碳源、pH值和溫度對脫氮菌株脫氮性能的影響

趙翠娟，宋文軍，朱高雄，魏紀(jì)平，李博智

（1.天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津300134；2.天津市興源環(huán)境技術(shù)工程有限公司，天津300384；3.天津清鑒生物科技有限公司，天津300384）

近年來，污水中的氮含量逐年增加，氮成為水體污染的重要來源之一[1].如果氮的污染處理不當(dāng)，不但會引起水體溶解氧下降，還會形成亞硝胺等致癌物質(zhì)[2]，從而對水中的生物產(chǎn)生毒害作用.我國是世界上13個貧水國家之一，因此，降解污水中的氮對維持我國水體清潔具有重要意義[3]，而污水中微生物對氮的處理又起著至關(guān)重要的作用[4-5].

目前，生物脫氮由于無二次污染，有脫氮徹底、易操作、經(jīng)濟(jì)安全等優(yōu)點(diǎn)[6]，被認(rèn)為是具有較高可行性和最有前途的水體脫氮方法，相關(guān)研究也較多[7-8].生物脫氮包括硝化和反硝化2個主要步驟：硝化是將氨氮氧化成硝酸鹽，在好氧條件下完成；反硝化是將硝酸鹽還原成氮?dú)鈴乃幸莩?，在無氧條件和有機(jī)物作為碳源時(shí)才能完成.關(guān)于硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌篩選和脫氮性能的研究較多[9-12].

生物脫氮技術(shù)處理污水的過程中，為了讓脫氮菌能更好地生長繁殖，從而達(dá)到最佳的脫氮效果和經(jīng)濟(jì)效益，需要為其提供良好的生長環(huán)境.課題組設(shè)置不同的碳源、pH值和溫度，在其他2個因素保持不變的情況下，研究1個因素對脫氮菌脫氮性能的影響，以此確定脫氮菌生長的最佳條件.這對于污水處理工藝的優(yōu)化具有指導(dǎo)意義.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 菌種來源

所用菌種為課題組從天津市海河醫(yī)院污水處理廠曝氣池中取樣篩選出的脫氮菌HN18.

1.1.2 培養(yǎng)基

異養(yǎng)硝化培養(yǎng)基：（NH4）2SO40.472 g，NaNO30.246 g，KH2PO40.725 g，Na2HPO41.136 g，MgSO4·7H2O 0.2 g，CaCl2·2H2O 0.02 g，NaHCO385 mg，微量元素Ⅰ（FeSO45 mg，EDTA 5 mg），微量元素Ⅱ（EDTA 15 mg，ZnSO4·7H2O 4.3 mg，CoCl·6H2O 2.4 mg，MnCl26.29mg，CuSO4·5H2O 2.5mg，Na2MoO4·2H2O 2.2 mg，NiCl2·6H2O 1.9 mg，H3BO30.14 mg）.

反硝化培養(yǎng)基：KNO31 g，KH2PO40.725 g，Na2HPO41.136 g，MgSO4·7H2O 0.2 g，CaCl2·2H2O 0.02 g，NaHCO385 mg，微量元素Ⅰ和微量元素Ⅱ（同上）.

向硝化培養(yǎng)基和反硝化培養(yǎng)基中分別加入醋酸鈉、檸檬酸鈉、葡萄糖、甘油、糖蜜、甲醇、蔗糖.使每種碳源質(zhì)量濃度均為1.0g/L，加蒸餾水定容到1 000 mL，調(diào)節(jié)pH至7.0～8.0，然后分裝到三角瓶中備用.

在測試pH對HN18脫氮性能的影響時(shí)，向以糖蜜為碳源的硝化培養(yǎng)基和反硝化培養(yǎng)基中加蒸餾水定容到1000 mL，分別調(diào)節(jié)pH為6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0，然后分裝到三角瓶中進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

在測試溫度對HN18脫氮性能的影響時(shí)，以糖蜜作為硝化培養(yǎng)基和反硝化培養(yǎng)基的碳源，調(diào)節(jié)pH為7.0～8.0.將脫氮菌HN18分別接種到異養(yǎng)硝化和反硝化培養(yǎng)基中，分別置于15、20、25、30、35、40、45、50℃溫度下進(jìn)行培養(yǎng).

1.1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

FA2004型電子分析天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)；VS-1300型雙人U型潔凈工作臺，蘇州凈化設(shè)備有限公司生產(chǎn)；752HA紫外可見分光光度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)；FE20pH計(jì)，梅特勒-托利多儀器有限公司生產(chǎn).

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 各指標(biāo)的檢測方法

將脫氮菌HN18接種到培養(yǎng)基中，在28℃、150 r/min下振蕩培養(yǎng)，分別在24h和48h定量取樣，用納氏試劑分光光度法[13]測定NH4+-N的濃度，用酚二磺酸法[14]測定NO3--N的濃度，用鹽酸萘乙二胺法[15]測定NO2--N的濃度.

1.2.2 氨氮去除率的計(jì)算方法

式（1）中：M為氨氮的去除率；c為反應(yīng)之后氨氮的質(zhì)量濃度（mg/L）；c0為初始的氨氮質(zhì)量濃度（mg/L）.

1.2.3 硝酸鹽氮去除率的計(jì)算方法

式（2）中：A為硝酸鹽氮的去除率；x為反應(yīng)之后硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度（mg/L）；x0為初始硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度（mg/L）.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同碳源對HN18脫氮效果的影響

在不同的碳源培養(yǎng)基中，24h和48h內(nèi)菌株HN18去除氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的效果如圖1所示.

由圖1（a）可知，葡萄糖作為碳源時(shí)，HN18去除氨氮的效果最好，24h的氨氮去除率超過80%，48h時(shí)達(dá)到96.17%；醋酸鈉和糖蜜作為碳源時(shí)，HN18去除氨氮的效果次之；甘油和甲醇作為碳源時(shí)，HN18去除氨氮的效果最差，48h氨氮的去除率約為40%.由圖1（b）可知，葡萄糖作為碳源時(shí)，HN18去除硝酸鹽氮的效果最好，48h時(shí)硝酸鹽氮去除率達(dá)到94.35%；糖蜜和醋酸鈉作為碳源時(shí)，去除硝酸鹽氮效果次之，48h硝酸鹽氮去除率分別為88.13%和58.29%；甘油和甲醇作為碳源時(shí)，去除硝酸鹽氮效果最差，48h硝酸鹽氮去除率分別為42.18%和32.47%.由圖1（c）可知，葡萄糖作為碳源時(shí)，HN18對亞硝酸鹽氮的積累最少，48h時(shí)亞硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度為2.07 mg/L；糖蜜和醋酸鈉作為碳源時(shí)，HN18對亞硝酸鹽氮的積累效果次之，48h亞硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度分別為2.37mg/L和2.41mg/L；甲醇作為碳源時(shí)，HN18對亞硝酸鹽氮的積累最多，48h亞硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度為8.73 mg/L.

綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在7種碳源中，葡萄糖作為碳源時(shí)HN18對氨氮和硝酸鹽的去除效果最好，對亞硝酸鹽氮的積累也最少，糖蜜和醋酸鈉次之.但是受經(jīng)濟(jì)效益和原材料來源的影響，葡萄糖和醋酸鈉的價(jià)格較高，若實(shí)際生產(chǎn)中利用葡萄糖和醋酸鈉作為碳源，成本會升高，而糖蜜價(jià)格相對較低，且來源廣泛，因此在試生產(chǎn)中投加糖蜜作為碳源.

2.2 不同pH對HN18脫氮效果的影響

不同的pH條件下，HN18對氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的去除效果如圖2所示.

由圖2（a）可知，pH值為7.5時(shí)，HN18去除氨氮的效果最好，48h時(shí)氨氮的去除率達(dá)到90.48%；pH值為7.0和8.0時(shí)，去除氨氮效果次之，48h氨氮去除率分別為82.26%和81.39%；pH值為9.0時(shí)，去除氨氮效果最差，48h氨氮去除率僅有19.15%.堿性環(huán)境可能會抑制脫氮菌HN18的生長.由圖2（b）可知，pH值為7.5時(shí)，HN18去除硝酸鹽氮的效果最好，48h時(shí)硝酸鹽氮去除率達(dá)到92.75%；pH值為7.0和8.0時(shí)，去除硝酸鹽氮的效果次之，48h硝酸鹽氮去除率分別為82.74%和87.69%；pH值為9.0時(shí)，去除硝酸鹽氮的效果最差，48h的硝酸鹽氮去除率為15.77%.由圖2（c）可知，pH值為7.5時(shí)，亞硝酸鹽氮的殘留最少，48h時(shí)亞硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度為2.17 mg/L；pH值為7.0和8.0時(shí)，對亞硝酸鹽氮的殘留量次之，48h亞硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度分別為2.93 mg/L和3.08 mg/L；當(dāng)pH值為6.0時(shí)，HN18對亞硝酸鹽氮的積累最多，48h亞硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度為8.92 mg/L.

綜合分析，pH值在7.0～8.0之間時(shí)，菌株HN18對氨氮和硝酸鹽氮的去除效果較好，亞硝酸鹽氮的積累也較少，因此，判斷菌株HN18生長和脫氮效果最佳的pH為7.5左右.

2.3 不同溫度對HN18脫氮效果的影響

不同溫度下，脫氮菌HN18對氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的去除效果如圖3所示.

由圖3（a）可知，當(dāng)溫度為30℃時(shí)，HN18去除氨氮的效果最好，48h時(shí)氨氮去除率達(dá)到95.02%；當(dāng)溫度為25、35℃時(shí)，去除氨氮的效果次之，48h氨氮去除率分別為88.07%和87.96%；當(dāng)溫度為50、15℃時(shí)，去除氨氮的效果最差，48h氨氮去除率分別為11.02%和13.09%，原因是由于溫度太低或太高都不適合微生物生長或者使微生物體內(nèi)的代謝酶失活，導(dǎo)致微生物生長極其緩慢，影響菌株去除氨氮的能力.由圖3（b）可知，HN18去除硝酸鹽氮效果最佳的溫度也是30℃，48h硝酸鹽氮去除率可達(dá)到86.63%；當(dāng)溫度為25℃和35℃時(shí)，去除硝酸鹽氮的效果次之；而溫度為15℃和50℃時(shí)，去除硝酸鹽氮的效果最差，48h的硝酸鹽氮去除率分別為11.21%和12.63%.由圖3（c）可知，當(dāng)溫度為15、20、25、30、50℃時(shí)，亞硝酸鹽氮的殘留量都很少；當(dāng)溫度為35、40、45℃時(shí)，亞硝酸鹽氮的殘留量較多.由于15、20、50℃均不適合微生物生長，因此，最終確定HN18脫氮的最適溫度為30℃.

3 結(jié)論

該文研究測試了高效脫氮菌株HN18在不同碳源、pH和溫度條件下，對氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的脫氮效果，確定HN18的最佳培養(yǎng)和作用條件.結(jié)論如下：

（1）7種碳源中，HN18在以葡萄糖為碳源的培養(yǎng)基中脫氮效果最好，但其價(jià)格高昂且在天津地區(qū)不易得；糖蜜脫氮效果也較好，而且價(jià)格低廉，有利于節(jié)約成本，因此確定糖蜜為最佳碳源.

（2）HN18脫氮性能較高的pH值范圍為7.0～8.0，pH為7.5時(shí)脫氮效果最好.

（3）HN18在溫度范圍25～30℃內(nèi)脫氮性能較好，以30℃時(shí)的脫氮效率最高.

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