/kg）属于低毒污染物，但由于硝基苯属于易燃易爆的危险物质，容易产 生环境污染事件，因此许多国家和组织都将硝基苯作为优先污染物记录在案，并 制定了相应标准与基准，以便管理。 硝基苯作为 POPs 中的典型的一种，含有硝基，可以被反硝化细菌降解。在
我国水体普遍氮元素富营养化的条件下,急需处理的工业污水中往往同时含有硝 基苯以及硝酸盐,而目前的处理方法着重于硝酸盐的单一处理,而没有考虑到硝 基苯(或是其他污染物比如POs)对于反应的影响。 2.技术原理 2.1.生物处理法与生物强化技术的概述 污水处理设施的主要目标是将污水中含有的有机物质转化成为无机态的氮 气和二氧化碳,同时减少排放到环境中的悬浮固体量。生物处理通过微生物的新 陈代谢作用,将废物分解、吸收,从而达到治理污染的目的。生物处理法和物理、 化学法相比,具有成本低、效率高、操作简便,无二次污染的优点,因此,在城 市污水和工业废水的处理中得到了广泛的应用。但是,随着现代合成工业的发展, 大量异生化合物( Xenobiotics)进入工业废水和城市污水中,一方面这些化合物 对生化系统中的微生物有一定的毒性或抑制性,限制了微生物的活性,尤其在冬 季低水温情况下,活性污泥的吸附性能、沉降性都将会受到影响,微生物群系也 将发生变化;另一方面,由于异生化合物本身的结构复杂性和生物陌生性,污染 环境中能降解转化污染物的土著微生物种类和数量较少,甚至没有能降解某些特 殊污染物的土著微生物,从而导致出水水质差,系统运行不稳定等一系列问题。 因此,传统的废水生物处理技术面临极大挑战。 生物强化技术( bioaugmentation)是指在生物处理系统中,通过投加具有特 定功能的微生物营养物或基质类似物,增强处理系统对特定污染物的降解能力 提高降解速率,达到有效处理含难降解有机物废水的目的。通过向土著菌群中投 加具有特殊降解作用的微生物可以有效地改善难降解有机物的生物处理效果和 污水处理设施在极端环境条件如低温条件下的运行稳定性。因此,采用投加微生 物菌剂的方法,提高系统的处理效果和运行稳定性的生物强化技术得到了国内外 学者的普遍重视。 2.2微生物菌剂的获得 2.2.1微生物菌剂的来源 生物强化过程中所投加的微生物可以来源于原来的处理体系,也可以是原来 不存在的外源微生物。高效菌株的获得主要有两方面:一是从污染现场或处理设 施中筛选分离,二是通过构建基因工程菌获得。获得的菌株经过筛选、培育、驯 化之后,投入到生化处理体系中,以目标污染物为唯一碳源和能源,从而达到提 高污染物处理效率的目的。在实际应用中,所投加微生物菌剂的组成及相对含量 取决于原有处理体系中的微生物种群及目标体系的环境条件。投加的微生物应满 足以下三个基本条件:(1)投加后,菌体活性高;(2)菌体可快速降解目标污染物; (3)在系统中不仅能竞争生存,而且可维持相当数量 由于科研场地和经费条件的限制,我们课题组采用的是高效降解微生物的分 离筛选机制,具体原理和过程如下。 2.2.2高效降解微生物的分离筛选(详见图2-2-2-1)
我国水体普遍氮元素富营养化的条件下，急需处理的工业污水中往往同时含有硝 基苯以及硝酸盐，而目前的处理方法着重于硝酸盐的单一处理，而没有考虑到硝 基苯（或是其他污染物比如 POPs）对于反应的影响。 2.技术原理 2.1.生物处理法与生物强化技术的概述 污水处理设施的主要目标是将污水中含有的有机物质转化成为无机态的氮 气和二氧化碳，同时减少排放到环境中的悬浮固体量。生物处理通过微生物的新 陈代谢作用，将废物分解、吸收，从而达到治理污染的目的。生物处理法和物理、 化学法相比，具有成本低、效率高、操作简便，无二次污染的优点，因此，在城 市污水和工业废水的处理中得到了广泛的应用。但是，随着现代合成工业的发展， 大量异生化合物(Xenobiotics)进入工业废水和城市污水中，一方面这些化合物 对生化系统中的微生物有一定的毒性或抑制性，限制了微生物的活性，尤其在冬 季低水温情况下，活性污泥的吸附性能、沉降性都将会受到影响，微生物群系也 将发生变化；另一方面，由于异生化合物本身的结构复杂性和生物陌生性，污染 环境中能降解转化污染物的土著微生物种类和数量较少，甚至没有能降解某些特 殊污染物的土著微生物，从而导致出水水质差，系统运行不稳定等一系列问题。 因此，传统的废水生物处理技术面临极大挑战。 生物强化技术(bioaugmentation)是指在生物处理系统中，通过投加具有特 定功能的微生物营养物或基质类似物，增强处理系统对特定污染物的降解能力， 提高降解速率，达到有效处理含难降解有机物废水的目的。通过向土著菌群中投 加具有特殊降解作用的微生物可以有效地改善难降解有机物的生物处理效果和 污水处理设施在极端环境条件如低温条件下的运行稳定性。因此，采用投加微生 物菌剂的方法，提高系统的处理效果和运行稳定性的生物强化技术得到了国内外 学者的普遍重视。 2.2 微生物菌剂的获得 2.2.1 微生物菌剂的来源 生物强化过程中所投加的微生物可以来源于原来的处理体系，也可以是原来 不存在的外源微生物。高效菌株的获得主要有两方面：一是从污染现场或处理设 施中筛选分离，二是通过构建基因工程菌获得。获得的菌株经过筛选、培育、驯 化之后，投入到生化处理体系中，以目标污染物为唯一碳源和能源，从而达到提 高污染物处理效率的目的。在实际应用中，所投加微生物菌剂的组成及相对含量 取决于原有处理体系中的微生物种群及目标体系的环境条件。投加的微生物应满 足以下三个基本条件：(1)投加后，菌体活性高；(2)菌体可快速降解目标污染物； (3)在系统中不仅能竞争生存，而且可维持相当数量。 由于科研场地和经费条件的限制，我们课题组采用的是高效降解微生物的分 离筛选机制，具体原理和过程如下。 2.2.2 高效降解微生物的分离筛选（详见图 2-2-2-1）
受污染环境 长期定向驯化 选择性培养基 分离具有特定降解性能的菌株 多次富集培养/分离纯化 筛选高效菌株 反复驯化/遗传修饰 扩大培养 生物强化 直接投加高效菌 固定化微生物 微生物制剂 图2-2-2-1高效微生物筛选和生产流程图 2.2.3.驯化污泥的具体操作 污泥取自上海长桥水质净化厂的二沉池,通过自来水冲洗、沉淀,并加入乙 酸钠溶液培养,加入微生物生长所需的微量元素。 分别配置若干不同浓度的硝基苯、硝酸盐、和乙酸钠溶液,由少到多,逐步 增加,每个浓度梯度重复驯化3天,每天均换以新鲜的培养液进行培养。详见图 图2-2-3-1污泥驯化
图 2-2-2-1 高效微生物筛选和生产流程图 2.2.3.驯化污泥的具体操作 污泥取自上海长桥水质净化厂的二沉池，通过自来水冲洗、沉淀，并加入乙 酸钠溶液培养，加入微生物生长所需的微量元素。 分别配置若干不同浓度的硝基苯、硝酸盐、和乙酸钠溶液，由少到多，逐步 增加，每个浓度梯度重复驯化 3 天，每天均换以新鲜的培养液进行培养。详见图 2-2-3-1 图 2-2-3-1 污泥驯化
2.3.利用微生物降解硝酸盐与硝基萃 2.3.1.技术装置 该技术采用一种新型的生物反应器一一垂直折流反应器(VBBR)。该反应器 中的工作体积为600mL,由上部反应区域和下部水槽组成,上下部的体积分别为 250mL和350mL。在反应器的上部交错安装排列有多孔陶瓷板作为生物膜的载体, 同时又构成折流通道。在反应器下部安装有一个潜水泵,驱动水流从水箱进入反 应区域。形成上部的缺氧区以及下部的好氧区,可同步进行两种反应,对于某些 两部反应比如硝基苯到苯胺〔厌氧降解)再到完全降解(好氧降解更佳)的反应 具有显著作用 ylinder D-shaped plate Water tank 图2-3-1-1垂直折流反应器(VBBR) 2.3.2技术条件 在反硝化过程中以及在硝基苯降解过程中均大量需要电子(还原剂,即COD 所示)所以会产生竞争作用,同时由于硝基苯对于生物存在毒性所以也会大大降 低反应活性。 通过改变COD(碳源,供电子体)和氮含量的比例,在COD/N(COD和氮含量 以摩尔为单位)数值大于6时,可显著缓解硝基苯和硝酸盐降解的相互竞争作 用,并降低硝基苯毒性对微生物的影响,由此显著提髙降解效率。 E10 NB混合 Time(h)
2.3.利用微生物降解硝酸盐与硝基苯 2.3.1.技术装置 该技术采用一种新型的生物反应器——垂直折流反应器（VBBR）。该反应器 中的工作体积为 600mL，由上部反应区域和下部水槽组成，上下部的体积分别为 250mL 和 350mL。在反应器的上部交错安装排列有多孔陶瓷板作为生物膜的载体， 同时又构成折流通道。在反应器下部安装有一个潜水泵，驱动水流从水箱进入反 应区域。形成上部的缺氧区以及下部的好氧区，可同步进行两种反应，对于某些 两部反应比如硝基苯到苯胺（厌氧降解）再到完全降解（好氧降解更佳）的反应 具有显著作用。 图 2-3-1-1 垂直折流反应器（VBBR） 2.3.2.技术条件 在反硝化过程中以及在硝基苯降解过程中均大量需要电子（还原剂，即 COD 所示）所以会产生竞争作用，同时由于硝基苯对于生物存在毒性所以也会大大降 低反应活性。 通过改变 COD（碳源，供电子体）和氮含量的比例，在 COD/N（COD 和氮含量 以摩尔为单位）数值大于 6 时，可显著缓解硝基苯和硝酸盐降解的相互竞争作 用，并降低硝基苯毒性对微生物的影响，由此显著提高降解效率
图2-3-2-1硝基苯在混合环境下的降解情况 8641 Nitrate,混合 - Nitrate C/N=4 妇 2 Nitrate C/N=8 Time(h) 图2-3-2-2硝酸盐在混合环境下的降解情况 3.生物强化技术在污水处理上的应用 3.1.生物强化技术在工业污水处理上的应用 20世纪以来,随着石油化工和有机化学工业的发展,人们生产和使用的有 机物种类和数量不断增加,所需要处理的工业有机废水量也日益剧増。另外,随 着水资源的日益紧张和人们环境意识的提高,对排水水质的要求也越来越高。目 前,经过30多年的探索和发展,生物强化技术在各类工业废水的处理中得到了 广泛的尝试,部分研究成果已成功应用于工业时间,具体如下图。 废水类型处理工艺规模 处理效果 引用文献 石化废水 SBR 实验窒提高coD去除率,改善污泥沉降性能 UASB 实验室 加快系统启动速度 [63] 焦化废水 A/O 实验室 提高对喹啉的去除效果 [43] SBR 实验室 提高对树脂酸的去除效果 造纸废水 氧化塘 全规模 提高系统的抗pH波动能力 [6] 厌氧流动床实验室 提高COD去除率 制药废水传统活性污泥法全规模改善处理效果、提高抗冲击负荷能力 6 B30 印染废水 SBR 实验室 提高溴氨酸的降解效果 [65] A/O 全规模 提高废水的脱色效果 [66] 阿特拉津废水 MBR 实验室提高阿特拉津降解效果,缩短系统启动时间口刁 混合化工废水 SBBR 实验室 增强系统稳定性 [67 图3-1-1生物强化技术处理工业废水实例 3.2生物强化技术在城市污水处理上的应用 城市污水相对于工业废水,其处理的难度较小,但随着人们生活水平的提高、 化妆品、洗涤剂的广泛应用以及城市各工业、企业、商业的发展,使得大量油脂、 表面活性剂、氮磷营养物质及部分难降解有机物质进入城市污水管网中,另一方 面,城市污水的排放总量远远大于工业废水的排放总量,从而带来了巨大的问题 和挑战。生物强化技术对提高城市污水处理厂处理效果、耐冲击负荷能力及解决 系统运行过程中出现的异常问题有其他方法无法比拟的优越性
图 2-3-2-1 硝基苯在混合环境下的降解情况 图 2-3-2-2 硝酸盐在混合环境下的降解情况 3.生物强化技术在污水处理上的应用 3.1.生物强化技术在工业污水处理上的应用 20 世纪以来，随着石油化工和有机化学工业的发展，人们生产和使用的有 机物种类和数量不断增加，所需要处理的工业有机废水量也日益剧增。另外，随 着水资源的日益紧张和人们环境意识的提高，对排水水质的要求也越来越高。目 前，经过 30 多年的探索和发展，生物强化技术在各类工业废水的处理中得到了 广泛的尝试，部分研究成果已成功应用于工业时间，具体如下图。 图 3-1-1 生物强化技术处理工业废水实例 3.2 生物强化技术在城市污水处理上的应用 城市污水相对于工业废水，其处理的难度较小，但随着人们生活水平的提高、 化妆品、洗涤剂的广泛应用以及城市各工业、企业、商业的发展，使得大量油脂、 表面活性剂、氮磷营养物质及部分难降解有机物质进入城市污水管网中，另一方 面，城市污水的排放总量远远大于工业废水的排放总量，从而带来了巨大的问题 和挑战。生物强化技术对提高城市污水处理厂处理效果、耐冲击负荷能力及解决 系统运行过程中出现的异常问题有其他方法无法比拟的优越性
在实验室中,现有的生物强化技术已经可以成功降解油脂和阴离子表面活性 剂。 对于传统的活性污泥法,生物强化技术通过向污水处理系统中直接投加一种 或几种具有特殊作用的微生物,强化系统生物量及其对特定污染物的作用,来扩 大和改善系统性能。生物强化技术与传统活性污泥工艺结合,有望弥补传统工艺 的不足,强化其处理污染物的多功能性和耐负荷冲击能力 除此以外,生物强化技术也可以用于城市污水厂的扩建和改造,即在尽可能 少安装硬件和软件设施、节省工程费用和节约劳动力的前提下,采用生物强化技 术强化原有工艺,以满足水质和水量的要求 4.生物强化技术的优缺点 4.1生物强化技术的优点 (1)相比化学、物理方法处理污水,成本较低,仅需针对污染物分离、强化微 生物种类、数量,后续投入较少。 (2)效率高,有益于环保。微生物相当于生物工厂,转化效率高,且大多数污 染物经转化获得二氧化碳、水和氮气,能有效避免化学、物理法中中间产物多且 复杂的情况,处理效率更髙,且对环境比较友好,是一种可持续的处理方式 (3)操作简便。在针对处理特定种类污水的微生物培育成功后,后续操作要求 较低 (4)可持续性高。在污水处理过程中,生物强化技术可以改善污泥的质量,有 效消除污泥膨胀,减少污泥产量,这不仅可以改善出水的水质,也可减少污泥排 放和污泥处理的能耗 4.2生物强化技术的缺点 (1)生物菌剂商品化应用效果无法得到保证。由于污染环境及污染物的特殊性、 复杂性,商品化的菌剂并不一定能达到良好的处理效果,或者只能依赖反复的投 加。只有在充分把握菌剂的降解能力、污染物质的波动情况以及现场操作条件的 基础上,才有可能发挥菌剂的效能 2)即使在有针对性地采用高效降解微生物进行降解时,往往也不能达到预期 地污染物去除效果。由于实际地污水处理厂在运行过程中,其运行状况远不如实 验室规模的装置易于控制,所以实验室裝置的成功并不能保证实际污水处理厂的 成功 (3)在实验过程中,我们难以搞清楚微生物处理污染物的各个具体环节的原理 和反应产物,实验还不够严密。 参考文献: [1]生态修复_第八期_中国生态修复网 [2]全国POPs分布调査及典型流域表省略 DD Fs PCBs污染特征分析李尧 [3]持久性有机污染物_ POPs的危害及现状分析_陈晓娟 [4]硝基苯环境效应的研究综述_李俊生 [5]基于硝基苯代谢途径加速其生物降解_杨立辉 [6]生物菌剂的构建及其在污水处理中的生物强化效能_郭静波 [冂水体难降解有机物和氮素污染处理硏究—-硝基苯与硝酸盐的降解_黄虞晴 韩嘉琪
在实验室中，现有的生物强化技术已经可以成功降解油脂和阴离子表面活性 剂。 对于传统的活性污泥法，生物强化技术通过向污水处理系统中直接投加一种 或几种具有特殊作用的微生物，强化系统生物量及其对特定污染物的作用，来扩 大和改善系统性能。生物强化技术与传统活性污泥工艺结合，有望弥补传统工艺 的不足，强化其处理污染物的多功能性和耐负荷冲击能力。 除此以外，生物强化技术也可以用于城市污水厂的扩建和改造，即在尽可能 少安装硬件和软件设施、节省工程费用和节约劳动力的前提下，采用生物强化技 术强化原有工艺，以满足水质和水量的要求。 4.生物强化技术的优缺点 4.1 生物强化技术的优点 （1）相比化学、物理方法处理污水，成本较低，仅需针对污染物分离、强化微 生物种类、数量，后续投入较少。 （2）效率高，有益于环保。微生物相当于生物工厂，转化效率高，且大多数污 染物经转化获得二氧化碳、水和氮气，能有效避免化学、物理法中中间产物多且 复杂的情况，处理效率更高，且对环境比较友好，是一种可持续的处理方式。 （3）操作简便。在针对处理特定种类污水的微生物培育成功后，后续操作要求 较低。 （4）可持续性高。在污水处理过程中，生物强化技术可以改善污泥的质量，有 效消除污泥膨胀，减少污泥产量，这不仅可以改善出水的水质，也可减少污泥排 放和污泥处理的能耗。 4.2 生物强化技术的缺点 （1）生物菌剂商品化应用效果无法得到保证。由于污染环境及污染物的特殊性、 复杂性，商品化的菌剂并不一定能达到良好的处理效果，或者只能依赖反复的投 加。只有在充分把握菌剂的降解能力、污染物质的波动情况以及现场操作条件的 基础上，才有可能发挥菌剂的效能。 （2）即使在有针对性地采用高效降解微生物进行降解时，往往也不能达到预期 地污染物去除效果。由于实际地污水处理厂在运行过程中，其运行状况远不如实 验室规模的装置易于控制，所以实验室装置的成功并不能保证实际污水处理厂的 成功。 （3）在实验过程中，我们难以搞清楚微生物处理污染物的各个具体环节的原理 和反应产物，实验还不够严密。 参考文献： [1]生态修复_第八期_中国生态修复网 [2]全国 POPs 分布调查及典型流域表_省略_DD_Fs_PCBs 污染特征分析_李尧 [3]持久性有机污染物_POPs_的危害及现状分析_陈晓娟 [4]硝基苯环境效应的研究综述_李俊生 [5]基于硝基苯代谢途径加速其生物降解_杨立辉 [6]生物菌剂的构建及其在污水处理中的生物强化效能_郭静波 *[7]水体难降解有机物和氮素污染处理研究——硝基苯与硝酸盐的降解_黄虞晴、 韩嘉琪