一株好氧反硝化菌的異養(yǎng)硝化及脫氮性能

喬 楠，劉文超，張 賀，張金榜，于大禹

（1東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

研究開發(fā)

一株好氧反硝化菌的異養(yǎng)硝化及脫氮性能

喬 楠1，劉文超2，張 賀2，張金榜2，于大禹2

（1東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

生物脫氮是目前處理水體氮素污染的有效方法，本文以(NH4)2SO4為氮源、檸檬酸三鈉為碳源培養(yǎng)好氧反硝化菌H1，4天后NH4+-N的去除率達(dá)到76.92%，COD去除率達(dá)到84.29%，說明H1為異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌。當(dāng)NH4+-N與NO3－-N同時(shí)存在時(shí)，H1對NH4+-N的去除率在2天后即達(dá)到80%以上，但對NO3－-N的去除明顯滯后，說明H1優(yōu)先利用NH4+-N。利用H1處理生活污水，其能夠促使污水中的有機(jī)氮迅速轉(zhuǎn)化為氨氮，最終使污水中總氮、NH4+-N、COD的去除率均達(dá)到90%以上，表明H1在生活污水處理領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

異養(yǎng)硝化；好氧反硝化；同時(shí)硝化反硝化；生活污水；生物脫氮；化學(xué)需氧量

水體的氮素污染不僅可以引起水體富營養(yǎng)化，還可直接影響動物及人體的健康[1]，是造成環(huán)境污染的一個(gè)很重要污染因子，因此脫氮成了污水處理過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[2]。

目前生物脫氮被公認(rèn)為是廢水脫氮處理中經(jīng)濟(jì)有效的方法之一。傳統(tǒng)生物脫氮理論認(rèn)為生物脫氮必須通過硝化和反硝化兩個(gè)獨(dú)立過程來實(shí)現(xiàn)，這使得脫氮過程工藝環(huán)節(jié)多，處理成本高[3]。近年來，國內(nèi)外的學(xué)者通過研究認(rèn)為同時(shí)硝化反硝化（SND）是最經(jīng)濟(jì)的脫氮手段。目前，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)SND：一種是將SND作為一個(gè)系統(tǒng)的整體功能來使用，即在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)存在好氧環(huán)境與缺氧環(huán)境，因此硝化和反硝化可在一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行，但此種方法反應(yīng)器設(shè)計(jì)困難，系統(tǒng)復(fù)雜，各種控制因素可靠性差；另一種方法是篩選獲得可在有氧條件下進(jìn)行反硝化的異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌，使其在一個(gè)反應(yīng)器中工作，硝化反應(yīng)的產(chǎn)物直接成為反硝化反應(yīng)的底物，形成同時(shí)硝化反硝化。后者能夠避免培養(yǎng)過程中硝酸鹽的積累，從理論上進(jìn)一步增加污水硝化與反硝化在一個(gè)單元內(nèi)同時(shí)進(jìn)行的可行性，為脫氮新方法的研究提供新的思路。

本實(shí)驗(yàn)以KNO3為氮源，研究菌株H1的好氧反硝化情況，并以 (NH4)2SO4為氮源、檸檬酸三鈉為碳源，對其進(jìn)行異養(yǎng)硝化性能測定，最后將菌株按一定比例投入到NH4NO3模擬廢水及生活污水中，初步研究H1的脫氮性能及機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 菌種

本實(shí)驗(yàn)室自行篩選并保藏[4]，命名為H1。

1.2 培養(yǎng)基[5]

反硝化培養(yǎng)基（g/L）：KNO30.6；KH2PO41.0；MgSO4·7H2O 1.0；琥珀酸鈉2.4；H2O 1L；pH值7.0。異養(yǎng)硝化培養(yǎng)基（g/L）：(NH4)2SO40.35；KH2PO40.75；K2HPO4·3H2O 2.216；MgSO4·7H2O 0.025；檸檬酸三鈉 1.81；H2O 1L，pH值 7.0。模擬廢水（g/L）：（a）NH4NO30.4238，KH2PO41.0，MgSO4·7H2O 1.0，琥珀酸鈉2.4，H2O 1L，pH值 7.0；（b）NH4NO30.4238，KH2PO40.75，K2HPO4·3H2O 2.216，MgSO4·7H2O 0.025，檸檬酸三鈉 1.81，H2O 1 L，pH值 7.0。

1.3 生活污水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)所用生活污水水質(zhì)見表1。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

將H1以10%的接菌量分別接種到經(jīng)高壓滅菌的好氧反硝化培養(yǎng)基、異養(yǎng)硝化培養(yǎng)基和NH4NO3模擬廢水中。在30 ℃下的氣浴恒溫?fù)u床上以150 r/min進(jìn)行搖瓶培養(yǎng)。每24 h監(jiān)測反硝化培養(yǎng)基中總氮素、NO3－-N、菌體生長吸光度（OD600）及COD的變化；硝化培養(yǎng)基及NH4NO3模擬廢水中總氮素、NH4+-N、NO3－-N、NO2－-N、菌體生長吸光度（OD600）及COD的變化。

表1 生活污水水質(zhì)表

取300 mL H1菌懸液，離心濃縮后，重懸于1 L生活污水中，室溫下曝氣培養(yǎng)，溶解氧量為5.78 mg/L；采用定時(shí)補(bǔ)加菌體的方法，每隔12 h將體積百分比為10%的H1菌懸液離心沉淀后投入到該生活污水中，監(jiān)測污水總氮素、NH4+-N、NO3--N及COD隨時(shí)間的變化情況。

1.5 分析方法[6]

總氮采用過氧化鉀氧化-紫外分光光度法測定；NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定；NO3－-N采用紫外分光光度法測定；NO2－-N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法測定；菌體生長吸光度（OD600）采用吸光度法測定，用721可見分光光度計(jì)在光密度為600 nm處測定菌液吸光度值；COD采用重鉻酸鉀法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 H1好氧反硝化性能分析

圖1為H1反硝化菌處理污水的檢測結(jié)果。由圖1可看出，經(jīng)過1天的培養(yǎng)，培養(yǎng)基中總氮減少了60.0 mg/L，NO3－-N減少了61.53 mg/L，兩者去除率均達(dá)到70%，總氮的減少量即為NO3－-N的還原量；H1生長狀況良好，NO3－-N的快速去除過程與H1的對數(shù)生長過程基本相對應(yīng)；監(jiān)測COD發(fā)現(xiàn)，H1對有機(jī)物同樣具有較好的去除效果，經(jīng)過1天培養(yǎng)，COD的去除率就已達(dá)到90.10%，說明此階段碳源被反硝化過程大量消耗，也就是說，在好氧條件下，H1是以碳源作為電子供體，硝酸鹽和氧氣共同作為電子受體而進(jìn)行呼吸作用的[7]。

2.2 H1異養(yǎng)硝化性能分析

硝化菌一般為自養(yǎng)型細(xì)菌，但Robertson等[8-9]認(rèn)為好氧反硝化菌有時(shí)會有異養(yǎng)硝化效果，因此本實(shí)驗(yàn)又對H1進(jìn)行了異養(yǎng)硝化性能測定。從表2可以看出，經(jīng)過1天培養(yǎng)，NH4+-N從初始的75.85 mg/L降低至20.95 mg/L，至反應(yīng)結(jié)束時(shí)降至17.51 mg/L，去除率達(dá)到76.92%；同時(shí)，有機(jī)物的消耗與NH4+-N的去處過程一致，1天后COD去除率達(dá)到75.10%，隨后去除率緩慢增長，說明H1對氨氮和有機(jī)物去除是相偶聯(lián)的，其具有異養(yǎng)硝化性能；4天培養(yǎng)過程中，總氮去除率與NH4+-N去除率基本保持同步，NO3－-N幾乎不發(fā)生積累，這可能是由于H1進(jìn)行異養(yǎng)硝化的同時(shí)將硝化產(chǎn)物進(jìn)行反硝化，最終培養(yǎng)基中的氮素以氣體形式排出；H1的異養(yǎng)硝化過程主要發(fā)生在菌體的對數(shù)生長期，這與H1的反硝化過程一致。H1的上述性質(zhì)為其在一個(gè)反應(yīng)單元內(nèi)同步進(jìn)行硝化與反硝化提供了可行性。

圖1 H1好氧反硝化性能的測定

表2 H1異養(yǎng)硝化性能的測定

2.3 H1處理NH4NO3模擬廢水分析

由上述實(shí)驗(yàn)知道，H1的好氧反硝化和異養(yǎng)硝化過程都伴隨著有機(jī)物的大量消耗。則當(dāng)碳源量一定，NH4+-N和NO3－-N同時(shí)存在的情況下，H1能優(yōu)先利用哪種氮源是本實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵。在此配制NH4NO3模擬廢水，同時(shí)提供NH4+-N和NO3－-N，將H1投入其中觀察NH4+-N和NO3－-N的變化。

將反硝化培養(yǎng)基中的KNO3和硝化培養(yǎng)基中的(NH4)2SO4均用NH4NO3替代，配制分別以琥珀酸鈉和檸檬酸三鈉作為碳源的兩種NH4NO3模擬廢水[前者命名為廢水（a），后者命名為廢水（b）]。按10%的接菌量將H1分別投入等量的兩種模擬廢水中，其對NH4+-N和NO3－-N的利用情況見表3和表4。通過比較兩表的數(shù)據(jù)可以看出，H1對NH4+-N的去除效果不受廢水中碳源種類的影響，兩種廢水的NH4+-N去除率均可達(dá)到80%，而H1在兩種廢水中對NO3－-N的利用卻有顯著不同。雖然H1對模擬廢水（b）中NO3－-N有一定的去除效果，但其去除率明顯小于對模擬廢水（a）中NO3--N的去除率，說明H1在以琥珀酸鈉為碳源的模擬廢水中能更有效地發(fā)揮好氧反硝化作用[10]，這與測得的NO2－-N變化規(guī)律吻合。在廢水（a）中，NO2－-N始終沒有發(fā)生積累，而在廢水（b）中卻發(fā)生了明顯的積累。

比較表3和圖1可以看出，只有NO3－-N存在時(shí)，僅經(jīng)過1天，其去除率就可以達(dá)到70%，而當(dāng)NH4+-N和NO3－-N同時(shí)存在的情況下，NO3－-N的去除率經(jīng)過5天才達(dá)到59.49%，第1天的去除率僅為17.39%。但從表2～表4比較看，在3種情況下，NH4+-N均保持較高的去除率?？梢姡?dāng)碳源量一定，NH4+-N和NO3－-N同時(shí)存在的情況下，H1能優(yōu)先利用NH4+-N，對NO3－-N的利用不顯著或明顯滯后。究其原因，可能是由于當(dāng)NH4+-N與NO3－-N同時(shí)存在時(shí)，以NH4+-N形式存在的氮素迅速參與到異養(yǎng)硝化–好氧反硝化的整個(gè)氮循環(huán)中，最終以氣體形式除去，而整個(gè)氮循環(huán)反應(yīng)很快達(dá)到平衡，因此NO3－-N的轉(zhuǎn)化受到限制[11－14]。

2.4 H1處理生活污水分析

由表1可知，生活污水中主要含有機(jī)氮、NH4+-N和有機(jī)碳，NO3－-N的含量極少，因此，H1的性能適合處理生活污水。從圖2的結(jié)果看，H1對生活污水具有很好的處理效果。未加菌的生活污水經(jīng)過4天的曝氣處理，總氮的去除率僅達(dá)到58.66%，而投入H1的生活污水經(jīng)過相同的曝氣過程，第3天總氮的去除率就達(dá)到76.60%，第4天已達(dá)到82.78%；未加菌和加菌的生活污水中NH4+-N量在第1天都有所增加。這是由于污水中有機(jī)氮經(jīng)過硝化菌的作用發(fā)生氨化反應(yīng)生成NH4+-N的結(jié)果，且加菌后的生活污水NH4+-N的增加更顯著，可見H1的加入能促進(jìn)有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為NH4+-N。同時(shí)，H1還進(jìn)行異養(yǎng)硝化反應(yīng)，使生成的NH4+-N迅速減少，最終使污水中NH4+-N和總氮的去除率提高近20%。未加菌及加菌兩種狀況下的生活污水中NO3－-N量都有所減少，整個(gè)處理過程中幾乎沒有發(fā)生積累。H1在轉(zhuǎn)化生活污水中總氮和NH4+-N的同時(shí)，大量消耗了污水中的有機(jī)碳，使得接入H1的生活污水COD的去除率比未加菌的增加近10%。

表4 H1對模擬廢水b的處理效果

由于生活污水自身存在著一定量的硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌等微生物，即使不向污水中人為投加特定作用的微生物，在充分曝氣的狀態(tài)下，其中的微生物仍可以發(fā)揮各自的作用，對污水進(jìn)行處理。當(dāng)向生活污水中投加H1時(shí)發(fā)現(xiàn)，其能夠以污水中的有機(jī)碳作為營養(yǎng)物質(zhì)，有效地促進(jìn)污水中有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為NH4+-N，同時(shí)進(jìn)行異養(yǎng)硝化反應(yīng)，使污水的總氮、NH4+-N、COD的去除率大幅度提高。作者也對H1處理生活污水的可持續(xù)性及穩(wěn)定性進(jìn)行了初步研究，用不同方法固定化的H1處理多批次生活污水。結(jié)果顯示，多種方法固定化的H1處理至少3批次生物污水，脫氮及去除COD的效果未見明顯下降（數(shù)據(jù)未展示）。

圖2 H1對生活污水的處理

綜上可見，基于H1對生活污水的處理效果及其異養(yǎng)硝化-好氧反硝化的性質(zhì)，未來有望開發(fā)設(shè)計(jì)新型硝化-反硝化同步生物反應(yīng)器，規(guī)?；幚砩钗鬯?。

3 結(jié) 論

（1）通過對H1好氧反硝化及異養(yǎng)硝化性能的測定，發(fā)現(xiàn)其不僅具有較強(qiáng)的好氧反硝化能力，而且還具有一定的異養(yǎng)硝化能力，是一株異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌，能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)硝化反硝化，從而達(dá)到脫氮目的。

（2）H1的好氧反硝化及異養(yǎng)硝化過程均發(fā)生在菌體的對數(shù)生長期，為其在一個(gè)反應(yīng)單元內(nèi)同步進(jìn)行硝化-反硝化提供了可能。

（3）在NH4+-N與NO3－-N同時(shí)存在的情況下，H1優(yōu)先利用NH4+-N，且NH4+-N的去除效果不受碳源種類的影響，處理效率穩(wěn)定；但在碳源種類發(fā)生變化時(shí)，其對提供的NO3－-N轉(zhuǎn)化效率明顯不同。

（4）H1對生活污水有很好的處理效果，能夠以污水中的有機(jī)碳作為營養(yǎng)物質(zhì)，有效地促進(jìn)污水中有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為NH4+-N，同時(shí)進(jìn)行異養(yǎng)硝化-好氧反硝化反應(yīng)，達(dá)到凈化污水的目的。

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Heterotrophic nitrification and denitrification characteristics of an aerobic denitrifier

QIAO Nan1，LIU Wenchao2，ZHANG He2，ZHANG Jinbang2，YU Dayu2
（1School of Architecture and Civil Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China；2School of Chemical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China）

Biodenitrification is an effective way to deal with the nitrogen pollution of water bodies. In this paper，an aerobic denitrifier H1 was cultured by using (NH4)2SO4as the nitrogen source and sodium citrate as the carbon source. After 4d of aerobic denitrification，NH4+-N removal rate reached to 76.92% and COD removal rate reached to 84.29%，indicating that H1 was a heterotrophic nitrification-aerobic denitrifier. When NH4+-N and NO3－-N existed as the nitrogen source together，NH4+-N removal rate reached to higher than 80% after 2d，while NO3－-N removal was lagged apparently，indicating H1 took use of NH4+-N as the nitrogen source preferentially. When H1 was used to deal with domestic sewage，the rapid conversion of organic nitrogen to ammonia nitrogen was observed. The total nitrogen，NH4+-N and COD removal rate could all reach to higher than 90%，indicating that H1 possess great application prospect in the field of sewage treatment.

heterotrophic nitrification；aerobic denitrification；simultaneous nitrification and denitrification；sewage；biodenitrification；COD

X 703.1；X 172

A

1000–6613（2010）04–0767–05

2009-09-03；修改稿日期：2009-09-25。

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（國家973計(jì)劃，2007CB206904）、中國電機(jī)工程學(xué)會電力青年科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2008-5）及吉林省科技發(fā)展計(jì)劃（20090145）資助項(xiàng)目。

喬楠（1980—），女，碩士，講師。聯(lián)系人：于大禹，博士，副教授，主要從事環(huán)境微生物學(xué)及其應(yīng)用方面的研究。E-mail yudy@mail.nedu.edu.cn。