高效脫硫異養(yǎng)反硝化菌株的代謝特性研究

于虹霞，任南琪，陳 川

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

伴隨國家對于水污染治理的日益重視，相關(guān)水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)也日益嚴(yán)格，如何在已有工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提高廢水中污染物的處理效率成為重要課題.自養(yǎng)-異養(yǎng)微生物協(xié)同共代謝的反硝化脫硫技術(shù)(DSR)是通過自養(yǎng)硫氧化反硝化菌和異養(yǎng)反硝化菌的協(xié)同作用，實現(xiàn)了碳氮硫的同步去除，并提高了單質(zhì)硫的轉(zhuǎn)化率的一種工藝[1].目前的研究工作表明，DSR 工藝系統(tǒng)內(nèi)的自養(yǎng)微生物可以反硝化的同時氧化硫化物，異養(yǎng)反硝化微生物主要作用是脫氮.很少有文獻(xiàn)報道異養(yǎng)反硝化菌可以同時進(jìn)行硫化物的氧化和反硝化作用，而且已有報道中微生物的硫化物轉(zhuǎn)化效率很低，無法進(jìn)行用于工程實踐.

陳川[2]等人在研究反硝化脫硫技術(shù)過程中發(fā)現(xiàn)了一類異養(yǎng)反硝化菌既可進(jìn)行硫化物的氧化也可進(jìn)行反硝化的細(xì)菌，命名為C27.它的脫硫能力很強，極可能用于工程實踐.

1 材料與方法

本實驗的菌株P(guān)seudomonas sp. C27是實驗室之前富集并分離的.菌種來源是EGSB 反應(yīng)器中的顆粒污泥，由于在EGSB中連續(xù)運行半年以上，其中具有反硝化脫硫功能的菌種已成功完成定向富集.實驗開始前，先將實驗室密封保存的菌株C27從4 ℃冰箱內(nèi)，進(jìn)行擴培，液體培養(yǎng)基按照表1進(jìn)行配比[3].

表1 液體培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分配比

注：試劑為分析純

固體培養(yǎng)基成分配比不變，只是在液體培養(yǎng)基中加入2%的瓊脂.每組試驗做兩個平行樣，試驗以無菌蒸餾水作為空白參照.由于硫化物的揮發(fā)性強，藥品Na2S·9H2O在空氣中易變質(zhì)，因此要在用磷酸鹽緩沖液將pH調(diào)到8左右后最后加入.空氣浴振蕩器設(shè)定在130 r/min，培養(yǎng)溫度設(shè)定在30 ℃.基于微生物生長需要，每1 L 液體培養(yǎng)基加入1 mL 微量元素，微量元素配比見表2.

表2 培養(yǎng)基中微量元素配比

注：試劑均為分析純(AR)

實驗操作過程中，使用容量為250 mL的血清瓶，每個裝入200 mL液體培養(yǎng)基后，要先用氮氣吹脫3 min后，再用橡膠塞將血清瓶密封，用滅菌鍋滅菌待用.為避免菌液干擾，菌體被轉(zhuǎn)入培養(yǎng)基前要在8 000 r/min下先離心10 min，再用無菌蒸餾水潤洗3遍.

2 C27不同條件下的代謝情況

2.1 自養(yǎng)條件下微生物代謝情況

在空白對照實驗中，未接種菌體的無菌蒸餾水在同樣條件下，硫化物、硝酸鹽和乙酸鹽等幾個主要指標(biāo)降解率均小于3%，說明非生物對于碳氮硫的自然降解情況可忽略不計.圖1表示的是C27在自養(yǎng)狀態(tài)下，硫化物的降解情況，圖2為自養(yǎng)狀態(tài)下硝酸鹽降解情況.

圖1 自養(yǎng)狀態(tài)下硫化物降解情況

圖2 自養(yǎng)狀態(tài)下硝酸鹽降解情況

自養(yǎng)條件下，兩個系統(tǒng)按培養(yǎng)基比例添加了硝酸鹽和無機碳酸氫鈉，未加有機碳源，初始硫化物質(zhì)量濃度分別為50 mg/L和100 mg/L，初始硝酸鹽質(zhì)量濃度100 mg/L.由圖1、2可見，反應(yīng)初期(前5 h)，兩個系統(tǒng)中的硫化物和硝酸鹽只有微小下降，反應(yīng)后期(5～20 h)，兩個系統(tǒng)中的硫化物和硝酸鹽質(zhì)量濃度幾乎不再變化.總體來看，自養(yǎng)狀態(tài)下，C27幾乎不能降解硫化物，也不能利用硝酸鹽，而且硫化物和硝酸鹽的降解情況與初始硫化物質(zhì)量濃度沒有直接關(guān)系.肉眼實際觀察，兩個系統(tǒng)中的菌液質(zhì)量濃度明顯降低，說明自養(yǎng)系統(tǒng)中缺少有機碳源，C27很難存活，很難起到脫硫作用.

2.2 異養(yǎng)條件下微生物代謝情況

這組實驗加入乙酸鹽作為有機碳源，硝酸鹽作為氮源，初始質(zhì)量濃度分別是270 mg/L和 430 mg/L，不添加硫化物作為硫源，以考察在異養(yǎng)加氮不加硫條件下，菌株是否仍然具有反硝化能力.結(jié)果如圖3所示.在反應(yīng)前段，由乙酸鹽和硝酸鹽率先降解，速率都很快，在20 h左右乙酸鹽降解了超過2/3，硝酸鹽僅剩77.3 mg/L，亞硝酸鹽質(zhì)量濃度一直在增加，直到20 h左右達(dá)到峰值質(zhì)量濃度47.5 mg/L.20 h之后所有底物降解速度都放緩，反應(yīng)后期，硝酸鹽全部被降解，亞硝酸鹽質(zhì)量濃度緩慢降低，直至最終降為0，乙酸鹽僅剩余18.7 mg/L.這是因為硝酸鹽降解后會產(chǎn)生一定量的亞硝酸鹽，反應(yīng)過程中有少量氣體生成，由以前的實驗研究結(jié)果推測產(chǎn)物是而亞硝酸鹽最終降解生成的氮氣.

圖3 異養(yǎng)加氮不加硫條件下，底物降解曲線

2.3 不同硫氮比對微生物代謝影響

陳川[3]等人已經(jīng)完成的考察不同C/N 比的實驗中，證實了C27 對于硫化物的降解能力與有機碳源質(zhì)量濃度并無關(guān)聯(lián)，并不受C/N 比的影響，這與DSR-EGSB 一體式反應(yīng)器中，硫化物降解能力受不同的C/N 比影響的結(jié)論截然不同.那么哪些條件能真正決定末端氧化產(chǎn)物是什么？鑒于C27 這類功能菌和實際工藝處理效果影響因素的差異，我們推測影響硫化物的降解速率的原因之一可能是硫氮比.

因此，本節(jié)內(nèi)容重點考察在微氧環(huán)境條件下，在不同硫氮比C27對碳氮硫污染物的降解效能的影響，還是以硫化物、硝酸鹽、乙酸鹽三個指標(biāo)降解效率變化來表達(dá).設(shè)定硫氮比四個梯度分別是2.5、1.0、0.625、0.5.每組裝瓶成分和培養(yǎng)基相同，主要為硫化物，硝酸鹽和乙酸鹽.之后將C/N固定為1.26，這是因為根據(jù)前期試驗結(jié)果，DSR反應(yīng)器在此碳氮比情況下，保證碳源充足，可達(dá)到最大負(fù)荷，運行效果最好.硫化物的底物質(zhì)量濃度固定在100 mg/L，每批改變S/N比，硝酸鹽和乙酸鹽根據(jù)不同比例變化添加.由于是微氧環(huán)境，溶解氧質(zhì)量濃度要控制在0.2～0.4 mg/L之間.

2.3.1 硫氮比為5∶2時的代謝情況

硫氮比是5∶2時，初始質(zhì)量濃度硫化物為100 mg/L，硝酸鹽17.5 mg/L.由圖4所示，在反應(yīng)前段，乙酸鹽和硝酸鹽都能很快降解，15 h左右即降到0，亞硝酸鹽在10 h左右達(dá)到峰值，20 h降解完全.而硫化物在前段降解很快，但在15～20 h左右達(dá)到瓶頸，之后一直在80 mg/L上下浮動.這說明，當(dāng)硫氮比是5∶2時，乙酸鹽和硝酸鹽降解效果很好，亞硝酸鹽也沒有積累，很快就降解了，但是由于硫氮比很高，硫化物過量，反應(yīng)后期缺少碳源和氮源，C27無法進(jìn)一步降解硫化物.

圖4 S/N=5∶2時，底物降解曲線

2.3.2 硫氮比為5∶5時的代謝情況

硫氮比是5∶5時，初始質(zhì)量濃度硫化物為100 mg/L，硝酸鹽43.75 mg/L.由圖5所示，在反應(yīng)前半段，乙酸鹽和硝酸鹽都能很快降解.乙酸鹽前10 h稍慢，15～25 h迅速降解直到11.5 mg/L；硝酸鹽一直穩(wěn)定降解，在20 h左右降到0；亞硝酸鹽在15 h左右達(dá)到峰值23.4 mg/L，在25 h降解完全.而硫化物在前段0～10 h降解很快，但之后一直穩(wěn)定在38 mg /L左右.這說明，在硫氮比是1的條件下，乙酸鹽降解效率在90%以上，硝酸鹽幾乎全部降解，亞硝酸鹽也沒有積累，硫化物少量過量，可能是反應(yīng)后期缺少足夠氮源，硫化物沒能進(jìn)一步被降解.

圖5 S/N=5∶5時，底物降解曲線

2.3.3 硫氮比為5∶8時的代謝情況

硫氮比是5∶8時，初始質(zhì)量濃度硫化物為100 mg/L，硝酸鹽增加到70 mg/L.圖6表明，在反應(yīng)前半段0～20 h，硫化物、乙酸鹽和硝酸鹽都能順利降解.乙酸鹽質(zhì)量濃度穩(wěn)定在19.4 mg/L左右，有機碳去除率接近90%；硝酸鹽10 h左右?guī)缀醣唤到猓粊喯跛猁}在10 h左右達(dá)到峰值，在20 h降解完全；而硫化物在前半段也幾乎全部降解.數(shù)據(jù)說明，5∶8的硫氮比條件下，硫化物、乙酸鹽和硝酸鹽去除效果都很好，硫化物、硝酸鹽降解率接近100%.

圖6 S/N=5∶8時，底物降解曲線

2.3.4 硫氮比為5∶10時的代謝情況

硫氮比是5∶10時，初始質(zhì)量濃度硫化物為100 mg/L，硝酸鹽87.5 mg/L，數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7所示.此條件下，硫化物、乙酸鹽和硝酸鹽仍然都能順利降解.經(jīng)過0～10 h的中速降解和10～20 h的快速降解，乙酸鹽最后降解速率達(dá)到了88.7%；硝酸鹽前10 h降解速度非常快，10～15 h緩慢降解到0；亞硝酸鹽在10 h左右達(dá)到峰值，在20 h降解完全；而硫化物在前20 h也幾乎全部降解.5∶10硫氮比條件條件下，硫化物、乙酸鹽和硝酸鹽的降解效率都很高，硫化物、硝酸鹽降解率也接近100%.

圖7 S/N=5∶10時，底物降解曲線

經(jīng)過硫氮比四個不同梯度下，硫化物，硝酸鹽和乙酸鹽降解效果的橫向比較，可以看出，硫氮比對C27的代謝有比較明顯的影響.高硫氮比條件下，會刺激C27對碳氮硫的代謝能力，而且C27降解硫化物的能力與系統(tǒng)中硝酸鹽質(zhì)量濃度有關(guān)，與乙酸鹽質(zhì)量濃度無明顯關(guān)系.實驗結(jié)果表明，C27降解污染物效果最佳的硫氮比為5∶8.

3 結(jié) 論

本文以高效脫硫異養(yǎng)反硝化菌種C27為對象，研究其在不同營養(yǎng)環(huán)境下的代謝規(guī)律，分別考察了C27在自養(yǎng)、異養(yǎng)還有不同硫氮比條件下，對硫化物、硝酸鹽和有機碳三種污染物的降解速率變化.得到的結(jié)論如下：

1)在僅投加硝酸鹽和無機碳酸氫鈉，而沒有有機碳源的自養(yǎng)狀態(tài)下， C27很難存活，肉眼可以看到菌液質(zhì)量濃度逐漸降低.自養(yǎng)條件下的C27幾乎不能降解硫化物，也不能利用硝酸鹽，而且硫化物和硝酸鹽的降解情況與初始硫化物質(zhì)量濃度沒有直接關(guān)系.

2)以乙酸鹽為有機碳源的異養(yǎng)條件下，加氮源不加硫源時，菌株仍然具有反硝化能力，乙酸鹽降解80%以上，硝酸鹽全部被降解，但是此時相對于正常提供硫源的異養(yǎng)條件，乙酸鹽、硝酸鹽的降解時間變長.

3)維持C/N=1.26，在硫氮比5∶2、5∶5、5∶8、5∶10四個不同梯度下，C27降解效果的橫向比較，證明硫氮比對C27的代謝有比較明顯的影響.高硫氮比條件下，C27對碳氮硫的代謝能力都會提高，而且C27降解硫化物的能力與系統(tǒng)中硝酸鹽質(zhì)量濃度有關(guān)，與乙酸鹽質(zhì)量濃度無明顯關(guān)系.實驗結(jié)果表明，C27降解污染物效果最佳的硫氮比為5∶8.

參考文獻(xiàn)：

[1] CHEN C, REN N Q, WANG A J,etal. Simultaneous biological removal of sulfur, nitrogen and carbon using EGSB reactor[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2008, 78(6): 1057-1063.

[2] CHEN C, REN N Q, WANG A J,etal. Microbial community of granules in expanded granular sludge bed reactor for simulaneous biological removal of sulfate, nitrate and lactate[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2008, 79(6): 1071-1077.

[3] 陳 川. 自養(yǎng)菌-異養(yǎng)菌協(xié)同反硝化脫硫工藝的運行與調(diào)控策略[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2011.