鹽分對生物脫氮工藝中硝化反應(yīng)的影響與機(jī)理

1、.鹽分對生物脫氮工藝中硝化反應(yīng)的影響與機(jī)理*徐寒莉梁志偉毛巍王存豹 吳偉祥( 浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院環(huán)境保護(hù)研究所，杭州 310058)摘 要 高鹽廢水來源廣泛，在利用生物脫氮法處理高鹽含氮廢水時，鹽分會對生物脫氮產(chǎn)生抑制作用 硝化反應(yīng)是生物脫氮工藝中的關(guān)鍵過程，研究鹽分對硝化反應(yīng)的影響機(jī)理具有重要意義 本文概述了鹽分對廢水生物脫氮過程中硝化反應(yīng)影響的研究進(jìn)展，總結(jié)了鹽脅迫對好氧氨氧化過程、亞硝酸鹽氧化過程中硝化效率和反應(yīng)特性的影響規(guī)律，并分析了鹽分對硝化微生物細(xì)胞形態(tài)、生物絮體結(jié)構(gòu)和胞外聚合物特性變化以及菌群結(jié)構(gòu)的影響，系統(tǒng)闡述了鹽脅迫下的硝化反應(yīng)機(jī)理，為高鹽分高銨氮廢水生物脫氮工藝設(shè)計提供

2、理論指導(dǎo)關(guān)鍵詞 含鹽廢水 硝化反應(yīng) 胞外聚合物 好氧氨氧化菌 亞硝酸鹽氧化菌文章編號1001 9332( 2014) 07 2132 09中圖分類號X703 1文獻(xiàn)標(biāo)識碼AImpact of salinity on nitrification in the process of biological nitrogen removal and its mecha- nism: A review XU Han-li，LIANG Zhi-wei，MAO Wei，WANG Cun-bao，WU Wei-xiang( Institute of Environmental Science and Tech

3、nology，College of Environmental esource Sciences，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China) -Chin J Appl Ecol ，2014，25( 7) : 2132 2140Abstract: Wastewater with high salinity is widely distributed，biological nitrogen removal process is inhibited by salt when it is used to treat wastewater containing

4、high concentration of salt and ammo- nium Nitrification is the key step of biological nitrogen removal process，thus researching the effect of salinity on nitrification is significant In this article，the research progress of the impact of salini- ty on wastewater biological nitrification process was

5、summarized The influences of salinity stress on various aspects of nitrification process，including the efficiency of ammonia oxidation and nitrite oxi- dation processes，and the structure of aggregates，the characteristics of flocs and microbial commu- nity structure，were analyzed The mechanism of nit

6、rification process under high salinity was elabo- rated，providing a theoretical advice for designing biological nitrogen removal system of wastewater with high concentration of salt and ammoniumKey words: saline wastewater; nitrification; extracellular polymeric substances ( EPS) ; ammoni- um oxidiz

7、e bacteria ( AOB) ; nitrite oxidize bacteria ( NOB) DOI:10.13287/j.1001-9332.2014.0138近年來，高鹽廢水處理水量大約占了全球廢水處理水量的 5%1 通常定義無機(jī)鹽濃度( 通常為氯 化物或硫酸鹽) 在 0 1% ( M / M) 之間的廢水為“含鹽廢水”; 1 3 5% 為“高鹽廢水”或“鹵水”2 高鹽 廢水主要來源于工業(yè)廢水，如酸洗、奶酪制造、海產(chǎn) 品加工、腌制食品工業(yè)、罐頭、醫(yī)藥、紡織、皮革生產(chǎn)， 以及沿海地區(qū)地表水滲透、垃圾滲濾液、被污染的地下水等 另外，在一些缺水地區(qū)水資源被重復(fù)利用，以及沿海地區(qū)對海水的

8、直接利用，也會導(dǎo)致廢水中 無機(jī)鹽含量升高3 5 由于鹽分能夠嚴(yán)重抑制微生物活性，導(dǎo)致微生物細(xì)胞的分解，鹽分會對廢水中有機(jī)物、氮和磷的生物去除產(chǎn)生負(fù)面影響，降低廢水生 物處理效率1，6 8 高鹽廢水通常含有較高濃度的氮素，而氮是 導(dǎo) 致 水 體富營養(yǎng)化的重要元素之 一9因此，在應(yīng)用生物脫氮法處理高鹽含氮廢水時，應(yīng)充 分了解鹽分對生物脫氮的影響和機(jī)理，這對于含鹽廢水生物脫氮的工藝開發(fā)及水資源保護(hù)具有重要意 義 生物脫氮是國內(nèi)外處理含氮廢水的主要手段，傳統(tǒng)生物脫氮通常包括硝化和反硝化兩個階段 硝化 反應(yīng)首先由好氧氨氧化菌 ( AOB) 將銨氮氧化為亞 硝酸鹽氮，稱為好氧氨氧化過程; 由亞硝酸鹽氧化菌

9、( NOB) 將亞硝酸鹽進(jìn)一步氧化為硝酸鹽，稱為亞硝 酸鹽氧化過程; 最后異養(yǎng)的反硝化菌利用碳源作為* 國家自然科學(xué)基 金 青 年 基 金 項 目 ( 21107093 ) 和浙江省教育廳科 研項目( X201120190) 資助通訊作者 E-mail: zhiweiliangzg zju edu cn2013-10-28 收稿，2014-04-30 接受.;徐寒莉等: 鹽分對生物脫氮工藝中硝化反應(yīng)的影響與機(jī)理7 期2133電子供體將亞硝氮和硝氮還原為氮?dú)?，為反硝化過程9 13 以此原理為基礎(chǔ)，先后開發(fā)了 A / O、A2 / O、 SB、UCT、Bardenpho、Phoredox、MB14

10、等生物脫氮 工藝 近十幾年來，隨著生物脫氮理論取得重大突破和 進(jìn) 展，新型生物脫氮工藝如短程硝化反硝化 表明，鹽分開始產(chǎn)生抑制的濃度為 10 15 g NaCl·L 1 左右，50 70 g NaCl·L 1 時，硝化反應(yīng)完全受到 抑制 但 Mosquera-Corral 等12 在 研 究 SHAON 工 藝處理 含鹽廢水的影 響 因 素 時，發(fā)現(xiàn)鹽分濃度為 5. 9 g NaCl· L 1 條 件 下，好氧氨氧化活性降低約 40% ，抑制濃度遠(yuǎn)低于其他試驗結(jié)果，這可能是由于 其反應(yīng)體系的生物量低于其他反應(yīng)體系所致在鹽分抑制程度研 究 方 面，Dincer 和

11、Kargi21 利用活性污泥處理含鹽模擬廢水時發(fā)現(xiàn)，鹽分濃度 增加到 30 和 50 g NaCl·L 1 時，硝化效率分別降低 了 4% 和 20% Panswad 和 Anan22 研 究 發(fā) 現(xiàn)，鹽 分( Sharon )工 藝、短 程 硝 化-厭 氧 氨 氧 化 ( Sharon-Anammox) 工藝、Canon 工藝、Oland 工藝等相繼被開發(fā)并投入實際應(yīng)用15 16 無論是新型生物脫氮工藝 還是傳統(tǒng)工藝，硝化反應(yīng)都是生物氮移除的關(guān)鍵過程 因此，環(huán)境因素對硝化反應(yīng)的影響也將直接影響 廢水生物脫氮過程硝化反應(yīng)對環(huán)境條件比較 敏 感，如 溫 度、溶 解 氧、pH、基質(zhì)濃度、

12、生物抑制劑等均可對硝化反應(yīng)產(chǎn)生影響5，17 因此，在生物法處理高鹽含氮廢水的過 程中，鹽分能夠直接影響溶解氧濃度及氧氣轉(zhuǎn)移到 液相的能力，引起硝化微生物新陳代謝功能、活性污 泥沉降性、顆粒污泥以及生物膜結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致生物絮體或胞外聚合物( EPS) 解體13，18，從而影響硝化效率濃度為 30NaCl · L 1 時 硝 化 率 降 低 55% ，osag等23的結(jié)果則顯示，50 g NaCl· L 1 的系統(tǒng)中銨氮轉(zhuǎn)化率降低了 46% 以上試驗結(jié)果存在較大差異的 原因主 要 是，Dincer 和 Kargi21 在 反應(yīng)系統(tǒng)的接種 污泥中加入了富集的混培物菌種，在較高的鹽

13、分濃 度下仍然維持較好的硝化效果 由此可見，微生物的 種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量對鹽分抑制的影響產(chǎn)生重要作用， 當(dāng)處理高鹽廢水( 一般 30 g NaCl·L 1 ) 時，接種 鹽分馴化培養(yǎng)過的污泥可以 顯著提高銨氮去除效 率22 李玲玲等24研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過馴化的活性污泥 在 35 g NaCl·L 1 的高鹽環(huán)境中仍具有較穩(wěn)定的硝 化效率 鹽分對未經(jīng)馴化的硝化系統(tǒng)抑制較為嚴(yán)重， 且未馴化系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間較長 然而，即使 是馴化過的系統(tǒng)也不能承受 過高鹽分濃度的沖 擊3，常規(guī)的馴化不適用于濃度 5% 的含鹽廢水鹽分對硝化過程中的好氧氨氧化反應(yīng)和亞硝酸 鹽氧化反應(yīng)產(chǎn)生的抑制程度不同

14、 大部分研究認(rèn)為， 是由于參與硝化反應(yīng)過程的 NOB 比 AOB 對鹽分更 敏感12，21，25 26，促進(jìn)了好氧氨氧化和亞硝酸鹽氧化 過程的分化 Dincer 和 Kargi8 研 究 證 實，在 活 性 污 泥處理系統(tǒng)中，當(dāng)鹽分濃度 20 g NaCl·L 1 時，硝 化效率顯著降低，亞硝酸鹽氧化率比好氧氨氧化率 降低程度更大，并且隨著鹽分濃度的增加，出水硝態(tài) 氮的濃度逐漸降低而亞硝態(tài)氮濃度逐漸增加 Ye 等26在用序批式反應(yīng)器處理含鹽廢水時發(fā)現(xiàn)，NOB 更易受到鹽分的抑制，鹽濃度 20 g NaCl·L 1 時， NOB 存活 率 1% ，AOB 的 存 活 率 下

15、降 50% 高 鹽 分對 AOB 和 NOB 不同程度的抑制導(dǎo)致亞硝酸鹽的 積累，使系統(tǒng)更快地轉(zhuǎn)化為短程硝化脫氮類型 鹽分 脅迫造成的亞硝酸鹽積累有利于短程硝化工藝過程 的實現(xiàn)與控制，因此利用短程硝化工藝處理高鹽廢 水可以取得較好的效果 部分研究則認(rèn)為，鹽分對好 氧氨氧化的影響大于對亞硝酸鹽氧化的影 響271鹽分對硝化反應(yīng)的影響1. 1鹽分濃度對硝化反應(yīng)的影響在鹽分抑制濃度研究方面，Panswad 和 Anan3發(fā)現(xiàn)，在生物脫氮過程中硝化率 ( SN) 較易受到鹽分濃度沖擊 的 影 響 Dincer 和 Kargi8 研 究 發(fā) 現(xiàn)，當(dāng) 鹽分質(zhì)量濃度分別為 1% 、3% 、5% 和 6% 時，

16、硝化率 分別降低至 95% 、90% 、55% 和 40% ，結(jié)果顯示，鹽分濃度為 10 g NaCl·L 1 時開始對硝化反應(yīng)產(chǎn)生抑制，30 g NaCl · L 1 時硝化率開始顯 著 降 低，60gNaCl· L 1 是硝化反應(yīng)體系能夠耐受的極限濃度;Dincer 和 Kargi8總結(jié)了鹽分濃度與硝化率變化的 關(guān)系式，直觀地表達(dá)了鹽分對硝化率的影響規(guī)律:KTNN = ON K+ TTN+ 3式中: N 為鹽分脅迫下的硝化率( kg NH4-N·m ·h 1 ) ; 為不含鹽廢水硝化率; K 為硝化反應(yīng)的鹽0NTN抑制常數(shù)( kg·

17、;m 3 ) ; T 為鹽分濃度( kg·m 3 ) 從關(guān)系式可以看出，硝化率隨鹽分濃度增加而逐漸降 低 Vendramel 等19用移動床生物膜反應(yīng)器處理含 鹽工業(yè)廢水時，同樣發(fā)現(xiàn)硝化反應(yīng)開始受到抑制的濃度為 10 g NaCl·L 1 ; Campos 等4和 Artiga 等20g NaCl · L 1 的試 驗 結(jié) 果 則 分 別 為 13 7 和 15Moussa 等6試 驗 結(jié) 果 顯 示，當(dāng) 鹽 濃 度 達(dá) 到 65 9gNaCl·L 1 時硝化反應(yīng)幾乎完全受到抑制 大量研究2134應(yīng) 用 生態(tài) 學(xué) 報25 卷Moussa 等28通過對活性

18、污泥的富集培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，鹽分濃度 16 5 g NaCl·L 1 時，NOB 比 AOB 受到鹽分脅 迫的影響小 Bassin 等17在活性污泥工藝序批試驗 中也證實，在鹽濃度 20 g NaCl·L 1 條件下，NOB 沒 有受到鹽分濃度的影響，而且 NOB 在整個反應(yīng)器菌 群中的比例甚至有所增加; 當(dāng)加快鹽分增加過程時， 好氧氨氧化活性更易受到影響目前也有觀點(diǎn)認(rèn)為，在處理含鹽含銨氮廢水過 程中亞硝酸鹽的積累可能不 是由于鹽分脅迫造成 的，而是由于溶解氧的限制 因為鹽分影響了氧氣的 最大溶解度以及氧氣的直接轉(zhuǎn)化率，導(dǎo)致廢水中溶 解氧濃度降 低，當(dāng)溶解氧增加后，即使提高鹽分濃

19、度，也不發(fā)生亞硝酸鹽的積累4 還有研究顯示，一 定 濃度范圍的鹽分可能促進(jìn)硝化反應(yīng)過 程，如 Mosquera-Corral 等12研究了 0 30 g NaCl · L 1 鹽 濃度 對 SHAON 反 應(yīng) 器 的 影 響，結(jié) 果 顯 示 在 4. 97 g NaCl·L 1 鹽濃度下，與不加鹽條件相比，好氧 氨 氧化效率增加 30% 這與 Chen 等29研究發(fā)現(xiàn) 4. 12 g NaCl·L 1 濃 度可以促進(jìn)硝化反應(yīng) 的 試 驗 結(jié) 果 一致( specific oxygen uptake rate，SOU) 都隨著 NaCl 濃度的增加而增加，這是因為鹽

20、分使溶液離子強(qiáng)度增 高、滲透壓增大，細(xì)胞為將水分保持在細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)， 維持微生物的活性，大部分氧氣被用來維持水分平 衡而不是用于基質(zhì)降解以及細(xì)胞生長或繁殖，并且 鹽分在細(xì)胞內(nèi)的積累降低了氧氣利用率3，導(dǎo)致了 氧氣需求量增加 對不同的反應(yīng)體系而言，SOU 的 增加程度也存在差異 Panswad 和 Anan22 研 究 發(fā) 現(xiàn)，經(jīng)鹽馴化過的體系在鹽濃度增加時消耗的氧氣 比未經(jīng)鹽馴化的體系高，當(dāng) NaCl 濃 度 從 0 增 加 到30 g·L 1 時，接種淡水活性污泥體系的 SOU 從5. 40 增加到 9 72 mg O2 ·gMLSS-h，而接種鹽分 1馴化過的活性污泥反應(yīng)

21、器的 SOU 從 6 84 增加到 1MLSS-h 當(dāng)體系從鹽分抑制中恢17. 64 mg O2 ·g復(fù)后，SOU 比受鹽分沖擊前更高，這是由于活性污泥受到鹽分沖擊后，降低了氧氣的利用效率運(yùn)行工藝不同會影響鹽分對硝化反應(yīng)的抑制程 度 Pernetti 和 Dipalma2研究發(fā)現(xiàn)，與連續(xù)流運(yùn)行過 程相比，序批式運(yùn)行過程中活性污泥更易受到鹽分 的抑制 在序批式運(yùn)行過程中，5 g NaCl · L 1 的 鹽 分濃度對活性污泥的硝化抑制率為 25% ，而連續(xù)流 反應(yīng)器中鹽分濃度為 10 g NaCl·L 1 時才達(dá)到相同 的抑制率; 序批式與連續(xù)流運(yùn)行過程中鹽分濃度分

22、 別為 20 和 40 g NaCl·L 1 時，活性污泥的抑制率為70% 這是由于在連續(xù)流反應(yīng)器中，微生物對逐漸增 加的鹽分產(chǎn)生了適應(yīng)性，因此最后受到的鹽分抑制 低于序批式方法 此外，相對于活性污泥工藝，膜生 物技術(shù)由于具有較好的固體持留能力以及較大的生 物量，因而具備較好的抗鹽分沖擊性能，在處理含鹽 廢水工藝選擇方面具有一定優(yōu)勢31鹽分的增加方式會對硝化反應(yīng)產(chǎn)生一定的影 響 通常鹽分濃度的迅速變化比逐漸變化對硝化反 應(yīng)的抑制作用更為明顯，因為鹽濃度的逐漸變化可 以使硝化微生物獲得一定的適應(yīng)性31 Chen 等29 發(fā)現(xiàn)，在鹽分濃度 16 5 g NaCl·L 1 時，鹽

23、分的增 加方式( 逐漸增加或階梯式增加) 并不影響硝化率， 濃度 16 5 g NaCl·L 1 時，階梯式的鹽分增加方式 比逐漸增加方式對硝化率抑制作用更為顯著 Bas- sin 等17試驗表明，鹽度的增加方式還會改變微生 物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響硝化率，試 驗 按 0、5、10、15、20 g NaCl·L 1 的鹽分增加方式，當(dāng)鹽分濃度從 0 增 加到 10 g NaCl · L 1 時，反 應(yīng) 體 系 中 AOB / NOB 增 大，當(dāng)鹽分繼續(xù)增加到 20 g NaCl· L 1 時保持為常 數(shù)，最終體系中 AOB 和 NOB 細(xì)胞數(shù)量幾乎相等; 而

24、不同價態(tài)鹽離子對硝化反應(yīng)的影響高鹽含氮廢水除了含有 Cl 外，還 可 能 含 有 一1. 22 3 定濃度的 SO4和 PO4，一些研究探討了氯鹽、硫酸鹽和磷酸鹽對硝化反應(yīng)的影響通常情況下，隨著氯鹽、硫酸鹽和磷酸鹽濃度的 增加，銨氮轉(zhuǎn)化率和亞硝酸鹽的積累降低，但氯鹽、 硫酸鹽和磷酸鹽對硝化反應(yīng) 的影響存在一定的差 異 研究 發(fā) 現(xiàn)，對于游離生物系統(tǒng)，在 100mmol ·L 1 的鹽分濃度下，氯鹽和硫酸鹽對硝化反應(yīng)產(chǎn)生的抑 制 性 影 響 相 同，好氧氨氧化活性都降低了約 40% ，而磷酸鹽對好氧氨氧化活性幾乎沒有影響; 當(dāng) 硫酸鹽、氯鹽和磷酸鹽濃度分別 為 300、500 和 50

25、0 mmol·L 1 時，硝化反應(yīng)完全受到抑制 對于固定生 物膜系統(tǒng)，鹽分的抑制程度較小，在 100 mol·L 1 的 鹽分濃度下，氯鹽和硫酸鹽都使好氧氨氧化活性降 低 25% ，當(dāng)固定生物膜系統(tǒng)中的硫酸鹽、氯 鹽 和 磷 酸鹽濃度分別為 500、1000 和 700 mmol·L 1 時，硝 化反應(yīng)完全受到抑制 由此可見，在高鹽濃度下，硫 酸鹽的抑制影響大于氯鹽和磷酸 鹽4，12，27，30，但 鹽 分的抑制程度同時受到廢水處理工藝的影響1. 3鹽分對硝化反應(yīng)特性的影響規(guī)律 鹽分脅迫對硝化反應(yīng)特性的改變也引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注 在厭氧、缺氧或好氧硝化體系的合成

26、 廢水中加入不同濃度的 NaCl，硝化體系的耗氧速率徐寒莉等: 鹽分對生物脫氮工藝中硝化反應(yīng)的影響與機(jī)理7 期2135按 0、10、20 g NaCl·L 1 的鹽分增加方式時，AOB 細(xì)胞數(shù)量減少，但 NOB 數(shù)量沒有顯著變化，鹽分 20g NaCl·L 1 ，反應(yīng)器中 NOB 的數(shù)量顯著高于 AOB， 這是由于階梯式加入法使鹽分濃度增加較快，導(dǎo)致 了較高的細(xì)胞洗出，抑制程度增加 微生物種群結(jié)構(gòu) 的研究表明，鹽分以階梯方式加入時，好氧氨氧化活 性比逐漸加入法低，尤其是在高鹽分條件下影響更 為顯著綜上所述，鹽分對硝化反應(yīng)過程影響的研究中， 大多數(shù)研究認(rèn)為，鹽分對硝化反應(yīng)存在

27、抑制作用，且 對亞硝酸鹽氧化反應(yīng)的抑制要大于對好氧氨氧化反 應(yīng)的抑制作用 但是不同研究者在鹽濃度對硝化效 率的影響方面得出的結(jié)論存在一定差異，有些甚至 相反4，8，22，27，30 主要的影響因素歸納為以下 4 個方 面26，30: 1) 反應(yīng)系統(tǒng)配置和試驗 條 件 的 差 異，比 如 溫度、pH、抑制性化合物等因素 由于硝化細(xì)菌對環(huán) 境條件敏感，試驗條件的不同將導(dǎo)致試驗結(jié)果出現(xiàn) 差異; 2) 鹽分添加到系統(tǒng)的方式不同，比 如 階 梯 性 快速增加或者逐漸增加 鹽分逐漸增加方式有利于 微生物對高鹽分產(chǎn)生適應(yīng)性，使鹽分對反應(yīng)系統(tǒng)的 抑制降低; 3) 接種污泥來源、微生物種類、使用純培 物還是混培

28、物、馴化或未馴化的細(xì)菌等 接種污泥的 來源不同是導(dǎo)致微生物種類和菌群結(jié)構(gòu)差異的主要 原因，造成了鹽分對硝化效率的影響不同，而經(jīng)鹽分 馴化過的細(xì)菌對鹽分有較好的適應(yīng)性，可以獲得較 好的硝化效 果; 4 ) 反應(yīng)器運(yùn)行方式不同，例 如 采 用 序批式或者連續(xù)流、完全混合或者推流式等 反應(yīng)器 及反應(yīng)工藝運(yùn)行方式可以影響生物量的持留、基質(zhì) 和氧氣的均勻程度、微生物的適應(yīng)性等，這是影響鹽 分對硝化效率產(chǎn)生抑制的重要因素膜變薄; 體積變小的細(xì)胞使細(xì)胞的比表面積增大以更好地分配外界的滲透壓; 細(xì)胞內(nèi)兼容性溶質(zhì)的增 加可以 平 衡 細(xì)胞內(nèi)外的壓力10，33 34 Jin 等11 在硝 化活性污泥處理含鹽合成廢

29、水的試驗中觀察到滲透 壓為 19 2 × 105 Pa 時硝化活性污泥細(xì)菌群落的多樣 性減少，細(xì)胞變小、細(xì)胞內(nèi)膜變薄、層數(shù)減少、細(xì)胞內(nèi) 部出現(xiàn)未知顆粒物，微生物形態(tài)發(fā)生了較大改變; 當(dāng) 硝化細(xì)菌從滲透壓中恢復(fù)后，細(xì)胞內(nèi)部薄膜層數(shù)增 加、顆粒物減少，可以基本恢復(fù)到受到鹽分脅迫前相 似的形態(tài)結(jié)構(gòu) 另外，有研究表明，硝化細(xì)菌對水體環(huán) 境的滲透壓較為敏感，當(dāng)滲透壓低于 14 7 × 105 Pa 時 不會抑制硝化反應(yīng)，滲透壓由 14 7 × 105 增加至 18. 8× 105 Pa( 相當(dāng)于 30 0 g NaCl·L 1 ) 時，銨氮去除率

30、5; 105略減小( 93% 100% ) ，當(dāng)滲透壓增加至 19 2Pa 時，銨氮去除率突然降低至 69 2% 由此可見，滲透壓產(chǎn)生抑制的臨界水平為 18 8 × 105 19 2 × 105Pa4，8，11 其中，NOB 比 AOB 對滲透壓更為敏感，在 滲透壓低于 18 5 × 105 Pa 時，亞硝酸鹽沒有明顯積 累，滲透壓高于 18 5 × 105 Pa 時亞硝酸鹽發(fā)生積累 并成為優(yōu)勢產(chǎn)物11 因此在處理含鹽廢水時，高滲 透壓下亞硝酸鹽的積累為實現(xiàn)短程硝化提供了有利 條件 好氧氨氧化菌在適鹽濃度及高滲透壓條件下 仍然能維持較高的活性，但其滲透壓

31、耐受機(jī)制的生 理特性目前仍不清楚2. 2鹽分對硝化生物絮體形態(tài)結(jié)構(gòu)變化的影響鹽分脅迫下，細(xì)菌新陳代謝與原生動物的數(shù)量和多樣性降低，生物絮體破碎，出水濁度增加，污泥體積指數(shù) ( SVI) 降 低13，22，35，污泥的蛋白質(zhì)和 碳 水 化合物含量降低，NA 和脂質(zhì)含量升高36 絲狀菌 對生物絮體的結(jié)構(gòu)非常重要，并且對 NaCl 的存在高 度敏感 隨著鹽分增加，絲狀菌迅速減少，抗絮凝現(xiàn) 象出現(xiàn)，絮體瓦解，釋放出低密度的針尖絮體或游離 分散的細(xì)菌至水體中，增加了濁度水平 另一方面， 高鹽分導(dǎo)致食菌原生動物減少，廢水中出現(xiàn)較高的 分散細(xì)菌成分，同時，滲透壓引起的細(xì)胞成分釋放也 導(dǎo)致了出水濁度增加17，

32、35 SVI 是一個評價活性污 泥絮體沉降性能的重要參 數(shù)17 研 究 表 明，SVI 隨 鹽分濃度增大而降低37 在 Mesquita 等38的序批式 試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鹽分濃度 20 g NaCl·L 1 時，SVI 隨 鹽濃度增加而減小，當(dāng)鹽分濃度在 20 60 g NaCl· L 1 區(qū)間時，SVI 值隨鹽分增加維持穩(wěn)定 由此可知， 鹽濃度的增加促使硝化污泥沉降性能提高，增加了 反應(yīng)器中的生物持留能力 但增加的鹽分水平導(dǎo)致 水體密度增 加，較輕的絮體將被洗出反應(yīng)器 ( 出 水2鹽分對硝化生物絮體結(jié)構(gòu)和形態(tài)變化的影響2. 1鹽分對硝化微生物細(xì)胞形態(tài)與性質(zhì)的影響鹽分對硝化細(xì)

33、菌產(chǎn)生抑制的原因可以通過鹽分 對細(xì)胞產(chǎn)生的滲透壓來解釋 早期的研究表明，鹽分 濃度的迅速變化會導(dǎo)致細(xì)胞成分釋出，并且鹽分濃 度的降低比鹽分濃度的增加對微生物的抑制影響更 嚴(yán)重 大多數(shù)微生物群落在滲透壓高的環(huán)境中會死 亡，酶的活性受到抑制，細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離、脫水以 及處于休眠 狀 態(tài)7，11，18 水體環(huán)境中滲透壓的增加 使細(xì)菌的細(xì)胞膜厚度、細(xì)胞體積發(fā)生改變，細(xì)胞內(nèi)兼 容性溶質(zhì)濃度增加32 33，這是細(xì)菌對高滲透壓產(chǎn)生 的保護(hù)性反應(yīng) 高滲透壓促使某些保護(hù)性物質(zhì)的生 成而使細(xì)胞膜增厚，或者因為毒性損害而導(dǎo)致細(xì)胞2136應(yīng) 用 生態(tài) 學(xué) 報25 卷變渾濁) ，反應(yīng)體系生物量減少，較 大、較 密 實

34、的 絮體則持留于反應(yīng)器38 39 對于硝化污泥沉降性的變 化，Panswad 和 Anan3，22認(rèn)為，活性污泥沉降性隨鹽 分增加而降低，升高的鹽度水平下渾濁的出水表明 了沉降性能的惡化，這是不同研究者對相同的現(xiàn)象 得出的不同結(jié)論由于靜電和疏水與絮體的相互作用，鹽分濃度 的增加使雙電層減少，從而降低了微粒間的部分排 斥力，導(dǎo)致絮體聚集，絮體平均直徑增大，沉降速率 也同時增加6，31 Chen 等29指出，鹽分增加的方式 影響絮體體積增加的程度，即逐漸增加鹽分的方式 比階梯式鹽分增加方式使絮體尺寸變得更大，但產(chǎn) 生此差別的原因仍不清楚，而團(tuán)塊傳遞阻力的存在 解釋了兩種不同鹽分增加方式對硝化反應(yīng)脅

35、迫的程 度不同的原因 對于不同來源的廢水，絮體面積在鹽 分的影響下也可能發(fā)生不同的變化 Mesquita 等35 發(fā)現(xiàn)在合成 廢 水 中 加 入 NaCl，污 泥 絮 體 面 積 ( TA) 增加 43% ，而在漁業(yè)廢水中加入 NaCl，TA 減 小61% ，可見不同來源的廢水中鹽分的加入使絮體產(chǎn) 生了相反的變化鹽分對混合液懸浮固體濃度 ( MLSS) 也存在負(fù) 面影響 Panswad 和 Anan3發(fā)現(xiàn)，對于未經(jīng)鹽分馴化 的污泥，當(dāng)鹽濃度 增 加 到 30 g NaCl · L 1 時，MLSS 從穩(wěn)定狀態(tài)的 2670 mg·L 1 降低到 1600 mg·L

36、1 ; 對鹽分馴化過的污泥，隨著鹽濃度的增加，MLSS 沒 有顯著變化 當(dāng)鹽濃度增加到 70 g NaCl·L 1 ，無論 污泥是否經(jīng) 過 鹽 分 馴 化，MLSS 都 從 2000 mg · L 1 以上減少到 1700 1800 mg·L 1 ，這是因為經(jīng)過鹽 分馴化的污泥，已經(jīng)適應(yīng)了高鹽環(huán)境，在一定的鹽分 濃度范圍內(nèi)，鹽分的增加沒有對污泥的形態(tài)產(chǎn)生影 響，當(dāng)鹽分濃度達(dá)到對體系產(chǎn)生嚴(yán)重抑制的程度時， 污泥形態(tài)發(fā)生改變，生物量流失增大，導(dǎo)致 MLSS 降 低 此外，接種未經(jīng)馴化污泥的體系，在鹽分加入的 初始階段，更易受到?jīng)_擊，導(dǎo)致 MLSS 在低鹽分濃度 下(

37、0 5 g NaCl· L 1 ) 比高鹽分濃度下降更明顯 Hamoda 和 Al-Attar40的研究得到相反的結(jié)論，發(fā)現(xiàn) 在活性污泥系統(tǒng)中高鹽濃度下 MLSS 逐漸增大 結(jié) 論的差異可能是因為試驗接種的活性污泥和廢水來 源、鹽分的加入方式及試驗運(yùn)行的方式不同，Hamo- da 和 Al-Attar40的污泥經(jīng)過較長時間的馴化，在高 鹽條件下生 物 量仍然保持增長，從 而 增 加 了 MLSS 的濃度有機(jī)物質(zhì)，同時也來源于細(xì)胞溶解或水解過程，是由蛋白質(zhì)、多糖、脂肪、DNA 和腐植質(zhì)等物質(zhì)包繞著細(xì) 胞組成的復(fù)雜混合物，EPS 將細(xì)胞之間緊密連接起來，構(gòu)成了微生物絮體和生物膜的基 質(zhì)4

38、1 42 EPS包含的聚合物有助于細(xì)菌附 著于各種各樣的表面 上，EPS 基質(zhì)可以穩(wěn)定生物膜結(jié)構(gòu)43 因此，在生物 膜 穩(wěn)定性和附著性方 面，EPS 扮 演 著 重 要 角 色42，44 對于活性污泥而言，EPS 是 生 物 體 絮 凝 和 沉降的重要成分45細(xì)胞分泌產(chǎn) 生 EPS 的 過 程 被 認(rèn)為是細(xì)胞處于 廢水處理系統(tǒng)中不利環(huán)境時保護(hù)自身的一種重要方 式 微生物細(xì)胞產(chǎn)生的 EPS，如同細(xì)胞壁和極端環(huán)境 之間的屏障，這層屏障可以保護(hù)細(xì)菌免受各種環(huán)境條 件 如 滲 透 壓、有毒化合物和干 燥 條 件 的 損害42，46 因此，暴露在高鹽濃度下的微生物 對 滲 透 壓的自然反應(yīng)是在細(xì)胞外增加

39、 EPS 的生成 有研究表明，EPS 總量隨鹽分增加而逐漸增加，但當(dāng)微生物適應(yīng) 了 鹽 分 濃 度 后，EPS 逐 漸 減 少42，44 由 于 EPS中的多糖可以緩解 Na + 對細(xì)胞的壓力，EPS 中多糖 濃度也隨鹽分濃度的增加而增加，尤其是松散附著 的 EPS( LB-EPS) 中多糖含量增加顯著，這是細(xì)菌對 鹽分脅迫的保護(hù)性反應(yīng)，因為多糖對于維持細(xì)胞的20，47 49完整和生 存 有 重 要 作 用由 此 推 斷，EPS可能在保護(hù)硝化微生物免受鹽分脅迫起重要作用 其他的 EPS 成分，如脯氨酸、甘氨酸甜菜堿、總蛋白也50隨著鹽分濃度增加而增加 試 驗 數(shù) 據(jù) 顯 示，LB-EPS 和鹽

40、分正相關(guān)，而緊密附著的 EPS( TB-EPS) 與 鹽分之間沒有顯著的相關(guān)性 此外，不同的 EPS 在不同的鹽分含量下具有多種分子量 ( MW) ，這種不同可能來自于細(xì)菌中多糖的增量或來自于鹽分導(dǎo)致49的質(zhì)壁分離和細(xì)胞內(nèi)成分的釋放 EPS 有助于在51細(xì)胞周圍持留水分層 ，鹽脅迫導(dǎo)致的 LB-EPS 增加可能將更多的邊界水帶入生物膜或活性污泥聚集 體，因而減少生物膜或絮體密度，進(jìn)而可能對銨氮去 除效率產(chǎn)生影響，絮體密度的減小也解釋了體系中 鹽分濃度增加導(dǎo)致活性污泥沉降性變差的原 45，49因 鹽分條件下絮體體積 增 加，可 能 與 EPS 在細(xì)胞外表面的形成有關(guān)，因為 EPS 中的聚合物可以

41、 弱化細(xì)胞間的靜電排斥力，使細(xì)胞間的相互附著更容易31 但過多的 LB-EPS 可能弱化細(xì)胞之間的附著力和污泥結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致生物絮凝效果變差45 因此， 如果鹽分導(dǎo) 致 LB-EPS 過 量 增 加，會對硝化活性污 泥的絮凝產(chǎn)生負(fù)面影響2. 3鹽分對硝化生物絮體胞外聚合物特性的影響胞外聚合物( EPS) 是由微生物群落分泌產(chǎn)生的徐寒莉等: 鹽分對生物脫氮工藝中硝化反應(yīng)的影響與機(jī)理7 期2137研 究 證 實，Nitrosomonaseuropaea可 以 在 20 453鹽分對硝化微生物菌群結(jié)構(gòu)的影響g NaCl·L 1 的 高鹽濃度下生 存17，30 31，56 57，甚 至在 65

42、9 g NaCl· L 1 的濃度下仍能檢出6 但也有 研究認(rèn)為，N europaea 只能耐受 16 5 g NaCl·L 1 以下的鹽濃度25 當(dāng)體系中鹽分濃度發(fā)生變化時， AOB 群落 結(jié) 構(gòu) 發(fā) 生 改 變，隨著鹽分濃度的增 加， AOB 菌種結(jié)構(gòu)逐漸向以耐鹽菌為優(yōu)勢菌種的方向 演變，當(dāng)鹽分濃度繼續(xù)增加到一定范圍后，AOB 菌 種及數(shù)量都逐漸減少54，硝化反應(yīng)開始受到抑制目前已 知 的 NOB 菌 屬 種 類 少 于 AOB，常 見 的 NOB 菌屬為 Nitrobacter 和 Nitrospira，這 兩 種 菌 屬 廣 泛分布于天然水體、市政污水處理廠等環(huán)境中

43、，是全 球亞硝酸鹽氧化的重要參與者9，58 其中，Nitrospira 被稱為 k-對策者，具有低生長率與高基質(zhì)親和性，適 應(yīng)于低亞硝酸鹽和低氧氣濃度，適應(yīng)環(huán)境能力較強(qiáng) 它 Nitrospira marina 是 Nitrospira 屬 中 的 嗜 鹽 菌，它 可以耐受高鹽脅迫，同時具有兼養(yǎng)微生物特性，使其 可以利用有機(jī)和無機(jī)碳源，通常在高鹽水體或者水 質(zhì)成分變 化 較大的環(huán)境下較為豐 富59 Nitrobacter 被稱為 r-對策者，具有高生長率與低基質(zhì)親和性，在 亞硝酸鹽和氧氣濃度較高時大量增殖，但易受嚴(yán)酷參與硝化過程的細(xì)菌分為好 氧 氨 氧 化 菌 ( am-monium oxidi

44、zer，AOB) 和亞硝酸鹽氧化菌( nitrite ox- idizer，NOB) 其中，AOB 有 4 個屬: 亞硝化單胞菌屬( Nitrosomonas) ，包含: 歐洲亞硝化單胞菌 ( Neuro-paea) 、紅假亞硝化單胞菌( N oligotropha) 、運(yùn)動型亞硝化單胞菌( N mobilis) 等 10 個種; 亞硝化球菌屬( Nitrosococcus) ，包含: 亞硝基亞硝化球菌 ( Nni-trosus) 、海洋亞硝化球菌 ( N oceani ) 2 個種; 亞硝化螺菌屬( Nitrosospira) ，包含: 白里亞硝化螺菌( Nbriensis) 、多型亞硝化螺

45、菌( N multiformis) 、纖細(xì)亞硝化螺菌 ( Ntenuis )3 個 種; 以及亞硝化葉菌屬 ( Nitrosolobus) ，只有多形亞硝化葉菌( Nmultiformis) 1 個種; NOB 有 4 個屬: 硝化桿菌屬 ( Nitrobacter) ，包含: 漢堡硝化桿菌( N hamburgensis) 、烏氏硝化桿菌( N vulgaris) 和維氏硝化桿菌 ( Nwinogradskyi)等 3 個種; 硝化球菌屬( Nitrococcus) ，只含活動硝化球菌( Nmobilis)1 個種; 硝化刺菌屬( Nitrospina) ，含纖細(xì)硝化刺菌( N gracil

46、is) 1 個種; 以及硝化螺菌屬( Nitrospira) ，包含海洋硝化螺 ( N marina) 以 及moscoviensis 2 個種52 由于 AOB 和 NOB 對鹽分及 不穩(wěn)定環(huán)境的影 響9，54，58 關(guān) 于NNitrobacter和的敏感程度不同，同屬不同種的微生物對鹽分的敏感程度也存在差異，造成硝化反應(yīng)體系在無鹽條件 和不同鹽分濃度下的菌群結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)顯著性差異AOB 易受溶 解 氧、鹽 分、有機(jī)碳等環(huán)境因素的 影響18，30，在普通污水處理廠活性污泥中占優(yōu)勢的 AOB 菌屬是 Nitrosomonas，較常見的有: 歐洲亞硝化Nitrospira在鹽分脅迫下變化規(guī)律的研究結(jié)

47、果存在一定爭 議 有 研 究 顯 示，當(dāng)鹽分濃度持 續(xù) 增 高 時，Ni- trobacter 首先 被 淘 洗 出 生 物 脫 氮 系 統(tǒng)54，Nitrospira 幾 乎 不 受 影 響; 也 有 研 究 證 實，在 鹽 分 增 加 時 Nitrobacter比 例 增 加，Nitrospira 減 少58 總 之，鹽 分 脅迫條件下 NOB 菌群結(jié)構(gòu)與亞硝酸鹽濃度、系統(tǒng)操 作條件以及鹽分濃度變化密切相關(guān)，Nitrospira 能更 好地適應(yīng)高鹽環(huán)境，而 Nitrobacter 在較高亞 硝 酸 鹽 濃度時占優(yōu)勢另外，鹽分對 AOB 和 NOB 的抑制作用是可逆 過程，當(dāng)鹽度恢復(fù)到原來的水

48、平，部分 AOB 和 NOB 可以在較短的時間內(nèi)恢復(fù)，表明某些硝化微生物可 以在高鹽脅迫下生存，但濃度和數(shù)量低于檢測水平， 當(dāng)鹽分濃度逐漸降低，菌群數(shù)量逐步得到恢復(fù)，硝化 反應(yīng)效率也逐漸升高并恢復(fù)到正常水平6，54單胞菌( N europaea) 、臼養(yǎng)亞硝 化 單 胞 菌 ( Neu-tropha) 、運(yùn)動型亞硝化單胞菌( N mobilis) 、嗜鹽亞硝化單胞菌( N halophila) 、海洋亞硝化單胞菌( N marina) 及紅假亞硝化單胞菌( N oligotropha) 由于 環(huán) 境與處理條件不 同，包含的種屬存在一定差 異17，53 54 其 次 常 檢 測 到 的 AOB

49、還 有 Nitrosospi-ra6，53 其 中halophila、NNitrosomonas屬 的N europaea、 Nmarina 及 N mobilis 歸屬為耐鹽菌 / 嗜鹽菌，N oligotropha 和 N ureae 則被認(rèn)為對鹽分敏感9，54 55 在鹽分 脅 迫 下，Nitrosomonas 仍 然 是 占 優(yōu) 勢的 AOB 菌 屬，Nitrosospira 數(shù) 量 較 少，Nitrosomonas 屬的大部分菌種能在約 10 15 g NaCl·L 1 高鹽濃 度下生 存17，31，53 54，這 可 能 與 Nitrosomonas 屬 中 半 數(shù)的菌種

50、為耐鹽菌 / 嗜鹽菌有關(guān) 由于環(huán)境和操作條 件的差異，以及各菌種對鹽分的敏感性差異，造成不 同鹽濃度下優(yōu)勢菌種的報道存在一定差異 目前有4結(jié)論與展望鹽分對硝化反應(yīng)產(chǎn)生明顯的抑制性影響，產(chǎn)生抑制的程度與鹽分濃度相關(guān)，但鹽分濃度對硝化效 率的影響，以及對 AOB 及 NOB 的抑制程度，不同研 究的結(jié)論差異較大 目前，對于鹽分脅迫下的硝化反 應(yīng)機(jī)理主要是從高鹽濃度下生物群落結(jié)構(gòu)的變化、2138應(yīng) 用 生態(tài)學(xué)報25 卷高滲透壓導(dǎo)致微生物細(xì)胞產(chǎn)生質(zhì)壁分離以及鹽分脅迫下的細(xì)胞形態(tài)，包括胞外聚合物等成分改變等方 面來開展研究 然而，對于生物脫氮工藝降低鹽分抑 制硝化反應(yīng)的具體機(jī)制、硝化細(xì)菌滲透壓耐受機(jī)制

51、的生理特性、硝化微生物的耐鹽機(jī)理、菌群在鹽分脅 迫下的復(fù)雜變化以及鹽分脅迫下生物絮體的變化如何影響硝化反應(yīng)效率等方面還有待進(jìn)一步研究 鹽 分對硝化反應(yīng)脅迫機(jī)理的深入研究，將為高鹽廢水 的生物處理工藝提供科學(xué)依據(jù)綜上所述，為使高鹽含氮廢水的生物脫氮處理 工藝高效穩(wěn) 定 運(yùn) 行，建議采取以下措施: 1 ) 在 生 物 脫氮工藝前先對高鹽廢水進(jìn)行脫鹽處理，降低高鹽分對硝化反應(yīng)的毒害作用; 2) 利用普遍存在于海水 環(huán)境中的嗜鹽硝化菌處理高鹽廢水，可以降低鹽分 對生物脫氮 的 抑 制 影 響，提高系統(tǒng)的處理效果; 3 ) 馴化淡水微生物，使硝化微生物對鹽分產(chǎn)生適應(yīng)性， 降低鹽分對反應(yīng)系統(tǒng)的抑制作用;

52、4) 選擇適當(dāng)?shù)奶幚砉に嚺c裝置 如前所述，連續(xù)流工藝的耐鹽性能優(yōu) 于序批式，生物膜法的耐鹽能力大于活性污泥法 將 生物量持留于反應(yīng)器是避免生長緩慢的硝化細(xì)菌流 失的關(guān)鍵因素，防止流失可以增加細(xì)菌對抑制物的 耐受性，某些類型的反應(yīng)器具有較高的微生物停留 時間，有利于對抑制物產(chǎn)生適應(yīng)性的微生物大量增長，因而也是 處 理高鹽含氮廢水的一個較好選擇;5) 開發(fā)新型生物脫氮技術(shù)和工藝 利用鹽分對 AOB 和 NOB 在抑制程度上的差異，選擇短程硝化工藝等 新型脫氮工藝開發(fā)，實現(xiàn)高鹽含氮廢水的高效脫氮 將是今后的一個發(fā)展方向tions on nitrification of saline wastewat

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