污水中的硝化细菌研究进展[文献综述].doc

1、本科毕业论文 文献综述 环境 工程 污水中的硝化细菌研究进展 摘要： 经过长期的研究和反复实践操作，现在已经有物化法、生化法、物化加生化法等多种大类处理方法。而运用在污水处理厂的方法主要有 废水处理工艺种类繁多，其中以生物脱氮工艺最为常见，硝化细菌作为污水中的正常菌群，在污水处理系统中的有很大的作用。污水处理设备提供环境条件的各种物理、化学和生物因素都会直接影响到细菌的活性。因此细菌的数量变化可以评价水质的污染状况和污水系统的运行条件。通过调查某些污水处理厂的硝化细菌数量的变化和活性，可以为了解该污水处理厂的设备条 件、在污水处理厂收纳范围内污水中含氮污染物含量。同时 分离和筛选具有硫化作用的

2、功能性细菌，研究其生理功能和硝化能力，应用于污水除氮，有助于更好的保护环境。 关键词： 生物脱氮工艺；硝化细菌；意义；硝化能力 1、 污水中硝化细菌的研究现状 1.1 污水中的硝化细菌 硝化作用是自然界中氮素循环的重要环节 , 而硝化细菌在硝化作用中担任着重要的角色。硝化细菌大多数为专性化能自养细菌 , 也有一些是兼性自养菌 , 如维氏硝化杆菌。目前关于微生物分类有代表性的伯杰氏细菌手册 , 将氨氧化细菌（亚硝化细菌）和亚硝酸盐氧化菌（硝化细菌）归 为硝化杆菌科 (N itrobacteriaceae)。 硝化作用过程包括两个独立的阶段 :氨首先被氧化为亚硝酸；然后亚硝酸又被氧化为硝酸 1。

3、生活污水中主要由海洋亚硝化单胞菌 ( Nit rosomonas mari ne) 类、亚硝化螺菌属、欧洲亚硝化单胞菌 ( Nit rosomonas europaea) 和运动亚硝化球菌 ( Nit rosococcus mobilis) 以及维氏硝化杆菌在发挥作用 2。 1.2 硝化细菌的数量研究现状 此外，对于一些特殊类群的细菌，我国学者也已经进行了许多研究 ，例如 陈岭等用 PCR 技术研究了硝化池中氨氧化菌的 amoA 基因的多样性 3，孙寓姣等则用 FISH 等技术原位观察了废水生物脱氮反应器颗粒污泥中硝化细菌的空间分布 ,并用荧光实时定量 PCR 对 AOB 进行了定量化研究 4

4、。 1.3 硝化细菌与污水处理系统的关系 硝化细菌（ nitrifying）是一种好氧细菌，包括亚硝化菌和硝化菌。生活在有氧的水中或者砂层中，在氮循环水质净化过程中扮演着很重要的角色。 废水中氨氮的构成主要有两大类，一种是氨水形成的氨氮，一种是无机氨形成的氨氮，主要是硫酸铵，氯化铵等等。 共分 四种：有机氮 .氨氮 .亚硝酸氮 (NO2-)和硝酸氮 (NO3-)。而自然地表水体和地下水体中主要以硝酸盐氮 (NO3-)为主；高氨氮废水的一般的形成是由于氨水和无机氨共同存在所造成的；一般上ph在中性以上的废水氨氮的主要来源是无机氨和氨水共同的作用； ph在酸性的条件下废水中的氨氮主要由于无机氨所致

5、。污水中氮元素过多会对水质产生有害影响： 一是增加水中氮化物含量，在有氧条件下氧化成亚硝酸盐对鱼类有危害作用；二是会造成水体的富营养化，引发 赤潮 或 水华 。 在对生活污水中硝化细菌的研究中，硝化细菌和反硝化细菌 成为影响 污水处理系统的重要调节者之一。硝化细菌 能利用氨化作用产生的氨氮，先将氨氮氧化成亚硝酸氮，再把亚硝酸氮氧化成硝酸氮。反硝化细菌在通气不良，缺少氧气的条件下，能把硝酸氮还原成氮气。 2、处理生活污水所用到的工艺 经过长期的研究和反复实践操作，现在已经有物化法、生化法、物化加生化法等多种大类处理方法。而运用在污水处理厂的方法主要有 废水处理工艺种类繁多，其中以生物脱氮工艺最为

6、常见，生物脱氮工艺主要分为传统生物脱氮工艺和生物脱氮新工艺。 2.1 传统生物脱氮工艺 2.1.1 传统生物脱氮工艺机理 微生物去除 氨氮过程需要经历两个阶段，第一阶段是硝化过程。第二阶段为反硝化过程。生物硝化过程为自氧菌 (亚硝酸菌和硝酸菌 )在有氧的条件下将氨氮(NH3 N) 转化为亚硝酸氮 (NO2 N)和硝酸氮 (NO3 N) 的过程，这两种自养菌统称为硝化菌，它们都是严格的专性好氧菌，必须在有氧条件下才能进行硝化反应。 生物反硝化是指废水中的硝态氮和亚硝态氮在无氧或缺氧的条件下被反硝化菌还原转化为 N2的过程，反应过程中必须有有机物的参与，它们在反应中作为电子供体被氧化而提供能量，反

7、硝化菌是一种兼性异养菌，但氧气的存在会抑制硝 酸盐的还原 :一方面氧的存在会抑制硝酸盐还原酶的形成 ;氧可作为电子受体，阻碍硝酸盐的还原，因此反硝化反应必须在缺氧或无氧的条件下进行。 2.1.2 A2/O生化处理法 厌氧 /缺氧 /好氧工艺 5是在 A/O 工艺的基础上改进而发展起来的工艺。脱氮采用硝化、反硝化的原理。该法在 A/O工艺中增加一个厌氧段可减轻后续反硝化一硝化系统中的 NO3 N 的积累，由于厌氧 ( 酸化 ) 作用将一部分难降解的有机物转化成为易降解的有机物，提高了可生化性，为缺氧段提供了较好脱氮环境。 优点：较好的同步去除有机物、脱氮、除磷功能； 处理效果良好，水力停留时间小

8、占地较少；不易发生污泥膨胀 。缺点：不能同时保持较好的脱氮和除磷的效果； 设备多，能耗大，运行管理复杂。 2.1.3 序批式活性污泥法 (SBR) 间歇式活性污泥法 6即序批式反应器是 20 世纪 70 年代以来升发的集生物降解和脱氮除磷于一体的新技术，它兼均化、初沉、生物降解 . 终沉等功能于一池，不需二沉池和污泥回流系统，结构形式简单，运行方式灵活多变，是一种间歇运行的废水处理工艺。与普通话性污泥法不同之处在于 SBR法的运行工况为间歇操作，一传典型流程包括进水、反应、沉淀、排水、闲置等 5 个阶段。通过自动控制装置完成工艺操作。可以方便灵活地进行缺氧一厌氧一好氧的交替处理过程。 缺点在于

9、操作较为繁琐，不方便管理；进水水质对 SBR反应有较大的影响，微生物易死亡；虽然在除氮上有较大功效，而对有机物的含量并无多大影响。 2.2 生物脱氮新方法 近年来的许多研究表明硝化反应不仅由自养型细菌完成，某些异养型细菌也可以进行硝化作用 ;反硝化不只在厌氧条件下进行，某些细菌也可在好氧条件下进行反硝化 ;而且，许多好氧反硝化细菌同时也是异养型硝化细菌 (如 Thiosphaera pantotropha 菌 )，可以把 NH4+ 氧化成 NO2 后直接进行反硝化反应。生物脱氮技术在概念和工艺上的新发展主要有 :短程反硝化 7( shortcut nitrification denitrifi

10、cation)、 同时硝化反硝化 8( simultaneous nitrification denitrification SND) 和厌氧氨氧化 9(Anaerobic AmmoniumOxidiation ANAMMOX)等。 2.2.1 同时硝化反硝化 目前，对 SND 生物脱氮技术的研究主要集中在氧化沟、 SBR 等反应器系统。Rittmann 等在工业规模的氧化沟中成功地实现了 SND，并通过实验证实了反硝化反应可在絮体内部缺氧区内连续进行，通过控制 DO 浓度可以实现在同一反应器中的 SND。 Gupta 等证实了 Thiosphaena pantotropha 细菌具有好氧反硝

11、化的功能，并指出 SND 是最经济的脱氮方法，结果表明，在氮负荷为 9. 36gN/m3 d， HRT 为 2 d的条件下，氮的去除率可达 90%以上。 Daigger 等对 6 个采用分段、闭环沟道的 Orbal 氧化沟工艺运行数据进行了分析评定，确定了 该工艺中 SND 的发生程度，指出 Orbal 氧化沟中很容易发生 SND，并进一步证实了微环境理论对 SND 解释的正确性。 在 SND 工艺中，硝化与反硝化反应在同一个反应器中同时完成。所以，与传统生物脱氮工艺相比， SND 工艺具有明显的优越性，主要表现在：节省反应器体积；缩短反应时间；无需酸碱中和。 2.2.2 厌氧氨氧化 厌氧氨氧

12、化是指在厌氧条件下，微生物直接以 NH4+ 为电子供体，以 NO3 、NO2 为电子受体，将 NH4+、 NO3 或 NO2 转变成 N2的生物氧化过程。 周少奇等从理论上证明并指 出：厌氧氨氧化需一定量 CO2碳源，这说明ANAMMOX过程是在自养微生物作用下完成的； ANAMMOX 反应以 NH4+ 作为细胞合成的氮源时需要消耗一定量的碱度；所有 ANAMMOX 反应都有 H+ 产生，所以，反应过程会出现 pH 降低的现象；微生物具有以氨氮或硝态氮作为细胞合成的氮源两种可能。 2.2.3 短程硝化 -反硝化 短程硝化 反硝化技术的理论基础是生物脱氮原理，生物脱氮主要有硝化和反硝化 2 个过

13、程。硝化过程可以分为 2个阶段，即 : 氨氮氧化菌 ( AOB) 将氨氮转化为亚硝酸盐 (NO2 -N)，亚硝酸盐氧 化菌 (NOB) 将 NO2 氧化为 NO3 。短程硝化 反硝化技术是把硝化反应控制在 NO2 阶段，直接以 NO2 作为氢受体进行反硝化。 短程硝化 反硝化技术具有以下优点：相对于活性污泥法，硝化阶段可节省 25%的好氧量，降低能耗；反硝化阶段所需碳源减少 40%，反硝化率提高，这对处理高浓度氨氮焦化废水具有特别意义；厌氧反硝化阶段剩余污泥量减少；HRT 较短，反应器的容积减少；减少了投碱量，可以节约外加酸碱中和试剂用量。实现短程硝化与反硝化技术的关键是抑制硝酸菌的活性，其标

14、志是获得稳定高效的 NO2 的积累，即亚硝化率 50%。而缺点是不能将硝化反应稳定地控制在亚硝化阶段，抑制硝酸菌的活性。 3 细菌学的研究进展和意义 3.1污水细菌多样性的研究进展 3.1.1 国内细菌学研究现状 黄珏在硝化细菌的分离和鉴定中采取海水分离到的硝化细菌经过 5天发酵培养后硝化强度为 8 57 mg L d-1左右 10；李君文等采用硝化细菌选择培养基从土壤中筛选的 10株细菌其硝化强度在 4 4-5 0 mg L d-1之间 11；张玲华等用养猪场污水处理站中的硝化污泥分离的硝化细菌在试验中的硝化强度在 5 710 8 mg L d-1之间 12：赵兴利等采用乙烯醇硼酸包埋固定化

15、法驯化活性污泥得到的固定化硝化菌颗粒其硝化强度也在 10 3 mg/L d-1以上 13；谭佑铭等在升流式厌氧污泥床反应器中采用聚乙烯醇包埋活性污泥法来筛选硝化细菌去除水中的硝酸盐氮；其脱氮率可以达到很好的效果 14；王鸿泰等研究了池塘中亚硝酸盐对草鱼的毒害作用 15； C Schuster等用硝化细菌处理封闭循环养殖水系统，亚硝酸根含量比对照降低 77 16； H Shah和 J P Obbard等用固定化的硝化细菌处理龙虾养殖废水，获得了 理想的效果 17； Suny Koo Kim等选择了合适的固定化硝化细菌且具有经济利用价值的固定化材料，他们使用混合固定化的硝化细菌处理循环养殖水，获得

16、了 70mg L d-1的硝化强度 18； N sauthier等使用硝化细菌生物滤池处理循环养殖水，硝化强度达到 24 1mg/L.d-119；R Oromman等用生物滤池也得到了很好的处理的结果 20。 3.1.2 细菌学研究方法的的进展 传统的计数方法有：平板计数法、 最大可能数法 MPN、 显微镜直接计数法 (表面荧光显微镜观测法、透射电子显微镜观测法 、 流式细胞仪计数法） 调查细菌的群落组成和优势菌属时，传统上先平板培养，然后进行生理生化鉴定，这种方法不仅耗时、工作量大，而且结果有一定的主观性。 分子生物学的出现弥补了传统方法的局限，逐渐被应用在对海洋微生物多样性、结构以及进展情

17、况研究中 ,并已经形成一个新兴的学科分支 微生物分子生态学。分子生物学计数在海洋微生物多样性研究中的应用主要有：序列分析和指纹图谱、分子标记、分子探针等方法。序列分析和指纹图谱：建立 rRNA 克隆文库，对获得的克隆进行测序 , 以揭示样本中的生物多样性 ; 指纹图谱是为了对大量样本中的 微生物多样性进行总体评价 ; 特异性探针通过点印记技术或原位杂交技术，是为了证实样本中是否存在某种已知的物种 21。 在研究微生物群落生态学时，微生物的纯培养与微生物分子生态学能够相互促进，相互补充，从而加深对微生物的研究，因此建立一类把分离培养技术和分子生态学手段想结合的方法，检测具有特定生态功能的细菌种群

18、的多样性以及研究微生物与环境之间的的关系有重要的意义 22。 3.2 细菌在污水系统监测和评估中的指示作用的研究 3.2.1常用的细菌数量监测指标 常用的细菌数量监测指标有 :用细菌数量监测赤潮 的发生；利用致病性弧菌数监测养殖业污染；利用石油降解菌数监测海洋石油污染等 23。 3.3 细菌学研究的现实意义 据监测，目前全国多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染，且有逐年加重的趋势。日趋严重的水污泥不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾，对我国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响，而且还严重威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的健康 。 现在的污水处理一般都采用传统的污水处

19、理工艺，采用絮凝沉淀、砂滤系统，设计投加氯化铁药剂于 A2/O 系统终沉池配水井中，强化生物除磷，降低终沉池出水 中磷的浓度。沉淀后出水经提升泵站至砂滤池，采用气水反冲洗滤池，过滤后水至清水池，加压后进入回用水管网；我国虽然已建成污水处理厂 100多座，但是还远远不能满足城市工农业生产和人民生活的需要，表现在某一个城市本身的处理率不高，也就是污水处理的量不够，还表现在大城市已开始着手进行污水处理厂建设的规划和建设计划工作；但在中小城市，特别是在西北部中小城市还没有将污水处理的规划建设纳入城市发展的议程。 有的地区经处理的再生水直接用于农业灌溉，还过分强调除磷脱氮，采取 A/A/O 法，增大了建

20、设投资也提高了日常运转成本，还有一 些个别地区在建设污水处理厂时，看当时风刮什么工艺就采取什么工艺； 污水经过各种不同工艺处理后，出水达到了国家规定的排放标准，但是在污水处理过程中奖惩的污泥却未能得到妥善的处置，还会给环境造成二次污染；污水处理厂的进水池，格栅间，沉砂池，初沉池及污泥处理系统的储泥池，脱水机房（除离心机外）都会产生严重的臭气，既影响操作运行人员的身体健康，也给周围居民生活环境带来污染。 4 硝化细菌在环境治理应用中的展望 通过对硝化细菌的数量上的研究，对群落丰度的影响，来探讨调查污水的污染状况及其污水处理系统生态效应，以便为污水 处理系统污染防治和生态环境保护奠定基础，同时为调

21、查污水处理系统水体污染研究和病害防治提供科学的依据，有效防治和减少废水致病菌对人类的危害。 分离和筛选得具有硝化作用的功能性细菌，研究其生理功能和硝化能力，应用于水体的生态修复，以达到治理和恢复生活污水污染区生态功能的目的， 保障水资源的可持续利用。 参考文献 1赵海萍 .渤海湾海域硝化、亚硝化细菌的生态研究 J.海洋技术 ,2005,24(4):44-49. 2马英 . 硝化细菌分子生态学研究进展 J.中国水产科学， 2007,14（ 5）： 872-879. 3陈岭 ,明镇寰 . 硝化池中氨氧化细菌 amoA 基因的检测及其多样性研究 J . 浙江大学学报 :理学版 ,2004 ,31 (

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