濰坊天一環境工程有限公司作者
近年來,關于好氧反硝化過程的研究主要集中在三個方面:分別是好氧反硝化菌株的分離和脫氮性能表征,好氧反硝化微生物的應用潛力分析,以及好氧反硝化過程的機理研究。
好氧反硝化菌株分布范圍廣泛,可從多種環境中分離得到,種屬以Pseudomonas sp.、Alcaligenessp.和Paracoccus sp.為主。好氧反硝化菌株及菌群在實驗室條件下表現出優良的耐冷、耐鹽特性,并具有可降解毒性有機物及 N O減排的潛力。關于好氧反硝化過程的機理研究表明,雖然2硝酸鹽作為電子受體的競爭力比氧氣弱,但反硝化作為輔助電子傳遞途徑,可提高產能效率,防止 NAD(P)H的過量積累。因此,硝酸鹽可與氧氣同時參與微生物的新陳代謝,即發生好氧反硝化現象。未來除了繼續分離更新更好的好氧反硝化菌株外,應加強對好氧反硝化機理及實際生物強化方面的研究。
關于好氧反硝化過程的研究主要集中在以下三個方面:
(1) 好氧反硝化菌株的分離鑒定與脫氮性能表征;
(2) 好氧反硝化過程的應用潛能分析;
(3) 好氧反硝化過程的機理研究。本文將從這三個方面綜述近年來的研究成果,并對今后的研究方向進行展望。
1,好氧反硝化菌株的分離與生理生化特性研究
一直以來,關于異養硝化-好氧反硝化過程的影響因素研究主要集中在碳源、 C/N、溶解氧(Dissolved oxygen, DO)、pH、溫度等方面。已有的研究結果表明,大部分菌株的碳源為丁二酸鈉,也有部分菌株在乙酸鈉 或葡萄糖作碳源時效果。大部分異養硝化-好氧反硝化菌株在較高的C/N條件下可達到的生長速。也有研究者分離出一些貧營養菌株,可在 C/N為2時達到的脫氮效果。DO的研究多以搖瓶實驗的轉速或頂空氧氣飽和度來表征,zui適搖瓶轉速一般為 120–150 r/min (DO約為4–6 mg/L)頂空氧氣飽和度為 15%–30%株在中性偏堿的 pH條件下活性zui高度為 25–37 °C 。
近年來,研究人員對影響好氧反硝化菌生長和脫氮效果的一些其他因素展開了研究。 Chen等研究了多種因素對 Aeromonas sp. HN-02的沖擊影響,其中包括 pH、低溫和重金屬沖擊。菌株HN-02可適應 pH 4.0–10.0的環境,優于此前報道的大部分好氧反硝化菌。2 mg/L的 Cu對菌株的影響非常大,但相同濃度的 Zn則基本無影響,表明菌株對 Cu更敏感。綜合來看,目前關于好氧反硝化菌分離與表征的研究多集中在不同菌株的分離、脫氮性能表征和影響因素討論三方面,對不同好氧反硝化菌株之間共性及機理的研究較少。以后的研究除了繼續分離更新更好的菌株之外,對好氧反硝化菌共性和機理的研究也有待加強。
2,好氧反硝化菌的應用潛力分析
好氧反硝化菌生長速度快,對很多特殊廢水均有優良的脫氮效果。目前好氧反硝化菌在應用方面的研究主要集中在以下四個方面,分別是低溫脫氮、耐鹽脫氮、對毒性物質的降解和 N O減排等。
2.1 低溫生物脫氮
環境溫度低于 10度時,微生物的活性和生長速率會大幅降低,從而使污水脫氮的效果受到影響。相比于傳統脫氮工藝,異養硝化 -好氧反硝化菌具有較好的低溫脫氮效果。Zou等 將馴化得到的低溫硝化菌群與好氧反硝化菌群結合使用,10 °C下以銨鹽作為氮源時,反應 24 h時氨氮去除率達到 100%,48 h 時總氮去除率到 80%。Yao等 在有氧條件下對活性污泥進行短期低溫馴化,得到具有低溫脫氮效果的異養硝化好氧反硝化菌群。
2.2耐鹽生物脫氮
部分異養硝化 -好氧反硝化菌在鹽度較高時仍具有較好的脫氮能力。Guo等 從鹽堿湖污泥樣品 中分離出一株 Halomonas campisalis ha3,在 NaCl含量為 4%時達到zui大反硝化速率,且在 NaCl含量為 20%時仍能存活。Duan等從海洋沉淀物中分離出一株 Vibriodiabolicus SF16,當鹽度為 1%–5%時,對氨氮的去除率可達 92%以上(反應時間 48 h)。將該菌株接種到鹽度為 3%的生物過濾反應器中,對氨氮和總氮的去除率比不接種的反應器分別65.5%和47.2%,表明該菌株具有良好的耐鹽脫氮能力。
2.3 毒性物質的生物降解與轉化
異養硝化-好氧反硝化菌生長快、活性高,相比傳統的脫氮菌,具有更強的毒性物質降解與轉化能力。Lu等 從膜生物反應器中分離出一株 Serratia文獻中報道的一些硝化菌群落 和好氧顆粒污sp. LJ-1,可同時降解*和去除氨氮(起始濃度分別為 400 mg/L和 100 mg/L),并在 300 h后均達到90%以上的去除率。通過氮平衡分析,消耗的氨氮有約 54%轉化為氮氣。表明菌株 LJ-1對*具有優良的降解能力。
2.4二氧化氮減排Zheng等 [30]從生物濾池中分離出一株Pseudomonas stutzeri PCN-1,可以 N O為底物進行2反硝化。初始 N O濃度為 39.4 mg/L時,PCN-1可以在 4 h內達到 98.1%的去除率。以硝酸鹽為底物時,在頂空 O濃度不大于 50%情況下,脫氮效率基本不受影響,而且反應結束后沒有 NO和 N O的積累。將 PCN-1接種到普通活性污泥中后,可顯提升總氮去除效果,并降低 N O產量,表明 PCN-1具有良好的二氧化氮減排潛力。
3,好氧反硝化過程機理分析
Chen等研究了有氧呼吸和反硝化過程中的電子傳遞,從生物能學和動力學兩個方面分析了氧氣和硝酸鹽作為電子受體時的競爭力。分析結果顯示,硝酸鹽在生物能學和動力學方面均不占優勢,因此當氧氣存在時,微生物總是傾向于使用氧氣作為電子受體。
然而Robertson等對異養硝化-好氧反硝化菌Thiosphaera pantotropha的研究表明,在氧氣和硝酸鹽同時存在時,Thiosphaera pantotropha可同時利用氧氣和硝酸鹽且生長速率更快。Patureau等通過COD的消耗計算了好氧反硝化菌群在不同DO和碳氮負荷條件下有氧呼吸和反硝化消耗有機物的比例。結果顯示,在不同 DO條件下,硝酸鹽都有消耗。DO升高,有氧呼吸消耗 COD的比例逐漸上升,反硝化消耗 COD的比例逐漸下降并趨于穩定。在 DO為 1.7–6.3 mg/L時,硝酸鹽的去除率為31%左右,反硝化消耗COD的比例穩定在10%–15%。這個結果表明,反硝化可在好氧條件下發生。當 DO較低時,提升 DO濃度會顯著降低反硝化消耗 COD的比例;但當 DO逐漸上升并超過一定濃度時(文中為 1.7 mg/L),提升 DO對反硝化所占的比例基本無影響。此外,文中對好氧反硝化菌株M.aerodenitrificans的研究得到了相同的規律,但反硝化消耗 COD的比例相比上述的好氧反硝化菌群要更小。以上研究均證明,氧氣和硝酸鹽可以同時作為電子受體參與到微生物的新陳代謝過程中。
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