除氨氮菌在污水處理中的研究進展

趙翠娟 宋文軍 朱高雄 魏紀(jì)平 李博志 張軍

（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）

隨著我國工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和人口的日益膨脹，污廢水的排放量越來越大，特別是氨氮廢水的排放，導(dǎo)致水中氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的污染也越來越嚴(yán)重。因此，污水的脫氮處理成為近年來研究的熱點之一。生物脫氮有脫氮徹底，易操作，經(jīng)濟安全等獨特的優(yōu)點［1］，其中硝化-反硝化是處理含氨氮廢水的有效方法。但是，由于硝化環(huán)節(jié)條件要求苛刻，硝化和反硝化經(jīng)常不能同步進行［2］。因此，從微生物學(xué)的角度篩選出能夠較好地除氨氮的菌種，并接種于污水處理廠的處理工藝中，將會大大改善污水的處理效果。

1 除氨氮微生物的作用機理

近年來的許多研究表明硝化作用可以由自養(yǎng)型細菌或異養(yǎng)型細菌完成；反硝化作用可以在厭氧條件下，也可在好氧條件下進行；并且，一些好氧反硝化細菌同時也充當(dāng)著異養(yǎng)型硝化細菌的角色。因此，近幾年在傳統(tǒng)生物氨氮去除理論的基礎(chǔ)上，短程硝化反硝化、同步硝化反硝化和厭氧氨氧化等是研究得比較多的新型的生物脫氮工藝。下面具體介紹幾種除氨氮工藝的作用機理。

短程硝化反硝化作用是使氨氮氧化停留在亞硝化階段，再進行反硝化。實現(xiàn)短程硝化反硝化的關(guān)鍵在于將NH4+的氧化控制在NO2-階段。由荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)開發(fā)出的脫氮新工藝——SHARON工藝是目前較成功的新工藝［3］。此工藝是根據(jù)硝酸菌和亞硝酸菌生長速率的不同，即在較高溫度（30-40℃）下，亞硝酸菌的生長速率明顯高于硝酸菌。因此，通過反應(yīng)器中溫度和停留時間的控制，就可以淘汰掉硝酸菌，使亞硝酸菌占絕對優(yōu)勢，從而使氨氧化控制在亞硝化階段。

同步硝化反硝化又稱為好氧反硝化，目前對其機理研究得較成熟的有微環(huán)境理論和生物學(xué)理論。從物理學(xué)角度可以用微環(huán)境理論進行解釋，由于受氧擴散作用的限制，會在生物膜內(nèi)或微生物絮體產(chǎn)生溶解氧梯度，即微生物絮體或生物膜的外表面以好氧硝化菌和氨化菌為主。因此，溶解氧濃度高，而由于氧傳遞受阻和外部氧的大量消耗，絮體內(nèi)部會出現(xiàn)缺氧區(qū)，在此以反硝化菌為主，從而形成利于實現(xiàn)好氧反硝化的微環(huán)境。從生物學(xué)理論角度則可以用協(xié)同呼吸機理進行研究，即讓電子流同時傳輸給反硝化酶及氧氣，此時，氧和硝酸鹽可以同時作為電子受體，所以該反應(yīng)也能在好氧環(huán)境中發(fā)生。

厭氧氨氧化（Anammox）是指在厭氧或缺氧條件下，微生物直接以NO3-或NO2-為電子受體，以NH4+為電子供體，將兩種氮素同時轉(zhuǎn)化為氮氣的生物反應(yīng)過程。Anammox的機理是，首先在NIR的作用下，NO2-被還原成NH2OH；然后在HH的作用下，NH2OH將NH3氧化成N2H4，可以看出NH2OH是厭氧氨氧化反應(yīng)最可能的電子受體；最后N2H4被HZO氧化成N2，同時放出4H+和4e。這4e傳遞給NIR，開始新一輪的厭氧氨氧化。具體過程，如圖1所示［4］。

圖1 厭氧氨氧化

2 除氨氮菌篩選

除氨氮菌一般是從自然界中篩選、分離得到的具有特定功能的復(fù)合菌群，目前，在短程硝化反硝化、同步硝化反硝化和厭氧氨氧化菌種篩選方面，許多學(xué)者做了大量研究，具體如下。

2.1 短程硝化反硝化

研究表明，與全程脫氮相比，短程脫氮對總氮的去除率更高，為了使反應(yīng)停留在亞硝酸鹽階段，亞硝酸鹽能夠盡可能多的得到積累，國內(nèi)外許多學(xué)者對短程硝化反硝化進行了研究［5，6］。例如，史一欣等［7］用NaAc為外加碳源，提高C/N值為1.6-2.2時，測定出總氮的去除率達60%以上。當(dāng)C/N值提高至4.5時，硝化菌會因受到異養(yǎng)菌的抑制而降低其活性，導(dǎo)致脫氮效果變差。此試驗主要是通過控制溶解氧等條件來實現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝化，亞硝化速率平均值是硝化速率的21.5倍，氨氮的去除率達到90%左右。張華［8］用篩選培養(yǎng)基篩選出自養(yǎng)硝化菌，再利用其作為生物觸媒處理高氨氮廢水。試驗過程中嚴(yán)格控制溶解氧使氨氧化僅進行到亞硝酸鹽階段，由于缺乏電子受體，硝化菌只能利用亞硝酸鹽進一步氧化成氮氣。

2.2 同步硝化反硝化

近年來好氧反硝化作用受到人們的關(guān)注。污水處理系統(tǒng)中好氧反硝化細菌起著重要的作用，它是通過誘導(dǎo)產(chǎn)生硝酸還原酶和亞硝酸還原酶對硝酸鹽和亞硝酸鹽進行還原［9］。目前已知的好氧反硝化菌有Comamonas testosteroni［10］、Pseudomona sputida［11］等，有許多學(xué)者對好氧反硝化細菌進行了研究。

王景峰等［12］利用極限稀釋和平板劃線法對好氧條件下能同步硝化或者反硝化的細菌進行篩選，他們所用的異養(yǎng)硝化培養(yǎng)是以硫酸銨為氮源、琥珀酸鈉為碳源，最后分離到6株具有好氧脫氮效果的異養(yǎng)菌，其中YY-5 菌具有高效的好氧脫氮能力。其采用16S rRNA 同源性比對法對分離到的細菌進行分析，結(jié)果顯示與不動桿菌屬同源性較高。如易弋等［13］運用靛粉藍-分光光度法測定發(fā)酵液中的氨態(tài)氮，采用比濁法測定菌體的生長情況。最后再用分子生物學(xué)方法對篩選出的菌進行鑒定。曾慶武等［1］用以硝酸鉀為氮源、酒石酸鉀鈉為碳源的反硝化選擇性培養(yǎng)基，從不同的水樣、土樣中分離篩選出一株反硝化能力強的菌株A13，經(jīng)生理生化試驗和16S rDNA序列分析，鑒定該菌株為地衣芽胞桿菌。張玉芹等［14］利用Giltay培養(yǎng)基（其中硝酸鉀作為氮源、檸檬酸鈉作為碳源）、反硝化細菌培養(yǎng)基、TB培養(yǎng)基篩選出具有較強反硝化作用能力的B88和B237，而且兩菌株降解培養(yǎng)基中的硝酸鹽和亞硝酸鹽的效率都較高；于大禹等［15］利用以硝酸鉀為氮源、琥珀酸鈉為碳源的富集培養(yǎng)基，從用生活污水馴化后的活性污泥中篩選出一株具有好氧反硝化兼具除磷功能的細菌。通過形態(tài)學(xué)及生理生化指標(biāo)鑒定其為假單胞菌屬；張紹璐等［16］用以碳酸氫鈉為碳源、硫酸銨為氮源初篩和復(fù)篩培養(yǎng)基篩選并馴化出了好氧脫氮的生物菌群；邵晴等［17］用以硝酸鈉為氮源、琥珀酸鈉為碳源的富集培養(yǎng)基、BTB平板初篩及反硝化培養(yǎng)基復(fù)篩得到好氧反硝化細菌A1，該菌對亞硝酸鹽氮降解率高達99%。這些試驗將會為今后進一步研究好氧反硝化作用提供較大幫助。

2.3 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化突破了傳統(tǒng)硝化反硝化反應(yīng)較繁瑣的電子傳遞過程，而大大降低了能耗。它被認(rèn)為是最為經(jīng)濟的生物脫氮途徑之一，也是近幾年來備受關(guān)注的一種新型生物脫氮反應(yīng)，越來越多的學(xué)者投入到厭氧氨氧化反應(yīng)的研究中。

李祥等［18］用模擬的廢水（氯化銨和亞硝酸鈉為氮源、碳酸氫鈉和碳酸氫鉀為碳源）對厭氧氨氧化菌進行活性恢復(fù)和富集培養(yǎng)，而且在整個過程中厭氧氨氧化菌脫氮效果較好，NH+-N、NO--N的去除率均保持在98%以上；目前國內(nèi)有關(guān)厭氧氨氧化菌富集培養(yǎng)的最高TN容積去除負(fù)荷為3.020 kg/（m3·d）。該反應(yīng)器為顆粒污泥膨脹床生物膜反應(yīng)器，它是用竹炭作為厭氧氨氧化菌的附著載體［19］，運行時間為144 d；Wang等［6］曾觀察厭氧氨氧化細菌所用的寡核苷酸探針和適宜的PCR引物序列，一些針對厭氧氨氧化的某個種屬細菌的引物具有一定的特異性，為厭氧氨氧化細菌的研究提供了參考。

3 工業(yè)應(yīng)用的實例

氨氮菌處理廢水的過程首先是從受污染的環(huán)境中通過富集、篩選、馴化等技術(shù)分離出各種高效優(yōu)勢菌，再把它們混合投入受污染環(huán)境中培養(yǎng)，或者通過基因重組技術(shù)將已有高效優(yōu)勢菌制成新型工程菌，并通過分離、篩選得到目標(biāo)污染物的菌株，經(jīng)培養(yǎng)后投入到受污染環(huán)境中，以達到降解廢水中氨氮的效果。

劉超翔等［20］采用短程硝化反硝化作用處理焦化廢水，此過程檢測到氨氮的進水濃度為510.4 mg/L時，這時焦化廢水氨氮的出水平均濃度為14.2 mg/L，其去除率高達97.2%。在此項研究中，進水時氯酸根離子可以抑制硝酸細菌的活性［21］。馬軍等［22］對曝氣生物濾池的條件進行了優(yōu)化，當(dāng)水溫為20.5-26.5℃、氣水體積比3∶1、濾速1-2 m/h時，總氮的去除能力為0.18∶0.42 kg/（m3·d），而氨氮的去除能力為0.15-0.52 kg/（m3·d）。于慶滿等［23］采用內(nèi)置填料的反應(yīng)器處理含氮制藥廢水，氨氮和總氮的去除率分別高達90%和70%。研究表明當(dāng)溶解氧含量為0.5 mg/L時，同時硝化反硝化脫氮效果最佳［24］。Date等［25］利用各種污泥作為厭氧氨氧化接種污泥，富集成功后，對其多樣性進行分析，得出結(jié)果是用生活污水污泥接種富集的反應(yīng)器有著較高的厭氧氨氧化多樣性。Tsushima等［26］具體定量了不同污泥中的厭氧氨氧化細菌，當(dāng)反應(yīng)器的總氮去除率達到了80%時，該細菌的生長周期也變?yōu)?.6-5.4 d，從而大大縮短了厭氧氨氧化細菌的世代周期。

4 結(jié)論

短程硝化反硝化、同步硝化反硝化、厭氧氨氧化是近幾年發(fā)展比較快的除氨氮技術(shù)，也是眾多研究者研究的熱點，但其中一些技術(shù)的研究還處于起步階段。

目前大多短程硝化反硝化工藝還處于研究階段，實際應(yīng)用得比較少。因為短程硝化階段pH值、溫度等因素的控制難度較大，需要研發(fā)更加完善的在線檢測和模糊控制技術(shù)，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化反硝化。近期的研究重點在好氧反硝化菌的篩選和馴化上，從而發(fā)掘出好的菌屬資源，并從生物學(xué)角度深入研究它的各種生長特性、脫氮機理以及生長的各種生態(tài)因子，并且充分利用其優(yōu)越性，提高生物脫氮效率，降低處理費用，進而找出水處理中的新技術(shù)。同時好氧反硝化技術(shù)也能與短程硝化反硝化技術(shù)聯(lián)用，實現(xiàn)短程硝化好氧反硝化，它不僅可以很大程度提高處理能力和效率，還能大大減少污水處理費用，因此這種聯(lián)用技術(shù)將有很大的發(fā)展?jié)摿?。但是這些技術(shù)中也存在著一些不足之處，如由于厭氧氨氧化菌生長緩慢，培養(yǎng)周期長，所以處理過程中厭氧氨氧化菌含量較少，效果不是很明顯。另外，雖然亞硝酸鹽有去除，但氨氮并沒有隨亞硝酸鹽一起下降，反而有所上升，說明此過程中厭氧氨氧化菌的馴化培養(yǎng)還處于初期或者是起作用的菌比較少。除氨氮菌對控制水體富營養(yǎng)化、凈化水域有極大的價值。但就目前的研究還不成熟，如氨氮菌的分離篩選方法機理研究不夠深入，應(yīng)加強氨氮菌的影響因素、生長條件等機理的研究。通過大量的研究找出處理污水效率更高、分離周期更短的綜合篩選法。隨著生物科學(xué)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了大量新基因，利用基因改組或基因重組等分子生物學(xué)技術(shù)，構(gòu)建生長環(huán)境適應(yīng)能力強、除氨氮效率高、能進行產(chǎn)業(yè)化的高效基因工程菌也是將來的一個研究方向。

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