異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌的研究進展

異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌的研究進展

1983年，威廉a(chǎn).羅伯特等人發(fā)現(xiàn)了具有異構(gòu)硝化性和抗硝化性的藥物類化合物（后來被稱為paracocusapi-35512），具有較強的異構(gòu)硝化性。提出了異構(gòu)硝化性好氧反硝化菌的概念后，出現(xiàn)了更多具有這些特征的菌株。它們在自然環(huán)境和污水處理機械中得到了分離，在污水處理試驗中顯示出了良好的同步硝化性（swd）脫氮效果。與傳統(tǒng)的生物脫氮工藝相比,由異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌進行的生物脫氮過程具有獨特優(yōu)勢:(1)硝化和反硝化能夠同時在一個反應(yīng)器中進行,可以大大減少占地面積和建設(shè)資金;(2)系統(tǒng)pH相對穩(wěn)定;(3)水中的高濃度有機物可直接作為脫氮所需碳源,好氧脫氮過程中可同時去除COD;(4)異養(yǎng)硝化過程對有機碳的需求克服了傳統(tǒng)硝化池不耐有機負(fù)荷的缺陷。目前雖然也有文獻報道一類好氧反硝化菌和一般硝化菌在共存條件下實現(xiàn)SND,但是普通的硝化菌是自養(yǎng)菌,而好氧反硝化菌為異養(yǎng)菌,存在生態(tài)位上的競爭,在反應(yīng)器長期運行過程中硝化菌可能最終被淘汰,導(dǎo)致脫氮效果下降。因此,利用同時具有異養(yǎng)硝化和好氧反硝化能力的菌種,實現(xiàn)同步硝化反硝化的脫氮方式,更為高效、穩(wěn)定和經(jīng)濟。目前對于異養(yǎng)硝化-好氧反硝化現(xiàn)象報道較多,但對于可進行SND的異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌的反應(yīng)特性、原理及影響因素鮮有評述。對此,筆者綜述了國內(nèi)外已篩選分離的異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌的脫氮特性,闡述了異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌的作用機理、影響因素及其在N2O控逸方面的研究現(xiàn)狀,并對今后的研究與應(yīng)用方向作出展望,為SND脫氮研究提供更多信息。1耐低溫廢水特性近幾年,研究者在不同環(huán)境下分離出異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌,主要分屬包括不動桿菌、假單胞菌、蠟狀芽孢桿菌等。具體種屬及來源如表1所示。多項研究結(jié)果表明,與傳統(tǒng)脫氮菌相比,異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌在脫氮和去除有機物方面具有較大優(yōu)勢。除此之外,部分菌種具有特殊的生存屬性,對特殊環(huán)境下的污水處理具有重大意義:(1)耐鹽。孫雪梅等分離出的一株鹽單胞菌X3在鹽度為15%的培養(yǎng)液中仍能生存。(2)耐低溫。JibinZhang等分離出的PseudomonasstutzeriYZN-001,在10℃下72h后氨氮去除率高達95%,在4℃時兩周后可達到相同的效果;ShuoYao等篩選的耐低溫異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌群在10℃時,氨氮去除速率和硝氮去除速率分別高達3.1、9.6mg/(g·h)。(3)耐貧營養(yǎng)。蘇俊峰等分離出了一株不動桿菌SHW1,利用其處理營養(yǎng)貧乏的景觀水體時NH4+-N去除率可達到100%,TN去除率可達到98.49%。(4)耐高濃度氨氮。司文攻等用高氨氮廢水篩選馴化出8株異養(yǎng)硝化菌株,并研究了單菌株以及組合菌液的脫氮效果,其中N4+N5+N6組合菌液在碳氮比為3.2、NH4+-N高達446.9mg/L、運行52h后,NH4+-N去除率可達到99.9%,TN去除率達66.5%;QinglingZhang等分離出的BacillusmethylotrophicusstrainL7,初始氨氮濃度越高,菌體生長和脫氮效果越好,氨氮質(zhì)量濃度為1121.24mg/L時,氨氮去除速率為90.95mg/(L·d)。2硝化菌影響因素一般來說,影響菌種生長的主要因素包括碳源、碳氮比、DO、pH和溫度,一些研究者通過正交試驗探索了影響異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌各因素之間的強弱關(guān)系,如表2所示。表2顯示,碳源、碳氮比和DO是影響異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌脫氮效果的主要因素,而pH的影響不大。由表1可見,菌體適合生長在中性偏堿性的環(huán)境下,由于菌體能同時進行硝化和反硝化,兩個反應(yīng)部分產(chǎn)生的酸堿度可以相互平衡,導(dǎo)致體系內(nèi)的pH相對穩(wěn)定,因此以下主要討論碳源、碳氮比和DO等因素對異養(yǎng)硝化-好氧反硝化的影響。2.1初始碳源對脫氮效果的影響菌株需要消耗碳源來提供異養(yǎng)硝化-好氧反硝化過程中所需能量和電子,采用不同碳源對菌株的生長、脫氮效率等均有影響。王宏宇等研究表明,以丁二酸鹽和乙酸鹽作為碳源時,菌株X31的脫氮效果要明顯好于蘋果酸鹽作為碳源。劉晶晶等在分析WXZ-4的好氧反硝化性能時發(fā)現(xiàn),分別用檸檬酸三鈉、琥珀酸鈉、乙酸鈉作為碳源,檸檬酸三鈉的總氮去除率最高。這是因為反硝化是氧化還原反應(yīng),需要碳源提供電子,而不同的碳源本身在氧化還原體系中所處的位置、還原性以及被菌體利用的容易程度都會影響其向反硝化酶系提供電子的能力,從而影響脫氮效果,這與J.J.Her等的研究結(jié)果一致。J.J.Her等研究表明,碳源的化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子質(zhì)量對反硝化效率影響很大,一般結(jié)構(gòu)越簡單、分子質(zhì)量越小的碳源越容易被菌體利用,越利于反硝化的進行。異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌對碳氮比的適應(yīng)范圍較廣。在一定范圍內(nèi),脫氮效果隨初始COD的增加而增大,這可以從兩個方面來解釋:一方面,COD較低的情況下AMO(氨單加氧酶)和HAO(羥胺氧化酶)之間存在對碳源的競爭,因此氨氮去除效率受到限制,隨著COD的增加,這種競爭逐漸減小,脫氮效率增加。DN1.2菌株去除氨氮的試驗結(jié)果顯示,氨氮去除率隨著碳源的上升而增大,然而當(dāng)碳氮比達到20以上時,氨氮去除率明顯下降,這可能與高濃度碳源對菌體的抑制作用有關(guān)。另一方面,周質(zhì)酶NAR的基因調(diào)控蛋白(FNR)對氧化還原反應(yīng)敏感,在高碳氮比時,氧化還原反應(yīng)比較強,FNR類蛋白活性高,激活好氧反硝化菌的反硝化相關(guān)基因表達,從而增加脫氮反應(yīng)活性。2.2影響好氧反硝化及異養(yǎng)硝化菌的脫氮效果根據(jù)J.M.Wehrfritz等的異養(yǎng)硝化-好氧反硝化偶聯(lián)機制,O2在AMO和HAO處參與反應(yīng),并且與硝氮/亞硝氮協(xié)同呼吸,在整個脫氮過程中是必不可少的底物,但針對不同菌株的試驗結(jié)果表明,DO對脫氮的影響效果并無統(tǒng)一規(guī)律。左薇將SBR反應(yīng)器的碳氮比控制在6左右,分別檢測了異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌AD3在DO為0.5、1.0、2.0mg/L時的脫氮效果,實驗結(jié)果表明DO對于好氧反硝化及異養(yǎng)硝化效果沒有十分大的影響。類似地,WXZ-4對DO也不敏感。然而YF14和WXZ-8恰好相反,DO對其脫氮效果影響較大。辛玉峰等的研究表明,YF14的脫氮效果隨轉(zhuǎn)速的增加而提高;廖小紅等對WXZ-8進行的正交實驗結(jié)果表明,轉(zhuǎn)速是影響其脫氮水平的最重要因素。轉(zhuǎn)速體現(xiàn)的是系統(tǒng)的DO,即DO對體系脫氮效果影響很大。不同菌株同步硝化反硝化的途徑有所不同,以及反應(yīng)所需的酶對氧的敏感度不同可導(dǎo)致試驗結(jié)果差異。2.3異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌的脫氮作用異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌可以同時利用NH4+-N、NO2--N、NO3--N作為氮源,不同氮源之間存在相互影響。在傳統(tǒng)的自養(yǎng)硝化過程中,硝酸鹽或亞硝酸鹽的加入會抑制硝化反應(yīng)的進行。而孫雪梅等發(fā)現(xiàn),在氨氮降解測試液中加入硝酸鹽或亞硝酸鹽后,不但沒有抑制異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌株X3對氨氮的降解,相反地12h總氮去除率提高了20%左右。肖繼波等在研究異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌株DN7時也得到了類似的結(jié)論,同時還發(fā)現(xiàn)少量NH4+-N(體積分?jǐn)?shù)<30%)的加入利于菌株對硝酸鹽的利用,其他一些研究者也得出類似的結(jié)果。以上結(jié)論充分說明,異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌脫氮時其異養(yǎng)硝化和好氧反硝化反應(yīng)是相互促進的。根據(jù)J.M.Wehrfritz的理論推測,在異養(yǎng)硝化實驗系統(tǒng)中加入硝酸鹽/亞硝酸鹽,會誘導(dǎo)細胞合成后續(xù)反應(yīng)中所需要的還原酶,從而加速反應(yīng)進行;在好氧反硝化實驗系統(tǒng)中加入氨氮,菌體啟動異養(yǎng)硝化,其產(chǎn)生的電子傳遞給反硝化系統(tǒng),推動好氧反硝化進行。此外有研究表明,一些金屬離子的加入可顯著提高異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌對氨氮和硝氮的利用效率。J.K.Kim等研究發(fā)現(xiàn)Ca2+、Fe2+和Mg2+等金屬離子對Bacillussp.的生長和脫氮效率有較大影響。Mg2+能刺激AMO的活性,而Fe2+可以提高HAO的活性。3好氧反硝化菌株對nao逸出量的控制N2O因?qū)t外輻射吸收效率極高,因而被公認(rèn)是溫室氣體的主要組分之一。目前的研究認(rèn)為,N2O主要是在微生物進行硝化和反硝化過程中產(chǎn)生的,如圖1所示。對于異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌,產(chǎn)生N2O的途徑有兩種:N2O作為羥胺氧化為亞硝酸過程中的副產(chǎn)物被釋放;在亞硝酸進行好氧反硝化時產(chǎn)生。這與一般的硝化和反硝化過程類似。研究結(jié)果顯示,異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌生成的N2O也比一般自養(yǎng)硝化菌少得多,這是因為異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌脫氮過程中NO2-積累量較少,導(dǎo)致由NO2-產(chǎn)生的N2O也很少。WYLW-X06菌株的N2O產(chǎn)量占TN去除量的0.572%;WYLW1-6的N2O產(chǎn)量占TN去除量的0.598%;Delftiatsuruhatensis在最優(yōu)條件下(碳氮比為15、DO為30%、pH=7.5)的N2O產(chǎn)量僅占TN去除量的0.04%。這為進一步控制脫氮過程中逸出N2O導(dǎo)致的二次污染開辟了一條新途徑,即選取N2O逸出量少且可高效脫氮的菌株,從內(nèi)因上控制有害氣體N2O的逸出。劉晶晶等對一株高效異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌Delftiatsuruhatensis進行了三因素二水平正交實驗,發(fā)現(xiàn)對N2O產(chǎn)量的影響因素為碳氮比>DO>pH。對于N2O逸出量的影響因素,最主要的是碳氮比和DO。S.Schalk-Otte等認(rèn)為,碳源供應(yīng)不足是導(dǎo)致反硝化過程中釋放出大量N2O的主要原因:當(dāng)外界電子供體充足時,各還原酶間不存在競爭抑制,氧化亞氮還原酶的活性得到正常發(fā)揮,生成的N2O順利轉(zhuǎn)化為N2,從而避免了N2O直接從系統(tǒng)中逸出。董黎明等就碳氮比對廢水好氧脫氮中含氮氣態(tài)產(chǎn)物的影響進行了深入研究,發(fā)現(xiàn)N2O逸出量隨著進水碳氮比的降低而增加:碳氮比為9時,N2O逸出30.86mg;碳氮比為12時,N2O逸出12.44mg;碳氮比為15時,N2O逸出2.92mg;碳氮比為18時,N2O逸出1.51mg。由此可見,碳氮比為9時的N2O逸出量是碳氮比為18時的20多倍,證實了碳氮比是好氧反硝化N2O逸出的主要影響因素之一。J.Letey等認(rèn)為在硝化系統(tǒng)中溶解氧的波動是反硝化釋放N2O的主要原因。尹明銳等在研究WXZ-8的脫氮產(chǎn)物(N2O和N2)時發(fā)現(xiàn),N2O氣體產(chǎn)量在空氣密封條件下為從原水中總脫除氮量的0.047%;在以純氧密封的條件下為0.024%,說明DO較高時N2O的逸出量較低。然而林娜等的研究結(jié)果與此相反:菌株HWTT在缺氧條件下,N2O/(N2O+N2)低于0.15%;好氧條件下,N2O/(N2O+N2)在70%以上,且14h后N2O逸出量也沒有很大波動,N2O仍是主要產(chǎn)物,表明HWTT在DO較高時N2O逸出量較高。異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌種中好氧反硝化酶系統(tǒng)對氧氣的敏感程度不同,可造成這類試驗結(jié)果的差異。根據(jù)以上所述可以發(fā)現(xiàn),碳氮比和DO是影響異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌N2O控逸性以及脫氮性能的主要因素,因此可以針對不同的碳氮比和DO情況,調(diào)節(jié)篩選菌種達到污水處理過程中脫氮和N2O控逸最優(yōu)化。4生化強化技術(shù)研究異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌具有良好的脫氮性能,目前許多脫氮研究都僅僅局限在試驗的初級階段,真正投入廢水處理應(yīng)用的實例較少。今后的研究方向可在以下幾個方面進行拓展:(1)將分子生物學(xué)技術(shù)與微生物技術(shù)相結(jié)合,深入研究異養(yǎng)