反硝化細(xì)菌的研究進(jìn)展

反硝化細(xì)菌的研究進(jìn)展

微生物反硝化過程是一種有效的經(jīng)濟(jì)有效鹽酸鹽去除方法。反硝化細(xì)菌在此過程中起非常重要的作用,它能夠使NO3-逐步轉(zhuǎn)變?yōu)镹O2-、NO、N2O和N2,從而達(dá)到脫氮的目的。傳統(tǒng)的反硝化細(xì)菌屬于異養(yǎng)微生物,在厭氧條件下進(jìn)行反硝化作用,后來又發(fā)現(xiàn)了好氧的反硝化細(xì)菌,最近有報(bào)道稱反硝化細(xì)菌也有自養(yǎng)的。本文就反硝化細(xì)菌的研究情況作一概述。1異聚氧和反硝化細(xì)菌及其處理中的應(yīng)用1.1設(shè)硝酸鹽篩選工藝異養(yǎng)厭氧的反硝化細(xì)菌在轉(zhuǎn)換硝酸鹽為氮?dú)鈺r(shí)不需要氧氣,并且需要有機(jī)碳作為碳源和電子供體。A/O工藝是缺氧-好氧(Anoxic/Oxic)生物處理系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱,它是隨著廢水脫氮要求的提高而出現(xiàn)的。A/O工藝所完成的生物脫氮在機(jī)制上主要由硝化和反硝化2個(gè)生化過程構(gòu)成,污水先在好氧反應(yīng)器中進(jìn)行硝化,使含氮有機(jī)物被細(xì)菌分解成氨,然后在亞硝化細(xì)菌的作用下氨進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮,再經(jīng)硝化細(xì)菌作用而轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮。硝酸鹽氮進(jìn)入缺氧或厭氧反應(yīng)器后,經(jīng)過反硝化作用,利用或部分利用污水中原有的有機(jī)碳源為電子供體,以硝酸鹽代替分子氧作為電子受體,進(jìn)行無氧呼吸,分解有機(jī)質(zhì),同時(shí)將硝酸鹽氮還原為氮?dú)?圖1)。通過這樣的循環(huán)可取得高的COD和BOD去除率。單級(jí)A/O工藝是由一個(gè)缺氧反應(yīng)器和另一個(gè)好氧反應(yīng)器組成的聯(lián)合系統(tǒng),從好氧反應(yīng)器出來的部分混合液靠回流泵回到缺氧反應(yīng)器進(jìn)水端,另一部分進(jìn)入二沉淀池分離活性污泥后上清液作為出水。好氧段混合液回流的目的在于向缺氧段提供反硝化作用所需的氧化態(tài)氮,因此回流比的大小對(duì)反硝化效果具有較大影響?；旌弦夯亓鞅却髸r(shí),返回到缺氧段的氧化態(tài)氮含量增加,若缺氧段有足夠的碳源,則脫氮效率可得以提高。但相應(yīng)增加動(dòng)力消耗,而且還會(huì)造成缺氧段DO值升高,進(jìn)而影響反硝化效果。由表1可見,要取得滿意的脫氮率,必需保證足夠大的混合液回流比,這勢(shì)必增加系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用,因此是A/O工藝的一個(gè)缺點(diǎn)。表1表明,A/O工藝很難取得85%以上的脫氮率。1.2反硝化-生物脫氮法O/A工藝即好氧-缺氧(Oxic/Anoxic)工藝,是廢水生物脫氮工藝的另一種形式,它與單級(jí)A/O工藝的不同之處在于直接將含有各種形態(tài)氮的廢水通過好氧過程使其充分硝化,轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛猁}氮后再進(jìn)入缺氧反應(yīng)器,經(jīng)過反硝化過程達(dá)到脫氮的目的,整個(gè)工藝不需要回流(圖2)。由于首先進(jìn)行的好氧過程會(huì)使大部分BOD物質(zhì)去除,為反硝化過程添加碳源成為必須,因此該工藝適合于處理碳源不足而以生物脫氮為主要目的的廢水。O/A工藝與A/O工藝相比簡(jiǎn)單了許多。但是,由于先進(jìn)行的好氧過程使得大部分的BOD物質(zhì)去除,反硝化反應(yīng)所需的碳源不足,要想使反硝化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行,就必需向反硝化反應(yīng)器中投加有機(jī)碳作為碳源和電子供體,這樣又增加了運(yùn)行成本。所以這種工藝在處理污水時(shí)仍存在需要改進(jìn)的地方。厭氧反硝化細(xì)菌只有在厭氧條件下進(jìn)行反硝化作用,而硝化作用是在好氧條件下進(jìn)行,因此硝化和反硝化作用必須分別在2個(gè)不同的反應(yīng)器里進(jìn)行,好氧反硝化細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)可以改變微生物脫氮的工藝。2異質(zhì)醇酸乙醇及其處理中的應(yīng)用2.1好氧反硝化菌1980年Meiberg等報(bào)道HyphomicrobiumX能夠在有氧的情況下進(jìn)行反硝化作用。好氧的反硝化模型在一定情況下得到了討論,各種各樣的培養(yǎng)基,如細(xì)菌富集培養(yǎng)基能夠產(chǎn)生厭氧的、允許反硝化進(jìn)行的條件。然而,近來越來越多的實(shí)驗(yàn)表明,在同種細(xì)菌懸浮培養(yǎng)基中,溶解氧的濃度達(dá)到10%到20%的飽和,這說明好氧反硝化作用的確在發(fā)生?，F(xiàn)已從污水中分離出一種好氧反硝化菌Thisphaerapantotropha,并且發(fā)現(xiàn)它有一個(gè)基本的硝酸鹽還原酶。Bell和Ferguson已經(jīng)證實(shí)在有氧的情況下這種酶具有活性。Rorberson等也報(bào)道了在周圍環(huán)境有溶解氧的情況下,即使沒有中間產(chǎn)物亞硝酸鹽Thisphaerapantotropha也能夠把氨轉(zhuǎn)換為氮?dú)?。Kshirsagar等用Thisphaerapantotropha和活性污泥的混合物在完全有氧的條件下處理污水,證實(shí)了這種反硝化是的確存在的。臺(tái)灣科學(xué)家Shwu-Ling、Nyuk-Chong和Chei-HsiangChen從水稻稻谷的沉淀中發(fā)現(xiàn)了3種反硝化細(xì)菌,既能夠在有氧的條件下也能夠在無氧的條件下轉(zhuǎn)換硝酸鹽生成氮?dú)狻?.2好氧生物脫氮過程將好氧反硝化細(xì)菌同硝化菌群混合培養(yǎng),可在同一反應(yīng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)硝化-反硝化過程,這樣,硝化反應(yīng)的產(chǎn)物可直接成為反硝化反應(yīng)的底物,避免了培養(yǎng)過程N(yùn)O3-的積累對(duì)硝化反應(yīng)的抑制,加速了硝化反應(yīng)的過程;而且,反硝化反應(yīng)釋放出的OH-可部分補(bǔ)償硝化反應(yīng)所消耗的堿,能使系統(tǒng)中的pH相對(duì)穩(wěn)定;同時(shí),硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)可在相同的條件和系統(tǒng)下進(jìn)行,可簡(jiǎn)化操作的難度,大大降低投資費(fèi)用和運(yùn)行成本。因此,國(guó)外已對(duì)好氧條件下的生物脫氮過程開展了較深入的研究。目前已知的好氧反硝化菌有Pseudomonasspp.、Alicaligenesfaecalis和Thiosphaerapantotropha等,Robertson等人還提出了好氧反硝化的工作模型,即Thiosphaerapantotropha和其他好氧反硝化菌使用硝酸鹽/亞硝酸鹽呼吸(好氧反硝化)和氨氧化,以及在最后一步作為過量還原能量的累積過程形成Poly-β-hydroxybuty-rate(PHB)。Gupta等研究了RBC(rotatingbiologicalcontactor)反應(yīng)器中的同時(shí)硝化-反硝化現(xiàn)象,證實(shí)了Thiosphaerapantotropha細(xì)菌具有好氧反硝化的功能,并指出同時(shí)硝化-反硝化是最經(jīng)濟(jì)的脫氮方法;而國(guó)內(nèi)在這方面的研究報(bào)道則較少。3利用自養(yǎng)反硝化菌的堿異養(yǎng)反硝化細(xì)菌在硝酸鹽轉(zhuǎn)換過程中是十分有效的,但是它需要有機(jī)碳作為碳源。然而當(dāng)污水中的有機(jī)碳不足或者是沒有有機(jī)碳的時(shí)候,要完成反硝化作用就必須要向污水中投放有機(jī)化合物,如甲醇或者簡(jiǎn)單的有機(jī)物等。由于這個(gè)原因,自養(yǎng)反硝化作用越來越受到人們的重視。自養(yǎng)反硝化細(xì)菌所需要的能量是從無機(jī)物作為電子供體的氧化-還原反應(yīng)中釋放出來的。自養(yǎng)反硝化細(xì)菌利用無機(jī)碳化合物(如CO2,HCO3-)作為它們的碳源,因此,不需要異養(yǎng)反硝化過程中必需的有機(jī)碳。它有兩個(gè)優(yōu)勢(shì):①不需要投放有機(jī)物作為碳源,節(jié)省開支;②產(chǎn)生極少量的污泥,因此將污泥的處理量降低到最小。自養(yǎng)反硝化細(xì)菌主要有利用氫的反硝化細(xì)菌和利用硫的反硝化細(xì)菌。由于很難收集氫氣,并且生成氫氣(如從甲醇中)又比較昂貴,所以近來主要的研究方向是利用硫的反硝化過程。利用硫的反硝化細(xì)菌有Thiobacillusdenitrificans和Thiomicrospiradenitrificans。脫氮硫桿菌(Thiobacillusdenitrificans)是一種自養(yǎng)反硝化菌,短桿菌,大小為0.5μm×1～3μm,革蘭氏陰性,無孢子,能運(yùn)動(dòng)。它在將硫或硫的化合物氧化為硫酸鹽的同時(shí),將硝酸鹽還原為氮?dú)?該過程的反應(yīng)式如下:55S+50NO3-+38H2O+20CO2+4NH4+→4C5H7O2N+25N2+55SO42-+64H+①反硝化過程產(chǎn)生的H+會(huì)降低環(huán)境的pH值,而脫氮硫桿菌生存的最優(yōu)pH環(huán)境為中性,因此要想中和反應(yīng),就必須向反應(yīng)中投加堿。CaCO3+H+=HCO3-+Ca2+HCO3-+H+=H2CO3H2CO3=H2O+CO2②根據(jù)反應(yīng)①和②,每克NO3-N轉(zhuǎn)換所需要的堿(如CaCO3)是4.57g(消耗堿的比例)。據(jù)報(bào)道,從試驗(yàn)中獲得的堿的消耗比例是2.9～4.6,因此這樣高的堿消耗率就會(huì)增加運(yùn)行的成本。兩個(gè)方法可以解決這個(gè)問題:一個(gè)是利用石灰石作為堿的來源,建立硫-石灰石自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)(sulfurandlimestoneautotrophicdenitrificationsystems,SLAD)。雖然在自養(yǎng)的反硝化過程中利用石灰石看起來是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法,但是它仍有不盡人意的地方,如增大了排出物中總?cè)芙夤腆w(totaldissolvedsolids,TDS)的量。同時(shí),雖然這種方法對(duì)于NO3-N的含量低于100mg/L的污水處理是十分成功的,但是當(dāng)處理高硝酸鹽含量的污水(當(dāng)污水中NO3-N的含量高于100mg/L)時(shí),由于CaCO3在水中的溶解度很低,很難用石灰石提供堿,就會(huì)發(fā)現(xiàn)反硝化效率降低,并且有硝酸鹽的積累。另一種減少堿的消耗的方法是利用異養(yǎng)反硝化作用產(chǎn)生的堿,也就是說將自養(yǎng)反硝化菌與異養(yǎng)反硝化菌混合培養(yǎng),這樣自養(yǎng)反硝化所需要的堿就可以從異養(yǎng)反硝化產(chǎn)生的堿中獲得。根據(jù)USEPA報(bào)道,在異養(yǎng)反硝化中,每克NO3-N轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的堿(以CaCO3計(jì))是3.57g,見反應(yīng)③:NO3-+1.08CH3OH+0.24H2CO3=0.056C5H7O2N+0.47N2+1.68H2O+HCO3-③Kim和Bae報(bào)道,當(dāng)利用甲醇的異養(yǎng)反硝化轉(zhuǎn)換了56%的硝酸鹽的時(shí)候就不再需要額外投加堿了。因此,如果能夠恰當(dāng)?shù)乜刂飘愷B(yǎng)反硝化消耗的硝酸鹽的量,就可以不必再向利用硫的自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中投加堿了。但是想得到這個(gè)最合適的量并不是一件容易的事,還需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)?？傊?反硝化細(xì)菌能夠把污水中的硝酸鹽轉(zhuǎn)換為氮?dú)忉尫懦鰜?這在污水處理系統(tǒng)中是十分重要的。異養(yǎng)反硝化細(xì)菌有厭氧和好氧的兩種類型,它們都需要有機(jī)碳作為碳源和電子供體,一旦污水中的有機(jī)碳含量極低或者不含有有機(jī)