《专业英语-芦竹、甘草和龙须菜作为间歇式脱氮》由会员分享，可在线阅读，更多相关《专业英语-芦竹、甘草和龙须菜作为间歇式脱氮（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、利用芦竹、甘草和龙须菜作为间歇式脱氮的碳源摘要：在间歇式反应器中，将不同的天然有机固体物质（NOSS）作为生物脱氮的碳源并对其进行检测。在检测的物质中，龙须菜、甘草和芦竹对于脱氮产生了积极的影响并且达到了硝酸盐的完全去除。在整个研究过程中，菌种的添加，pH和碳量的变化都会对反硝化的结果产生影响。研究结果显示，最佳脱氮性能可以通过具有最高蛋白质的量的龙须菜以及它巨大的表面积来实现。1 介绍公共水源中的硝酸盐浓度的增加在许多国家是一个严重的问题，尤其考虑到美国环境保护署规定的NO3-N（硝态氮）的最大容许浓度限值为10mg/L以及由世界卫生组织和欧洲经济共同体规定的NO3（硝酸）的最大容许浓度限值
2、为50mg/L。关注使得大量的技术得到发展，如离子交换，反渗透，电渗析等都可以是生物脱氮的硝酸盐浓度降至可接受的水平。低效率、盐水处理的浪废、高资本和运营成本是这些方法的主要缺点，除了反硝化作用。生物脱氮对于硝酸盐的去除提供了高的选择性，它已经被证明对满量程和系统的效率接近100%。生物脱氮是通过一系列的酶促反应将硝酸盐还原成氮气。许多细菌可以生长，使得含氮离子氧化物变为气体产物。细菌利用硝酸盐进行呼吸，通过一系列的反应使其转化为氮气：NO3- NO2- NO N2O N2在呼吸过程中，硝酸盐或亚硝酸盐代替氧气作为终端电子受体，被称为反硝化。硝酸盐减少的一项基本要求是硝酸盐在碳源存在的条件下可
3、以被氧化为电子供体。对各种固体，液体和气体碳源都进行了评估，如乙醇、甲醇、乙酸、脂肪酸、报纸、小麦稻草、未加工的棉花纤维、糖和甘蔗、水不溶性生物可降解聚合物、合成聚酯颗粒和自然有机基质，如秸秆、不同树木的树皮以及水解桦木等等。本研究开始选取合适的自然碳源作为饮用水的脱氮介质（INCO-DC项目）。该项目的研究是利用一个小村庄的污水处理厂。在连续的项目中，不同的天然有机物质都作为底物在缺氧生物脱氮系统中进行了测试。约1cm的松树块、杨树、棉花茎、百里香、长豆角、芦竹、甘草、桂皮、生姜、玉米芯、来自伊兹密尔农业区的月桂以及海藻都从伊兹米尔湾进行了测试。选择不同的天然有机物质在工业应用中有很大的不同
4、。巨大的芦苇一直被种植用于控制水土流失，制作坐垫和屋顶材料，有时也作为观赏。它也用于生产一些木管乐器，如：双簧管、巴松管、单簧管和萨克斯风等。它也被用作利尿剂来治疗水肿。甘草植物的根和从根部提取出来的液体都在医学、药理学和食品工业得到广泛应用。研究龙须菜的特殊效益是因为它上升的市场价值，这是因为它是琼脂的一个来源，以及它在饮食方面的重要性和作为食品的意义。在这项研究中，不同的NOSS作为间歇式实验反应器中唯一的化学和物理基质。本研究的目的是选择合适的生物反硝化碳源。2 材料和方法2.1 反应器反硝化实验在一个500mL的玻璃容器中进行（缺氧预测管），每个反应器中装有250mL的水介质。在反应器
5、中加入NOSS（210g）作为基质。反应容器通过气密管连接到一个封闭的集气玻璃管中(图1)。在玻璃反应容器的地步有一个小的出口，用来采取水样。氩分段是用来消除初始的氧气，下一步的入口是避免使用不透气的管子和配件。气密管连接到一个膨胀水箱，可以上下移动来平衡在气密管和膨胀水箱内部的阻挡溶液的水平（20%氯化钠溶液和0.5%的柠檬酸）。在反应容器中，连接到液体表面的盖子上有一个集装箱，里面装满了碳酸钙用来吸附二氧化碳。实验在10对装置中进行，总共20组实验。为了达到再现性，每组实验都要做重复。图1 缺氧生物反硝化实验测试装置为了达到条件适合自然反硝化，测定在完全黑暗的情况下进行。反硝化的发生主要是
6、在黑暗中，因为水生植物的新陈代谢作用导致了在光度强的时候氧浓度高，在黑暗的时候氧浓度较低。实验在20下进行，为了保持温度稳定，使用了恒温实验室。收集管中氮气的体积、大气压和温度每天都记录。在实验结束时，对反应器中水中的硝酸盐和亚硝酸盐进行测定。在测试结果不同的有机物质中，N2的体积转化为标准条件（1013.25mbar，273.15K） (1)产生的氮气体积（等同于水中溶解的浓度），因此： (2)在t时间产生的气体体积，mL Pt 在t时间的大气压力，mbar Pwt 在t时间水蒸气的压力，mbar Tt 在t时间的温度，K Vt 在t时间收集管内的气体体积，mL VRVST 反应器中初始的气
7、体体积，mL E 天然有机物质的质量，g VR 反应容器中液体体积，L2.2 水介质在这项研究中，合成反应容器中标准水介质是以DIN V54900-2或者ISO 14851标准液为基础，在其上面添加0.5%的接种体，一种微量元素溶液（每毫升：ZnSO47H20(0.2 mg)、MnCl24H2O (0.06 mg)、H3BO4 (0.6 mg)、CoCl26H2O(0.6 mg)、CuCl26H2O (0.02 mg)、 NiCl26H2O (0.04 mg)和Na2MoO42HO(0.06 mg)），以及NaNO3。为了观察不同NOSS作为碳源所表现出来的性能，分别向其中投入高浓度的硝酸盐（
8、100mg/L N-NO3-)。在持续的研究中，每一个新实验中的微生物都是接种上一次实验的。由高水平的硝酸盐污染开始，在建议碳源的影响下，使得最后测定的硝酸盐浓度降低到容许限度之下。使用没有额外提纯的分析纯化学物质。在分析之前，所有的样品经过0.45m的过滤膜进行过滤并在一小时内完成收集。为了测定水样的系统效率，NO3和NO2值、紫外吸光度值以及DOC值都要每天测量。2.3 天然有机固体物质 不同的天然有机物质约1cm的杨树块、棉杆、百里香、角豆树、芦竹、甘草、肉桂、生姜、玉米棒和月桂都聚集在伊兹密尔地区。将天然有机物质用清水洗净后放在实验室内，自然烘干。实验过程中保证材料相同。将这些天然有机
9、物质放入一个干燥的容器内，并在室温下保存。为了测量它的表面积，将其均匀切成200快约1.5cm厚，测量小块的表面积。在反硝化实验中使用洛瑞的蛋白质测定法对其进行测定，这个方法是众所周知的。2.3.1 甘草的提取土耳其的甘草产量丰富，甘草根的提取非常普遍，并且以精油的形式加工出售。我们将提取的甘草根加入反硝化实验中。在50条件下，对甘草根进行提取，水与甘草根的质量比为40:1。对甘草根重复提取，直到水中有颜色为止。这些分离，提取的根被用在反硝化实验中。3 结果和讨论3.1 天然有机物质的选择这项研究的目的是为生物反硝化选择合适的碳源。针对不同的天然有机物质进行了测试。在相同的实验条件下，松树、杨
10、树、百里香、角豆树、肉桂、生姜、玉米棒、月桂等都没有实现任何反硝化活动。只有在加入甘草、芦竹和龙须菜的情况下才有反硝化的发生。实验中，加入龙须菜2.10g、甘草7.08g、芦竹7.03，图2显示了产生N2的体积随时间的变化情况。在实验结束时，这三种物质的每克的产气量分别为140、61.2和39mg/L g。 图2 在生物反硝化过程中产生的氮气体积随时间的变化在实验中，这三种有机物质作为细菌种群的支撑材料，以及反硝化的底物。在各种文献记载中，使用的都是如棉花、小麦秸秆、碎报纸等作为碳源。木质细胞壁的大约40%50%都是有纤维素组成，剩余的主要是半纤维素和木质素。菌种必须依附在纤维素上才能降解底物
11、。 这些有机物质为厌氧微生物的固定提供了大量的表面积。因此，拥有更大表面积的NOSS将会固定更多的微生物，从而加快反硝化进程。这三种NOSS的表面积如表一所示。表面积大的物质能固定更多的微生物。从这点来看，龙须菜在实验中产生的氮气体积最多（140 N2 mg/L g),它具有巨大的表面积（12426m2/m3）。然而可以发现，表面积并不是唯一的决定性因素，因为甘草根与芦竹拥有更大的表面积。然而两者产生的氮气量为61.2 mg/L g和39 mg/L g。 表1 龙须菜、芦竹、甘草根的各项测试性能龙须菜对于反硝化的环境和条件显示了很好的适应性。尽管甘草根的表面积比芦竹小，但是却有更好的脱氮性能。
12、这表示，微生物对甘草的分解更为有效。结果显示，芦竹、甘草根、龙须菜对饮用水的脱氮效果都非常明显。这是因为反硝化微生物对这些底物的降解效果很好。3.2 反硝化水介质的分析为了了解NOSS有多少的纤维素被降解，对水中的可溶解有机碳（DOC）进行了分析。图3说明了水样中硝酸盐与DOC随时间的变化。龙须菜、甘草根、芦竹的硝酸盐的饱和去除是在13、20和24天。它们的反硝化速度分别为：13.125 、6.203.33mg/L NNO3-/(g d)。可以想到的是由于实验是在一个间歇式的系统中，那么在实验的最后会有大量的DOC积累。然而，在一个连续的系统内，流动会减少大量的DOC直至可接受的水平。3.3
13、反硝化实验中的甘草和提取的甘草与龙须菜和芦竹相比，甘草有着更高的DOC值（图3）。因为甘草会使水变色，提取的甘草根也可以在实验中使用（图4）。结果显示，提取的甘草根比原始的甘草效果更好，它的氮气产量是原始甘草的两倍。3.4 培养液对于反硝化反应的影响研究龙须菜的反硝化实验中培养液的影响。实验在5%的混合培养液以及没有任何菌种存在于NOSS的培养液中进行。实验结果表面，前者的脱氮效率比后者更好（图5）。但是，在实验的最后，两者的氮气量十分接近。图3 不同物质在反硝化过程中水样中硝酸盐/DOC随时间的变化图5 在反硝化过程中，氮气产量随时间的变化。 图6 使用不同量的龙须菜是，氮气量随时间的变化。
14、3.5 反硝化介质中碳源量的影响反硝化实验在5%培养液的条件下进行，保持氨氮的浓度为100mg/L，并且增加碳源的浓度（2、8、20g/L）。结果显示（图6），实验结束时，氮气的量是相同的。随着反硝化速率的增加（9、11、62mg N2/L d）而增加碳源的量。增加碳源至表面积适应反硝化种群。在反硝化介质中，反硝化的速率越高，微生物的活性将越强。3.6 在反硝化中pH值的影响pH对于控制生物的反硝化具有重要影响。反硝化能适应的pH范围为411，但大多数的微生物都有点适碱性。实验研究了pH对于反硝化的影响（图7）。调节反应器内的pH为6.5、7、7.5和8，并且维持一个稳定的碳氮比。pH由1 m
15、ol/L HCL和NaOH调节。pH的变化并没有使反硝化反应产生大的影响。几乎达到了相 表2 不同NOSS的反硝化速率的变化(mg N2/(L d g)同的反硝化性能。pH在6.58之间没有对反硝化产生影响。反硝化速率在不同pH水平的数值在表2中显示。在实验结束时，水样的pH分别上升到6.8、7.94、9.4和9.66。这说明，反硝化使pH增加了。4 结论这项研究的目的是为了选取合适的自然有机物质作为饮用水反硝化的碳源。第一组测试的是木质材料，如：松树、杨树、棉花、秸秆、百里香、角豆树、芦竹、甘草、肉桂、生姜、玉米棒、月桂。第二组是海藻。在这些被研究的NOSS中，只有龙须菜、芦竹和甘草对于反硝化有影响。龙须菜有巨大的表面积和大量的蛋白质，而且在反硝化过程中产生的氮气是最多的。在龙须菜的实验中，培养液的添加、pH和碳源量对氮气的产量都无明显影响。只对反硝化的速率有明显变化。然而，对于工业化的应用，这些参数还应优化。NOSS在许多国家都大量存在；低廉的价格使得它们成为具有吸引力的脱氮基质。我们的实验表明，在未来饮用水的脱氮处理中可以使用它们作为碳源。在所有实验材料中，龙须菜具有最高效的反硝化能力。致谢作者要感谢国际研
