硝化细菌对含铀高氨氮废水处理研究

张静敏，郑 英，程 浩，孟运生，刘 辉

(核工业北京化工冶金研究院，北京 101149)

1 试验部分

1.1 试验菌种和培养基

硝化细菌菌种由废水处理厂活性污泥富集培养而来，并保存于冰箱中。培养基采用硝化细菌的富集培养基[4]，培养基配方见表1。

表1 培养基配方 g/L

1.2 试验仪器

主要试验仪器：THZ-100B型上海一恒恒温振荡培养器；PHS-3C型雷磁pH计；JPB-607A型雷磁便携式溶解氧仪；DR2000型哈希分光光度计；BT-100型雷弗蠕动泵；自制模拟废水硝化试验设施(主体容积约3.5 L)[5]。

1.3 试验方法

1.3.1 温度对硝化细菌降解氨氮的影响

取6份200 mL培养基，接入1 mL浓缩菌液，在不同温度条件下，振荡培养一定时间，每天测量培养液的氨氮浓度、补水恒重并以碳酸氢钠和稀硫酸调节培养基pH为7.2，比较各温度条件下细菌的活性。

1.3.2 pH对硝化细菌降解氨氮的影响

取5份200 mL无NaHCO3的培养基，分别接入1 mL浓缩菌液，用30 g/L的H2SO4和200 g/L的NaOH调节培养液的pH，称重并在30 ℃下进行振荡培养，每3日进行补水和测量氨氮浓度1次，每日调节pH，考察pH对硝化细菌降解氨氮的影响。

1.3.3 溶解氧对硝化细菌降解氨氮的影响

先取300 mL培养基加热至沸腾，5 min后趁热倒入培养瓶内以塑料膜封口，待冷却后接种1 mL浓缩菌液并测量溶解氧浓度，放在30 ℃下静置培养，编号为Ⅰ号。再取2份300 mL培养基，分别接种1 mL浓缩菌液，2瓶皆以透气棉塞封口，一瓶放置在30 ℃下静置培养，编为Ⅱ号；另一瓶则在30 ℃下振荡培养，编为Ⅲ号。每日监测溶解氧浓度(DO)和氨氮浓度。

1.3.4 铀对硝化细菌降解氨氮的影响

取一定量的黄饼溶于100 g/L Na2CO3溶液中，得到5.43 g/L的铀溶液。分别取1.84、3.68、5.52、7.37 mL的铀溶液，加水至100 mL，按培养基配方补加各种元素，得到含铀0.1、0.2、0.3、0.4 g/L的培养基；然后分别加入1 mL浓缩菌液，与空白样同时置于摇床内，在30 ℃、150 r/min条件下振荡培养，氨氮质量浓度小于15 mg/L时结束试验。

1.3.5 模拟废水连续处理试验

待处理的含铀废水通常ρ(U)≤5 mg/L，因此往培养基中加入铀溶液，配制ρ(U)=5 mg/L的模拟废水，考察在连续进液条件下，硝化细菌对废水的处理情况。废水中初始氨氮质量浓度为103 mg/L，进液速度约为450 mL/d，水槽内添加纤维填料、加热棒和温度计；引入1 L摇床培养菌液作为菌种，放置2个鼓气头尽量使气泡扩散到整个水槽，每天监测pH 1次，每3天监测出水氨氮浓度1次，氨氮质量浓度小于15 mg/L时启动期结束。

在启动期后，根据出水氨氮浓度的情况，逐渐提高进液速度和氨氮浓度，观察硝化细菌在高浓度氨氮条件下的降解效果。

2 试验结果及讨论

2.1 温度对硝化细菌降解氨氮的影响

分别在5、15、20、25、30、35 ℃条件下，考察温度变化对硝化细菌氨氮降解率的影响，结果如图1所示。

从图1可看出，在5～30 ℃，硝化细菌降解氨氮的速度随着温度的升高而加快；超过30 ℃后，降解氨氮的速度有所下降。这说明硝化细菌生长的温度范围较宽，在5～35 ℃下都能生长，30 ℃最为适宜；在5 ℃虽然能够生长，但生长速度缓慢，降解氨氮速度较低。

2.2 pH对硝化细菌降解氨氮的影响

分别在pH为3、5、7、9、10的条件下，考察pH变化对硝化细菌降解氨氮的影响，结果如图2所示。

由图2可看出：pH<7时，硝化细菌的活性受到很明显的影响，pH低至3时，细菌的活性很微弱；而当pH>7时，硝化细菌的活性有了明显的提升，甚至到pH=10时，都表现出了很强的氨氮降解能力。硝化细菌的最适生长pH为7左右，但试验中pH=9的试验组,最快完成了降解氨氮。这是由于硝化细菌降解氨氮的过程中会产生酸，使培养液的pH下降到7左右，成为了最适生长条件；而pH=7的试验组，由于降解过程产生的酸而使培养液的pH降到7以下，对硝化细菌的活性产生了抑制。由此可见，溶液的pH对硝化细菌有很强的影响，中性或偏碱性的溶液都适合硝化细菌的生长；但是偏酸性的溶液会抑制硝化细菌的活性，甚至使硝化细菌的生长速度降低。

2.3 溶解氧浓度对硝化细菌降解氨氮的影响

废水中溶解氧的浓度对硝化细菌降解氨氮的影响见表2。

表2 溶解氧对硝化细菌降解氨氮的影响

从表2可看出：3个样品的DO以Ⅰ号最低，Ⅱ号次之，Ⅲ号最高；随培养时间的延长，3个样品的DO都变化不大，但氨氮浓度均逐步降低。这说明无论溶解氧浓度高低，硝化细菌均有活性。虽然Ⅱ号并未隔绝空气，但在静置条件下降解氨氮的效果依然不佳。Ⅰ号的氨氮浓度降低到一定水平后，基本维持稳定；与Ⅲ号相比，除去隔绝空气外，就是放置方式与Ⅲ号不同。因此从第5日开始，将该试验中的Ⅰ号分出一半进行振荡培养(Ⅳ号)，并重新计算培养天数，观察在振荡培养条件下细菌降解氨氮的能力是否有所变化，试验结果见表3。

在经过5 d的振荡培养后，Ⅰ号的氨氮浓度降到了15 mg/L以下，与之前静置时相比，同样的时间内氨氮浓度明显降低。由此可见，较低的溶解氧浓度对细菌活性的影响有限，≥0.8 mg/L的溶解氧浓度对细菌活性基本没有影响。在鼓气或振荡搅动条件下，使得溶液中细菌与氨氮均匀接触，即使体系中溶解氧很低，细菌也可以发挥作用。

表3 培养方式对硝化细菌降解氨氮的影响

2.4 铀浓度对硝化细菌降解氨氮的影响

分别在铀质量浓度为0.1、0.2、0.3、0.4 g/L条件下，考察铀浓度变化对硝化细菌降解氨氮的影响，并和空白试验对比，结果如图3所示。

由图3可看出，培养基中0.1～0.3 g/L的铀对硝化细菌的生长具有微弱的促进作用，而0.4 g/L的铀则有比较明显的促进作用。一般铀水冶废水中的铀浓度小于5 mg/L，远低于试验值，因此废水中的铀对硝化细菌的活性无太大负面影响，不会妨碍硝化细菌在含铀废水中的应用。

2.5 废水处理模拟试验中出水氨氮浓度的变化

在静态试验研究的基础上，设计此试验考察连续进液条件下，硝化细菌对废水中氨氮的处理效果。试验结果如图4和表4所示。

在培养的38 d内，试验出水的氨氮浓度一直高于15 mg/L，此时反应器一直处于启动期；直到第39天，出水的氨氮浓度达到了标准，此时启动期结束。反应器启动时间长主要是因为硝化细菌本身传代时间长，因此在后期运行过程中需要关注反应器的运行条件，否则硝化细菌生长的波动会使整个系统花费长时间来恢复。

由表4可看出，到试验结束时，进液的氨氮质量浓度已达到550 mg/L，速度为2.6 L/d，出水的氨氮质量浓度为3.5 mg/L。在高浓度的氨氮和铀的存在下，硝化细菌的活性依然很好，模拟废水经过处理达到了国家排放标准的要求。

表4 运行期氨氮浓度随时间的变化

3 结论

温度、溶解氧浓度、铀浓度对硝化细菌的生长影响不大，硝化细菌对温度的适应范围较宽，在5～35 ℃下皆可生长，但是生长速度有所不同；≥0.8 mg/L的溶解氧对其无影响，但溶液的均匀性会影响其降解氨氮的效率；pH对硝化细菌的影响最大，pH<7时，硝化细菌的活性会随溶液pH的降低而降低;0.1～0.3 g/L的铀对硝化细菌的生长有微弱的促进作用，0.4 g/L的铀对硝化细菌生长有明显的促进作用。

模拟废水处理结果表明，低浓度铀对硝化细菌无负面影响。在进液氨氮质量浓度为550 mg/L、进液速度为2.6 L/d时，出液的氨氮质量浓度为3.5 mg/L。只要控制好溶液pH，硝化细菌可以应用于含铀高氨氮废水的处理。