施氏假單胞菌菌株的脫氮特性

胡國元，張 凱，袁 軍，楊 洋，雷夢婕，章建國

(1. 武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院 綠色化工過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北省新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2.合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

污水脫氨氮處理廠是基于傳統(tǒng)生物脫氮工藝而建造的，即先由自養(yǎng)好氧硝化細(xì)菌進(jìn)行硝化作用把氨氮變成硝酸氮，再由厭氧或者缺氧的異養(yǎng)反硝化細(xì)菌進(jìn)行反硝化作用，把硝酸氮變成氮?dú)?這是兩個(gè)單獨(dú)的過程，一般在兩個(gè)反應(yīng)單元交替進(jìn)行.這個(gè)系統(tǒng)有如下幾個(gè)缺點(diǎn)[1-3]：a.反應(yīng)周期長，基建設(shè)施投入大，反應(yīng)后留下產(chǎn)物難處理；b.菌種問題，即自養(yǎng)硝化菌生長緩慢，易受溫度和有機(jī)物的影響；c.脫氮過程中存在反應(yīng)產(chǎn)物對硝化與反硝化的遏制作用；d.反硝化過程中，反硝化細(xì)菌是異養(yǎng)菌，它的生長和脫氮都需要大量的有機(jī)碳源，而系統(tǒng)的有機(jī)碳在硝化階段的曝氣池中大部分被消耗，當(dāng)反硝化過程有機(jī)碳含量低時(shí)往往向其投入碳源(如甲醇).而施氏假單胞菌(Pseudomonasstutzeri)菌株WIT-1是異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌株，在最適條件下，24 h對氨氮的去除率可以達(dá)到100%，48 h對化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)的去除率為73.44%[4].它的發(fā)現(xiàn)克服上述缺點(diǎn)，使同時(shí)硝化與反硝化工藝成為可能，所以菌株WIT-1對污水脫氮的應(yīng)用前景廣闊.

本研究主要考察菌株WIT-1對硝態(tài)氮的降解作用和對生活污水脫氨氮的基本條件，為菌株WIT-1實(shí)際應(yīng)用做前期的理論探討工作.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

1.1.1 菌種來源 施氏假單胞菌(P.stutzeri)菌株WIT-1為本實(shí)驗(yàn)室分離保存菌種.

1.1.2 培養(yǎng)基 反硝化培養(yǎng)基[4](g/L)：Na2HPO4·7H2O 7.9；KH2PO41.5； MgSO4·7H2O 0.1；丁二酸鈉0.845；微量元素溶液2 mL；其中KNO3的質(zhì)量含量隨著試驗(yàn)內(nèi)容而變.

生活污水，取自中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)生活污水排污口，COD為300 mg/L左右，氨氮含量為38 mg/L左右.

1.2 方法

1.2.1 菌株WIT-1對脫硝態(tài)氮過程試驗(yàn) 以丁二酸鈉為碳源，配制COD為500 mg/L，初始硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為100 mg/L的反硝化培養(yǎng)基.250 mL錐形瓶分裝100 mL培養(yǎng)液，接種擴(kuò)大培養(yǎng)后的菌株WIT-1菌液2%(體積比)，置于 30 ℃、180 r/min的搖床上振蕩培養(yǎng).分別在培養(yǎng)0、6、12、24、48 h取樣，離心5 min，轉(zhuǎn)速8 000 r/min，取上清液測定其氨氮含量，對照組接同體積的無菌水.

1.2.2 菌株WIT-1對硝態(tài)氮濃度的耐受性試驗(yàn) 以丁二酸鈉為碳源，配制COD為500 mg/L，初始硝態(tài)氮濃度分別為100、200、300、400、500、800 mg/L的培養(yǎng)基.250 mL錐形瓶裝液量、接種量、培養(yǎng)條件、取樣、離心等同1.2.1，在培養(yǎng)24 h后測定其硝態(tài)氮的去除率.

1.2.3 滅菌生活污水脫氨氮試驗(yàn) 在裝有四粒玻璃珠和150 mL滅菌的生活污水的250 mL錐形瓶中，接種量、培養(yǎng)條件、取樣、離心、氨氮含量測定等同1.2.1，另外測定0、48 h COD含量.

1.2.4未滅菌生活污水脫氨氮試驗(yàn) 在裝有四粒玻璃珠和150 mL未滅菌的生活污水的250 mL錐形瓶中，接種量、培養(yǎng)條件、取樣、離心、氨氮含量測定等同1.2.1，同時(shí)測定0、6、12、24、48 h COD含量.對照組接同體積的無菌水.

1.2.5 提高未滅菌的生活污水中COD含量的脫氨氮試驗(yàn) 在未滅菌的生活污水中添加丁二酸鈉的含量，使生活污水的初始COD含量為500 mg/L，接種量、培養(yǎng)條件、取樣、離心、氨氮含量測定等同1.2.4，不設(shè)置對照組，測定0、48 h COD含量.

1.2.6 提高未滅菌生活污水接菌量的脫氨氮試驗(yàn) 菌株WIT-1的接菌量由原來的2%增加到8%，培養(yǎng)條件、取樣、離心、氨氮含量與COD含量測定等同1.2.5.

2 結(jié)果與分析

2.1 菌株WIT-1對脫硝態(tài)氮過程測定

2.2 菌株WIT-1對硝態(tài)氮濃度的耐受性試驗(yàn)

如圖2所示，不同初始硝態(tài)氮條件下菌株WIT-1去除硝態(tài)氮試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著初始硝態(tài)氮濃度的增加硝態(tài)氮去除率在下降.當(dāng)初始硝態(tài)氮的含量小于500 mg/L時(shí)，其對硝態(tài)氮的去除率為5.20%～98.04%，相應(yīng)的去除量為25～98.04 mg/L.當(dāng)初始硝態(tài)氮的含量800 mg/L時(shí)，其對硝態(tài)氮的去除率為0.這有可能是低C/N比能使菌株WIT-1對硝態(tài)氮濃度的耐受性降低.

圖1 施氏假單胞菌菌株WIT-1對的降解曲線Fig.1 Degradation curves of nitrate nitrogen of P.stutzeri strain WIT-1 注：圖中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的平均值，以下同.

圖2 施氏假單胞菌菌株WIT-1不同初始硝態(tài)氮條件下去除硝態(tài)氮的影響Fig.2 Effect of P.stutzeri strain WIT-1 removing nitrate nitrogen under different initial nitrate nitrogen

2.3 滅菌生活污水脫氨氮試驗(yàn)

為了考察菌株WIT-1在生活污水中應(yīng)用能力，先把菌株WIT-1接種到滅菌的生活污水中，測量菌株WIT-1的脫氨氮和除COD的能力.菌株WIT-1在滅菌生活污水脫氨氮試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.由圖3可知，在12 h菌株WIT-1對氨氮的去除率為92.845%，并且在12 h以后趨于穩(wěn)定.這與文獻(xiàn)[4]中菌株WIT-1在不同的COD濃度下脫氨氮過程的測定結(jié)果中，脫氨氮曲線的趨勢是一樣的.這說明滅菌生活污水的COD可能在500 mg/L左右或者以上.對滅菌生活污水的初始COD測定結(jié)果693.76 mg/L，比未滅菌的生活污水的COD高，究其原因可能是一些浮游的不溶有機(jī)物和細(xì)菌經(jīng)過高溫分解而充分溶解所致，48 h滅菌生活污水的COD為2 016.24 mg/L，這說明菌株WIT-1對COD沒有降解反而增加，可能是污水中缺少某些必須元素，或者某些毒素遏制了菌株WIT-1的生長或則某些酶受到遏制.

圖3 施氏假單胞菌株WIT-1在滅菌生活污水脫氨氮曲線Fig.3 The curves of P.stutzeri strain WIT-1 removing ammonia under the sterilization domestic sewage

2.4 未滅菌生活污水脫氨氮試驗(yàn)

前面所做人工廢水脫氨氮試驗(yàn)和滅菌生活污水脫氨氮試驗(yàn)，都是人工模擬試驗(yàn)，考慮菌種WIT-1在沒有其它菌種干擾條件下，脫氨氮和除COD的試驗(yàn).為了驗(yàn)證菌株WIT-1是否能夠在實(shí)際污水中脫氨氮，直接把菌株接種到未滅菌生活污水中進(jìn)行脫氨氮試驗(yàn).其測量結(jié)果如圖4和圖5所示.

圖4 施氏假單胞菌菌株WIT-1在未滅菌生活污水脫氨氮和去COD曲線Fig.4 The curves of P.stutzeri strain WIT-1 removing ammonia and COD under the non-sterilized domestic sewage

由圖4和圖5可知，實(shí)驗(yàn)組中菌株WIT-1在未滅菌生活污水的脫氨氮曲線是先降低后上升趨于平衡，而對照組中氨氮基本上無明顯變化.氨氮含量上升的原因可能是a.菌株WIT-1沒有有機(jī)物作為碳源，脫氨氮能力減弱，而污水中其它微生物多多少少都有些合成氨氮作用.b.菌株WIT-1與污水中其它微生物有競爭作用，競爭使菌株WIT-1的細(xì)胞破解死亡，其中的氨氮又被重新釋放出來.c.祝貴兵等[7]人研究的某些抑制劑會(huì)影響硝化反應(yīng)，生活污水中的某些物質(zhì)遏制了菌株WIT-1的脫氨氮的硝化酶.COD含量都是下降趨勢，對照組比實(shí)驗(yàn)組下降得快.因?yàn)閷?shí)驗(yàn)組菌株WIT-1在脫氨氮前COD差不多都有一個(gè)上升的趨勢.菌株WIT-1對生活污水脫氨氮效果不是很理想，12 h對生活污水中的氨氮的去除率為32.741%，但48 h后對氨氮的去除率下降到22.203%.Joo等[8]人研究的異養(yǎng)硝化菌AlcaligenesfaecalisNo.4處理養(yǎng)豬廢水時(shí)，當(dāng)C/N質(zhì)量比為4時(shí)，對氨氮的去除率為80%，當(dāng)C/N質(zhì)量比為7～8時(shí)，對氨氮的去除率為100%.所以適當(dāng)調(diào)節(jié)C/N有助于異養(yǎng)硝化作用.針對原因a,通過添加丁二酸鈉提高污水的COD從而提高其對氨氮的去除率；針對原因b,通過增大其接種量來提高其對氨氮的去除率.

圖5 對照組未滅菌生活污水脫氨氮和去COD曲線Fig.5 The curves of removing ammonia and COD under the non-sterilized domestic sewage without the strain WIT-1

2.5 提高未滅菌的生活污水中COD含量的脫氨氮試驗(yàn)

為了解決菌株WIT-1在未滅菌生活污水中因?yàn)闆]有足夠有機(jī)物作為碳源，脫氨氮能力減弱，向污水培養(yǎng)基中加入丁二酸鈉使其初始COD的含量為500 mg/L.通過提高COD含量來提高菌株WIT-1對氨氮的去除率，其測量結(jié)果如圖6所示.菌株WIT-1在未滅菌生活污水的脫氨氮曲線是先降低后上升趨于平衡.它對生活污水脫氨氮效果也不是很理想，雖然12 h對氨氮的去除率為52.765%，比沒有加丁二酸鈉脫氮效率好，但是48 h后對氨氮的去除率又下降到21.507%.圖6與圖4中脫氨氮曲線情況一致，其曲線上升可能原因同2.4中原因，也有可能丁二酸鈉增加的量不夠.針對上述原因，增大其接種量，不僅提高了COD含量也增加了WIT-1菌種含量.

圖6 增加COD施氏假單胞菌菌株WIT-1脫氨氮曲線Fig.6 The curves of P.stutzeri strain WIT-1 removing ammonia by increasing the COD

2.6 提高未滅菌生活污水接菌量的脫氨氮試驗(yàn)

提高接菌量，不僅能提高菌種WIT-1與其他菌種的競爭能力，而且能夠提高其對氨氮的去除率.通過提高接菌量，來提高菌種WIT-1在未滅菌生活污水中進(jìn)行脫氨氮能力.提高接菌量其氨氮含量變化曲線如圖7所示.

圖7 增加接菌量施氏假單胞菌菌株WIT-1脫氨氮曲線Fig.7 The curves of P.stutzeri strain WIT-1 removing ammonia by increasing the inoculation

由圖7可知，在12 h，菌株WIT-1對氨氮的去除率達(dá)到了100%，但是在12 h以后，其氨氮含量有很大幅度的提高，在48 h其對氨氮的去除率下降到27.428%.其初始COD含量為1 669.36 mg/L，48 h時(shí)COD含量為86.72 mg/L.氨氮回升原因可能是生活污水中的某些物質(zhì)遏制了菌株WIT-1的脫氨氮的硝化酶.菌株WIT-1與污水中其它微生物有競爭作用，競爭使菌株WIT-1的細(xì)胞破解死亡，其中的氨氮又被重新釋放出來.對比圖4到圖7，菌株WIT-1在未滅菌生活污水脫氨氮曲線都是先降低后上升，在12 h對氨氮的去除率隨著COD含量和接種量的依次增加而增加，最高時(shí)達(dá)到了100%，并且48 h對氨氮的去除含量都在10 mg/L左右.

3 結(jié) 語

a. 異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌株WIT-1對硝態(tài)氮的耐受性為800 mg/L.

b.菌株WIT-1對滅菌生活污水的脫氨氮效果顯著，去除率能達(dá)到92.845%，但它對滅菌生活污水COD的去除效果不理想.分析可能是因?yàn)槟承┪镔|(zhì)遏制了菌株生長或者菌株的某些酶受到遏制.

c.當(dāng)菌株WIT-1應(yīng)用于未滅菌生活污水時(shí)，菌株WIT-1的接種量為2%，12 h對生活污水中的氨氮的去除率為32.741%.當(dāng)初始 COD含量增加到500 mg/L或者菌株的接種量提高為8%時(shí)，12 h對氨氮的去除率分別為52.765%、100%，但48 h對氨氮的去除率又下降到20%左右.而在菌株用于人工廢水時(shí)脫氨氮效果良好，說明菌株WIT-1受自然環(huán)境影響比較大.

當(dāng)菌株WIT-1應(yīng)用于未滅菌生活污水時(shí)，如果脫氨氮反應(yīng)在12 h停止，是否有助于提高整體氨氮的去除率；搖瓶試驗(yàn)脫氨氮效率與開放試驗(yàn)脫氨氮效率是否一致以及如何把菌株WIT-1作為工程菌株應(yīng)用污水，這些都需要進(jìn)一步的研究.

參考文獻(xiàn)：

[1] 丁元娜,代進(jìn),騰欣宇. 生物脫氮技術(shù)研究現(xiàn)狀探討[J]. 純堿工業(yè),2011,1: 22-25.

[2] 王英閣,胡宗泰. 生物脫氮新工藝研究進(jìn)展[J]. 上?；?2008,33(11): 1-5.

[3] 黃君濤,鐘理,熊帆. 污水生物脫氮新工藝[J]. 廣東化工,2004(9/10): 55-58.

[4] 張凱,雷夢婕,胡國元,等. 一株好氧反硝化細(xì)菌WIT-1的分離鑒定及其脫氨氮特性[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2011,33(11): 14-18.

[5] 國家環(huán)保局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會(huì). 水和廢水監(jiān)測分析方法[M].4版.北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002：211-213,266-268,279-281．

[6] 蔡昌鳳,梁磊. 高效好氧反硝化細(xì)菌的篩選及脫氮特性的研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2011,34(1): 42.

[7] 祝貴兵,彭永臻,郭建華. 短程硝化反硝化生物脫氮技術(shù)[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,40(10): 1552-1557.

[8] Joo H S,Hirai M,Shoda M. Piggery wastewater treatment usingAlcaligenesfaecalisstrain No.4 with heterotrophic nitrification and aerobic denitrifacation[J]. Water Research,2006,40(16):3029-3036.