高效異養(yǎng)硝化細(xì)菌的脫氮特性及其處理高氨氮廢水研究.pdf

1、由于含氮污水大量排入水體，導(dǎo)致水環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益嚴(yán)重，去除水中氮素污染已經(jīng)成為當(dāng)今水污染防治領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。在城市污水處理廠，應(yīng)用最廣泛的傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)采用兩階段的好氧硝化–缺氧反硝化工藝，然而，由于硝化速率低以及好氧池和缺氧池的分離，此工藝存在流程長(zhǎng)、脫氮效率低、運(yùn)行費(fèi)用高、抗沖擊負(fù)荷能力差等問(wèn)題。為克服上述缺點(diǎn)，近年來(lái)一些新型脫氮工藝的開(kāi)發(fā)和脫氮菌株的發(fā)現(xiàn)，為生物脫氮提供了新的思路。尤其是異養(yǎng)硝化菌的發(fā)現(xiàn)，這類細(xì)菌生長(zhǎng)速

2、率快、增殖底物廣泛、可以利用有機(jī)碳源進(jìn)行生長(zhǎng)和脫氮作用，從而使得硝化和反硝化過(guò)程在同一反應(yīng)器內(nèi)高效進(jìn)行成為可能。本文采用序批式反應(yīng)器（SBR）培養(yǎng)出具有同步硝化反硝化（SND）效果的好氧活性污泥，從中篩選出三株具有高效脫氮能力的異養(yǎng)硝化菌株，并對(duì)其生理生化特性、異養(yǎng)硝化性能、好氧反硝化性能、脫氮機(jī)理以及實(shí)際應(yīng)用潛能進(jìn)行研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴利用SBR成功培養(yǎng)出具有高效脫氮除碳能力的好氧活性污泥，COD、NH4+–N、T

3、N去除率達(dá)96％、99%和70%以上。在培養(yǎng)過(guò)程中，活性污泥絮凝沉淀性能逐漸增強(qiáng)，絮體結(jié)構(gòu)變得密實(shí)規(guī)則。胞外聚合物（EPS）分析發(fā)現(xiàn)，活性污泥中蛋白質(zhì)、DNA和TOC都較接種污泥有所減少，而多糖有所增加，三維熒光圖譜表明類腐殖酸熒光峰有明顯減弱。⑵DO和進(jìn)水COD/N對(duì)SBR污泥系統(tǒng)脫氮效果和污泥絮凝性能有顯著影響。較低或者較高的DO都不利于污泥的脫氮和絮凝，過(guò)高的COD/N嚴(yán)重影響活性污泥脫氮效率和絮凝沉淀性能?？刂破貧饬繛?60 L

4、/h和進(jìn)水COD/N為12時(shí)，可以獲得較高的脫氮除碳效果和絮凝沉淀性能。根據(jù)DO和COD/N對(duì)污泥系統(tǒng)同步硝化反硝化影響，以及活性污泥細(xì)菌數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，推測(cè)活性污泥SND脫氮作用的主要機(jī)理是微環(huán)境理論和好氧反硝化理論。⑶從SBR中分離得到三株具有高效脫氮能力的異養(yǎng)硝化細(xì)菌，分別命名為YB、YH和YL。菌株YB、YH和YL均為革蘭氏陰性菌，呈桿狀，無(wú)鞭毛。經(jīng)生理生化和16S rRNA鑒定及同源性比對(duì)，確定菌株YB、YH和YL分別屬于瓊氏不

5、動(dòng)桿菌、惡臭假單胞菌和銅綠假單胞菌，其GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)登錄號(hào)分別為KJ623740、KJ765710和KJ765709。⑷異養(yǎng)硝化菌株YB、YH和YL的最佳生長(zhǎng)和脫氮條件為：溫度為37℃、pH為7、轉(zhuǎn)速為200 r/min、碳源為琥珀酸鈉、C/N為10。異養(yǎng)硝化菌株能夠適應(yīng)較寬范圍的氨氮負(fù)荷，在高氨氮負(fù)荷下仍然有較高的細(xì)胞生長(zhǎng)和氮去除能力。在起始氨氮濃度為100 mg/L時(shí)，菌株YB、YH和YL的最大比生長(zhǎng)速率分別為0.34 h-1

6、、0.49 h-1和0.26 h-1，TOC和氨氮隨著分離菌株的生長(zhǎng)顯著降低，48 h內(nèi)TOC、NH4+–N和TN去除率均達(dá)到90%以上。氮平衡分析表明分離菌株菌體生長(zhǎng)合成的內(nèi)源氮占去除TN的51-57%，剩余損失TN通過(guò)好氧反硝化作用去除。⑸異養(yǎng)硝化菌株YB、YH和YL均能夠以羥胺、亞硝酸鹽和硝酸鹽作為單一氮源進(jìn)行生長(zhǎng)和代謝脫氮，在降解羥胺、亞硝酸鹽和硝酸鹽過(guò)程中檢測(cè)到不同形態(tài)氮之間的相互轉(zhuǎn)化。分離菌株YB、YH和YL在氨氮亞硝態(tài)氮和

7、氨氮硝態(tài)氮混合培養(yǎng)基中均優(yōu)先利用氨氮進(jìn)行異養(yǎng)硝化作用，然后再利用亞硝酸鹽和硝酸鹽進(jìn)行反硝化作用，在異養(yǎng)硝化培養(yǎng)基中加入亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮非但沒(méi)有抑制異養(yǎng)硝化作用，反而加速了氨氮的異養(yǎng)硝化速率。⑹對(duì)五種關(guān)鍵的異養(yǎng)硝化和好氧反硝化酶功能基因進(jìn)行PCR擴(kuò)增檢測(cè)，結(jié)果顯示菌株YB、YH和YL基因組內(nèi)均能擴(kuò)增到特異的amoA、hao和napA功能基因，nirS基因在菌株YB細(xì)胞中表達(dá)，而菌株YH和YL成功檢測(cè)到nirK基因。菌株YB、YH和YL的羥

8、胺氧化酶活性依次為0.0195、0.0431和0.0314 U/mg protein，亞硝酸鹽還原酶比活力分別為0.0386、0.0489和0.0439 U/mg protein，硝酸鹽還原酶比活力分別為0.0095、0.0186和0.0117 U/mg protein。根據(jù)分離菌株對(duì)不同氮源的代謝利用、功能基因的檢測(cè)以及酶活性分析，多方面研究表明瓊氏不動(dòng)桿菌YB、惡臭假單胞菌YH和銅綠假單胞菌YL具有異養(yǎng)硝化-好氧反硝化能力，推測(cè)其脫

9、氮途徑為完全有序的異養(yǎng)硝化和好氧反硝化過(guò)程。⑺瓊氏不動(dòng)桿菌YB在氨氧化、亞硝酸鹽和硝酸鹽三種培養(yǎng)基中均有良好的自絮凝能力，培養(yǎng)過(guò)程中可見(jiàn)絮凝度、重絮能力、相對(duì)疏水性、Zeta電位和平均粒度都呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。將菌株YB添加到活性污泥中，生物強(qiáng)化后污泥系統(tǒng)脫氮效率顯著提高，能夠維持較長(zhǎng)時(shí)間的高效脫氮能力，說(shuō)明菌株YB具有潛在的生物強(qiáng)化作用。此外，以純菌YB為種源培養(yǎng)的異養(yǎng)型同步脫氮污泥具有高效同步脫氮除碳效果，經(jīng)過(guò)60天穩(wěn)定運(yùn)行后，TO