生物工程论文英语文献

铵丰富废水 美国范栋勤， . Jetten *和.凡雷赫特** 生物工程系，应用科学学院，荷兰代尔夫特大学。技术， Julianalaan 67 ，荷兰 2828年荷兰代尔夫特（电子邮箱： ） *当前地址：微生物学系科学系，大学。奈梅亨，荷兰6525 ED镜头奈梅亨的 荷兰 **通讯作者 摘要铵的治疗丰富的废水，如污水污泥沼气池，可显着 当新的改进过程，介绍了生物技术。本文结合部分 硝化过程（硝化® ）和缺氧氨氧化（厌氧氨氧化® ）工艺处理 氨丰富进水评价。在此合并过程中研究了污泥回收利用 酒从污水处理厂鹿特丹Dokhaven 。沙龙过程操作稳定超过2 多年来在十升CSTR中连续曝气，以HRT为1天。氨水在污泥白酒 转换为53 ％ ，亚硝酸盐只。在测试期间没有形成硝酸盐观察。出水的 沙龙的过程是非常适合作为进水的厌氧氨氧化反应器。在厌氧氨氧化过程 经营作为颗粒污泥SBR工艺过程。 80 ％以上的氨转化为二 天然气负荷的 kgN/m3每天。 Planctomycete样细菌为主的混合社会 厌氧氨氧化反应器，只有一小的人口比例由好氧氨氧化 细菌。这表明，氨氧化菌在污水沙龙进程并未 积聚在SBR法。测试期间表明，合并沙龙厌氧氨氧化系统可以工作 稳定和长期的进程是准备全面实施。 关键词部分硝化;亚硝酸盐;好氧和厌氧氨氧化;污泥酒;沙龙 厌氧氨氧化 导言 氨是一种最重要的组成部分废水已被删除 在废水可以出院。这主要是实现了完整的氧化 硝酸盐，和随后的硝酸盐还原为二气缺氧条件下 牺牲的COD 。采用氧气（空气）进入废水的氧化 铵需要大量的能源。此外，大量的COD本是 废水往往是有限的，使购买中COD的形式甲醇必要。 由于长期污泥硝化所需的年龄，大型反应堆（面积要求） 是必要的。其中的一些限制，可能会绕过两个应用 最近开发的新生物技术的进程：部分硝化的氨 亚硝酸盐的快速增长的硝化和反硝化作用的亚硝酸盐，以二天然气使用氨水 作为电子供体。这样氮去除以最小的COD和能源。 阿脱氮工艺极少使用能源和COD 图1中的一个基本流程拟议沙龙厌氧氨氧化的概念，已部分 在污水处理厂实施Dokhaven ，荷兰鹿特丹，是描绘。那个 污泥循环水通常含有15 ％的工厂的总负荷只有1 ％的 水力负荷。氨水（ gNH4氮/升）在污泥酒采用删除 部分氧化铵为亚硝酸盐，亚硝酸盐是whereafter的denitrified铵 作为电子供体。这两个系统必不可少的这些进程最近已 水科学和技术：第1期第44卷第153-160 ©纽伦堡出版社2001年 153 在我们的开发部：沙龙® ®和厌氧氨氧化过程（范雷赫特 和Jetten 1998年） 。这样，氧气要求脱氮减少 60 ％ ，没有需要的化学需氧量，污泥产量边缘化，净二氧化碳排放量 大大减少。 氨氧化没有生物质能保留 沙龙进程（ Hellinga等。 ， 1997年， 1999年）的运作没有任何生物保留。 这意味着，污泥龄（广播电视）等于水力停留时间（ HRT ） 。在 这样一个系统出水浓度只有依靠增长率（ 1/SRT ）的 细菌参与，和独立的进水浓度。在操作过程中的 沙龙过程中温度超过25 ℃ ，快速增长的铵oxidisers 选定。但是，这些生物体有低亲和力的铵（亲和常数 20-40 mgNH4氮/升） 。在实践中，这将导致在应用微生物，以废水 相对较高的铵浓度（ ñ 50-100毫克/升） 。因此，沙龙 过程是最适合处理废水具有高浓度铵（ “ 500毫克 ñ /升） ，而不是出水水质的关键。 沙龙进程的污泥消化废水都是在30-40摄氏度的 微生物生物量没有任何保留，因此，稀释率可设置这样一个利率 硝酸铵氧化剂的增长速度不够快留在反应堆，而亚硝酸盐氧化菌 正在洗出。沙龙一直在经营过程中的实验室（ 2升反应堆）上 消化废水超过2年。这是直接扩大到全部规模（ 1800立方米） 在那里，它正在按照预期（穆尔德等。 ， 2001年） 。 混合微生物群落在沙龙生物量进行了调查 分子生态技术（ Logemann等。 ， 1998年） 。总DNA提取 从生物样品及用于PCR扩增引物，具有普遍的细菌。 的PCR产物被用来建造一个基因库。分析表明，克隆 占主导地位的克隆（ 69 ％ ）是非常相似的硝化产碱杆菌。这是质量 和定量证实了两个独立的微观方法。存在 约50-70 ％的氨氧化细菌表明使用16县rRNA基因 有针对性的荧光寡核苷酸探针（ NEU653 ）具体的硝化物种。 硝化产碱杆菌已被描述的文学作为一个快速成长的硝化细菌能够 在高增长铵和硝酸盐的浓度。美国范栋勤等人。 154 图1执行沙龙厌氧氨氧化工艺在污水处理厂鹿特丹Dokhaven 沙龙进程产生氨，亚硝酸盐混合物 当沙龙反应堆是用于提供饲料的厌氧氨氧化过程中只有50 ％ 对铵需要转化为亚硝酸盐： 硫酸铵 + + HCO3 - + 氧气→ 硫酸铵 + + 二氧化氮 - +二氧化碳+ 水（ 1 ） 这反应化学计量意味着没有额外增加的基地是必要的，因为污泥 酒造成厌氧消化一般将包含足够的碱度（在 形式的碳酸氢钠） ，以弥补生产的酸如果只有50 ％的硝酸铵是 氧化。有可能产生50:50混合铵和亚硝酸盐的 沙龙一直在评估过程中广泛的实验室系统，污泥酒 从鹿特丹作为污水处理厂进水。结果（图1 ，表1 ）表明，事实上 一个稳定的转换是可能的。该氧化铵53 ％ ，亚硝酸盐在千克氮 负荷每立方米每天，没有任何需要的pH值控制。氨氧化细菌的 耐受高浓度的亚硝酸盐（ “ 克二氧化氮氮/ L时，在pH 7 ） 。 对铵/亚硝酸盐比出水沙龙过程可以灵敏 受不断变化的反应pH值和之间。以这种方式准确率 充分脱氮厌氧氨氧化过程中可以得到。在实验 期间，数个成功的测试进行（第一阶段3和5 ）的可能性进行评估 使用pH值的控制方法设置所需的铵/亚硝酸盐比率 美国范栋勤等人。 155 表1转换沙龙反应堆在测试期间。进水是centrate的 消化污泥离心机在污水处理厂鹿特丹Dokhaven （水力停留时间=广播电视= 1天） 参数机组稳态运行共计期间（ 240四） 进水氨氮kg/m3 ± ± 进水氮氧化物kg/m3 0 0 废水氨氮kg/m3 ± ± 废水二氧化氮氮kg/m3 ± ± 废水硝态氮kg/m3 0 0 pH值 ± ± NH4 - N的转化％ 53 49 氮转化kg/m3/d ± ± 图2硫酸铵转换沙龙反应器连续运转。水力停留时间和广播电视人 双方一天。期间1 ：启动期，期间2,4和6稳态运行withot pH值控制，周期3 5测试期间，评估影响反应堆的pH值对转换。 （十：氨氮的; ö ： NH4 - N的输出; • ：二氧化氮氮出） 出水。这一控制的原则下，恒化器系统的使用：在不断稀释 利率底物浓度的污水将不变。它已经表明，氨，而 然后铵 +是积极基板（ Hellinga等。 ， 1999年） 。如果pH值的增加，不断 氨含量的手段降低铵水平。即通过提高pH值的数量 废水中的铵下降迅速。结果表明：在3日和5日期间的确实是一个 在pH值稍有变化已经导致了大量的改变出水铵/亚硝酸盐的比例。 没有控制的转换已经是一个总的“ 90 ％可以得到，因此值得怀疑 是否额外清除了pH值控制在经济上是值得的。 在厌氧氨氧化过程 在厌氧氨氧化过程是一个过程，其中缺氧条件下转化为亚硝酸盐 二天然气铵作为电子供体： 硫酸铵 + +二氧化氮 - →氮气+ 2水（ 2 ） 这种细菌的厌氧氨氧化催化反应是自养，这意味着，亚硝酸盐可 转换为二气，而无需使用化学需氧量或增加外部甲醇 （ Jetten等。 ， 1998年） 。在厌氧氨氧化过程中被发现存在一个试验性工厂安装 的精神，锦（穆尔德等。 ， 1992年， 1995年） 。生物性质的过程可以 表明自厌氧氨氧化活性灭活由伽马射线照射， 加热试验厂污泥或孵化各种抑制剂（ Jetten等。 ， 1998年） 。 细胞可逆性抑制氧气浓度低至 ％空气饱和度 （ Strous等。 ， 1997年， Jetten等。 ， 1998年） 。此外有人指出，亚硝酸盐 首选的电子受体的进程。 细菌负责进程已丰富的序批式反应器 在合成培养基中铵，亚硝酸盐和碳酸氢钠（ Strous等。 ， 1998年， 1999年） 。增长速度（倍增时间11天）和成长率（ 金视/ gNH4 - n ）的生物体是非常低的。明显的优势的厌氧氨氧化过程，因此 低污泥生产。然而，一个有效的系统，如生物量保留 SBR系统的使用将有必要保持所有的厌氧氨氧化反应器中生物量和 只要启动时间将需要生产足够的生物量。具体的高度最高 氮消耗率（ 肾炎/ ） ，非常高的亲和力氨水和 亚硝酸盐（报表“ 毫克ñ / L ）和颗粒增长使高效生物质能保留， 使设计的非常紧凑的装置成为可能。 先前的研究表明，一些硝化物种也能 氨氧化与亚硝酸盐作为电子受体。缺氧或氧气限制 条件下的反应速率小于肾炎/ （博克等。 ， 1995年; Jetten 等。 ， 1999年;郐， Verstraete ， 1998年;施密特，博克， 1997年;施密特，博克， 1998年; Zart ， 博克， 1998年） 。在厌氧氨氧化活性的我们的文化远高于这一比例。 此外，我们的文化占主导地位70 ％或以上的一个morphotypical微生物。 结果表明有三个属性的成员在共同的订单 Planctomycetales ：细胞分裂的萌芽，内部细胞条块分割的 在场的crateriform结构的细胞壁，以及存在的血脂异常 膜（ Strous等。 ， 1999年） 。基于的16S RNA分析的暂定名称 Brocadia Anammoxidans已经提出了作为负责任的有机体的厌氧氨氧化 进程。 最近大量的氮损失（表2 ）报告了几个污水处理 系统（海尔默和艺术， 1998年; Hippen等。 ， 1996年;西格里斯特等人。 ， 1998年，施密德等 基地。 ， 2000年） 。拥有非常高氮负荷和有限的空气供应，大量的 氨损失气体氮化合物。在这样的系统条件可能预先美国范栋勤等人。 156 韦尔在这两个硝化和厌氧氨氧化细菌可以共存 （施密德等人。 ， 2000年） 。借助于具体杂交探针经确定 厌氧氨氧化类细菌中存在大量的这些进程。只有在 微反应器被发现大量常规硝化。这些意见 表明，厌氧氨氧化可能是普遍的性质和可 可从许多不同的来源。 可行性研究 在最近的可行性研究报告（ Strous等。 ， 1997年）取消铵从污泥 沼气池废水进行了调查与厌氧氨氧化过程。这项研究的结果 表明，化合物中的沼气池污水没有产生不利影响厌氧氨氧化 污泥。 pH值（ ）和温度（ 30-37 ℃ ）优化的进程良好 的范围之内的价值预计为沼气池废水。实验室实验 规模（ 2升）流化床反应器表明，厌氧氨氧化污泥能力 氨和亚硝酸盐去除高效沼气池的污泥污水。氮 负荷厌氧氨氧化流化床反应器，可提高由千克Ntot/m3d 公斤Ntot/m3d 。由于亚硝酸盐的限制，最大的能力没有达到。在 实验合成废水，价值观五点一公斤Ntot/m3d已获得 （ Jetten等。 1998年） 。 相结合，厌氧氨氧化过程和部分硝化（沙龙） 进程已成功试射利用污泥消化池出水。沙龙反应堆 经营未经pH值控制的总氮负荷约公斤N/m3每天。 对铵在沼气池污水污泥转化为53 ％ ，而pH值 控制（表1 ） 。这样一铵，亚硝酸盐混合物适合厌氧氨氧化 过程产生的。出水沙龙反应堆作为进水的 厌氧氨氧化序批式反应器。亚硝酸盐在有限的厌氧氨氧化反应器所有亚硝酸盐 删除，剩余铵依然存在。在测试期间的氮负荷 公斤ñ每天每立方米（表3 ） 。活动达成价值高达千克氮每公斤 干体重每天。 一个关键方面的可行性研究是可能的影响，生物量 （硝酸铵氧化剂和污泥中的细菌酒）在进水的厌氧氨氧化 厌氧氨氧化过程的进程。稍有积累的淤泥，进水 在厌氧氨氧化反应器可产生不利影响的厌氧氨氧化过程。净生产 的厌氧氨氧化细胞低和积累量的影响将淡化 厌氧氨氧化生物量显着。 FISH分析表明，大多数的细菌 在厌氧氨氧化反应器的厌氧氨氧化型，只有少量的硝化原产 从沙龙的过程，可检测。此外数额铵 氧化细菌在厌氧氨氧化出水和进水了比较。这表明 该洗出量从沙龙系统（经营无生物 美国范栋勤等人。 157 表2报告厌氧氨氧化活性和存在planctomycete像厌氧氨氧化细菌 系统进水条件鱼类神经/ Amx参考 红细胞废水O2 -的有限+ / +西格里斯特等人。 1998年 红细胞渗滤液O2 -的有限+ / + Hippen等。 1996年 赫尔默1998年 滴滤铵中O2 -的有限+ / +施密德等人。 2000年 填料床铵介质缺氧- / + Ashbolt属。商业。 流化床铵介质缺氧- / + Jetten等。 1998年 SBR法硫酸铵介质缺氧- / + Strous等。 1998年 SBR工艺污泥酒缺氧- / +本文 保留）并没有负面影响的厌氧氨氧化过程完成时，它是在一个 颗粒污泥反应器。 目前，全面实施合并沙龙厌氧氨氧化过程 评价。为此全过程设计和经济评价了 治疗污泥污水处理厂酒在鹿特丹Dokhaven 。这一进程 设计给出了表4 。三起案件进行了评估，因为污泥管理 有相当影响的流量和浓度的centrate水。直接消化 的剩余污泥导致铵含量500 mgN /湖集中 污泥增厚或离心消化之前给出了更高浓度铵 和较低的流动。过程而不污泥停留（沙龙） ，主要 尺度上的水力停留时间，沙龙反应堆尺寸，因此强烈 影响更集中进水。生物膜过程基本上是尺度 实际负荷，并不会影响进水浓度。保留 时间在这里的变量参数。由于生物膜反应器中生物膜领域主要是 确定转换能力，颗粒污泥型过程（如颗粒污泥 SBR工艺，上流式厌氧污泥床或内循环（ IC ）的反应堆）导致反应堆尺寸小得多。 基于进程的成本估算了。在此假定安装 都必须建立在一个新网站。这些费用应被视为绝对的指示，因为 值可以是非常具体的网站。这些费用可以比较类似计算 其他进程已测试的试验工厂规模氮去除污泥消化 酒类（ STOWA ， 1995年） 。为与反硝化过程甲醇 这使得估算的F 2-3/kgN拆除。在这种比较结果表明，该费用 对甲醇和曝气脱氮平衡常规的额外投资 第二厌氧氨氧化反应器。其他生物技术（如生物膜与膜 美国范栋勤等人。 158 表3转换的颗粒污泥厌氧氨氧化反应器SBR法与美联储 nitrified污水由一名沙龙反应堆（表1 ） 参数机组稳态运行 测试期间，每天110 进水氨氮kg/m3 ± 进水二氧化氮氮kg/m3 ± NH4 - N的转化kg/m3/d ± NO2的氮转化kg/m3/d ± 废水二氧化氮氮kg/m3 0 体积转换。公斤Ntot/m3/d ± 污泥转化公斤Ntot /公斤党卫军/天 ± 表4维度全面沙龙-厌氧氨氧化过程的三种不同的情况下 反应器的参数股案例1案例2案例3 一般氮负荷千克氮/天1,200 1,200 1,200 NH4 - N的浓度公斤N/m3 500 1,200 2,000 进水流量m3/day 2400 1000 600 沙龙反应器体积立方米3120 1300 780 需氧量公斤O2/day 航空需求 * Nm3/day 56,000 56,000 56,000 移动床体积立方米450 450 450 厌氧氨氧化反应器的水力停留时间小时11月18日 颗粒污泥体积立方米75 75 75 厌氧氨氧化反应器的水力停留时间为小时 3 *计算假设氧耗15 g/Nm3/mreactor 流程）有较高的投资成本和运行成本较高，由于转换 超过硝酸盐引起的F 5-10/kg ñ删除。为物理/化学技术的价值 的F 10-25/kg ñ删除估计。这些值可以改变大大如果如能源是 免费或低价提供。然而，预处理必须消除碳酸盐 中的物理过程作出重大贡献的价格。 结论 两个新概念的脱氮废水制定了 这大大减少了能源，化工利用的目的。使用的 合并沙龙厌氧氨氧化过程中，脱氮将不再需要 投入的化学需氧量。合并后的系统，因此，可以独立运作。这使得 尽可能优化COD和脱氮分开。拟议的概念 考验，长时间显示一个稳定的污水，高氨氮去除 而不需要为过程控制。鉴于积极的成本计算的全面实施 可以预期在不久的将来。 鸣谢 研究氮转化技术在财政支持 基金会的应用水研究（ STOWA ） ，该基金会为应用科学 （短期豁免书） ，皇家艺术和科学院（ KNAW ） ， DSM的主旨，帕克，和 Grontmij顾问。我们感谢我们的同事们进行富有成效的讨论和合作。 参考资料 博克，大肠杆菌，施密特，一， Stuven ，河和Zart ， 4 （ 1995年） 。氮素流失所造成的反硝化 细胞铵或使用氢气作为电子受体。拱桥。微生物。 163 ， 16-20 。 Hellinga ，角， Schellen ， . ，穆德。 . ，凡雷赫特。 .和Heijnen ， . （ 1998年） 。那个 硝化过程：一种创新的方法脱氮铵丰富的废水。笏。 科学。技术。 37 （ 9 ） ， 135-142 。 Hellinga ，角，面包车雷赫特， .和Heijnen ， . （ 1999年） 。基于模型的设计一种新型的进程 脱氮集中流动。数学。压缩机。莫代尔。强啡肽。系统。 5 ， 1月13日。 赫尔默， C.和艺术，美国（ 1998年） 。同时硝化/反硝化的好氧生物膜系统。 笏。科学。技术。 37 （ 4-5 ） ， 183-187 。 Hippen ，答： ， Rosenwinkel ，锁眼，鲍姆加滕湾和Seyfried叶酸（ 1996年） 。有氧deammonification ： 1 新的治疗体会废水。笏。科学。技术。 35 （ 10 ） ， 111-120 。 Jetten ， . ，非洲之角， .和Van雷赫特， . （ 1997年） 。建立一个更加可持续的城市 废水处理系统。笏。科学。技术。 35 （ 9 ） ， 171-180 。 美国范栋勤等人。 159 表5费用估算为沙龙厌氧氨氧化过程的三个案件中提到的表4 参数股案例1案例2案例3 氮负荷千克氮/天1,200 1,200 1,200 流M3/day 2400 1000 600 浓度kg/m3 500 1,200 2,000 投资的KF 折旧的KF /年528 433 393 维修的KF /年101 90 83 个人的KF /年24 24 24 共计D物磷的KF /年653 547 500 电力的KF /年181 167 163 总成本的KF /年834 714 663 每千克氮成本除去f 2月30日 Jetten ，的MSM ， Strous先生，范德加莱Schoonen ， KT公司， Schalk ，学者，范栋勤，研究，凡德格拉夫，机管局， Logemann ，南， Muyzer湾，范雷赫特， .和Kuenen ， . （ 1998年） 。厌氧氧化 硫酸铵。 FEMS观测微生物。评论22 ， 421-437 。 Logemann ，南， Schantl ，学者， Bijvank ，南，凡雷赫特，多芯片组件， Kuenen ， JG和Jetten ， . （ 1998年） 。 分子微生物多样性的硝化反应器系统中污泥停留。 FEMS观测微生物 生态27 ， 239-249 。 加上原有的A ， （ 1992年） 。缺氧氨氧化美国专利427849 （ 5078884 ）的美国专利。 穆尔德，答： ，凡德格拉夫，机管局，罗伯逊，洛杉矶和Kuenen ， JG （ 1995年） 。厌氧氨氧化 发现了反硝化流化床反应器。 FEMS观测微生物生态。 16 ， 177-83 。 穆尔德，金威，凡雷赫特，多芯片组件， Hellinga ，角和Van肯潘，河（ 2001年） 。全面应用 沙龙处理拒绝水的消化污泥脱水。笏。科学。技术。 ， 43 （ 11 ） ， 127-134段。 西格里斯特阁下， Reithaar ， S.和莱斯，第（ 1998年） 。氮素损失在硝化轮流承办治疗铵 没有丰富的渗滤液有机碳。笏。科学。技术。 37 （ 4-5 ） ， 589-591 。 施密德先生， Twachtmann ，美国，克莱因先生， Strous ，先生， Juretschko ，南， Jetten先生，梅茨格，学者， Schleifer ，锁眼 和瓦格纳先生（ 2000年） 。分子水平的证据，属不同的细菌能够催化 厌氧氨氧化。系统。应用微生物。 23 ， 93-106 。 Stowa （ 1995年） 。治疗氮丰富返回流动污水处理厂（在荷兰） 。 STOWA报告 95-08 ，乌得勒支荷兰。 Strous先生，范Gerven ，东平，卓， Kuenen ， JG和Jetten ， . （ 1997年） 。铵免职 废物流集中的厌氧氨氧化（厌氧氨氧化）过程中不同 反应器的配置。笏。水库。 31日， 1955年至1962年。 Strous先生，范Gerven ，大肠杆菌， Kuenen ， JG 。和Jetten ， . （ 1997年） 。有氧和微 条件对厌氧氨氧化（厌氧氨氧化）污泥。应用。环境。微生物。 63 ， 2446年至2448年。 Strous先生， Heijnen ， . ， Kuenen ， .和Jetten ， . （ 1998年） 。在序批式反应器作为一个强有力的 工具研究非常缓慢增长的微生物。应用。微生物。生物工程。 50 ， 589-596 。 Strous先生，富尔斯特，学者，克莱默，大肠杆菌， Logemann ，南， Muyzer湾，范德双人舞，光，韦伯，河， Kuene ， J.和 Jetten先生（ 1999年） 。失踪lithotroph确定为新的planctomycete 。自然400 ， 446-449 。 Strous先生， Kuenen ， .和Jetten ， . （ 1999年） 。关键生理厌氧氨氧化。 应用。环境。微生物。 65 ， 3248-3250 。 凡雷赫特， .和Jetten ， . （ 1998年） 。微生物转换脱氮。 笏。科学。技术。 38 （ 1 ） ， 1-7 。 美国范栋勤等人。

一旦动力学模型被提出来，有必要检测这些模型在两种类型的生物反应器中相对于参数改变的灵敏性。基本上，一些参数改变对动力学系数的影响已经得到研究。这些数据显示在图10-12。从等式中可以看到，通过修正动力学参数可以改变氧化速率。为了检验模型的应用性，有必要解释这些数据是理论上的。这种分析对于这些模型在非工作状态的不同操作条件下的模拟非常有益。

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