硝化作用特性分析及討論

孫秦川， 權(quán)海榮， 王寶山

(蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

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硝化作用特性分析及討論

孫秦川， 權(quán)海榮， 王寶山

(蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

指出了利用生物法脫氮時(shí)，硝化作用進(jìn)行的順利與否是影響脫氮工藝效率的重要步驟。從硝化作用的機(jī)理出發(fā)，著重從氨氮自養(yǎng)菌、NH3-N濃度、有機(jī)物濃度(主要是BOD)等方面分析和討論了其對(duì)硝化作用的影響。同時(shí)介紹了共代謝作用的機(jī)理，探討了其對(duì)脫氮作用的影響。為提高脫氮工藝能力、穩(wěn)定運(yùn)行和脫氮新工藝的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)和幫助。

硝化作用；脫氮；溶解氧；硝化細(xì)菌

1　引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)化的迅速發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生活、生產(chǎn)過(guò)程中所排放出來(lái)的污染物總量與日俱增，尤其是所排廢水中的含氮化合物量一直居高不下[1]。含氮化合物進(jìn)入水環(huán)境，會(huì)造成水體質(zhì)量惡化，影響農(nóng)業(yè)、漁業(yè)及城鎮(zhèn)環(huán)境質(zhì)量，進(jìn)而影響人體健康。氮化合物對(duì)水體環(huán)境的主要危害為：①消耗水體中的溶解氧，促使水質(zhì)惡化；②影響水源水質(zhì)，增加水處理費(fèi)用；③造成水體富營(yíng)養(yǎng)化；④對(duì)人和其他生物有毒害作用，長(zhǎng)期飲用含氮水，導(dǎo)致新生兒的先天性心臟病；⑤影響水體透明度，使水具有色和氣味，影響感官；⑥可能會(huì)導(dǎo)致某些傳染病的爆發(fā)等[2]?？梢?，污廢水脫氮已成為我們必須面對(duì)和亟待解決的嚴(yán)峻問(wèn)題。目前，常采用生物脫氮法進(jìn)行污廢水脫氮處理，利用生物法脫氮時(shí)，硝化作用的好壞是影響脫氮工藝效率的重要步驟，只有充分了解硝化作用的特性及影響因素，才能更好的管理和控制工藝的運(yùn)行，提高水處理效率。有關(guān)硝化作用的基本影響因素主要包括溫度、pH值、溶解氧、有毒物濃度等，但大部分已得到廣泛研究，在此不予討論。本文將著眼點(diǎn)放在硝化作用的作用機(jī)理，NH3-N濃度、有機(jī)物濃度(BOD、COD)、氨氮自養(yǎng)菌等因素對(duì)硝化作用的影響上，并將共代謝作用應(yīng)用于廢水脫氮，有望為廢水脫氮技術(shù)及相關(guān)工藝的深入研究與研發(fā)提供理論基礎(chǔ)和幫助。

2　硝化作用的機(jī)理

硝化作用指氨在微生物(硝化細(xì)菌)作用下氧化為硝酸的過(guò)程。硝化過(guò)程分兩部進(jìn)行，首先在亞硝化菌的作用下，氨先轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，然后再經(jīng)硝化菌作用氧化為硝酸鹽氮。

反應(yīng)方程為[3]：

連同同化作用在內(nèi)，總反應(yīng)為：

硝化過(guò)程中起主要作用的亞硝化菌和硝化菌都屬于化能自養(yǎng)菌，它們能利用氧化過(guò)程中產(chǎn)生的能量，利用CO2合成細(xì)胞有機(jī)質(zhì)，這一過(guò)程需氧量較大，每去除1 g NH3-N約消耗4.33 g O2，生成0.15 g新細(xì)胞，減少7.14 g堿度(以CaCO3計(jì))。同時(shí)，亞硝化菌和硝化菌都是小桿菌，喜歡在偏堿性條件下生長(zhǎng)，且生長(zhǎng)較緩慢。另外，硝化菌對(duì)外界環(huán)境條件的變化非常敏感，如何穩(wěn)定運(yùn)行是保證脫氮工藝高效的重要環(huán)節(jié)。

3　硝化細(xì)菌的生物學(xué)特性

之所以提出硝化細(xì)菌生物學(xué)特性這一問(wèn)題是因?yàn)橥ㄟ^(guò)對(duì)硝化作用的研究發(fā)現(xiàn)，硝化細(xì)菌在硝化作用中起著關(guān)鍵的作用，它是硝化作用中起主要作用的、不可缺少的一個(gè)群體。硝化細(xì)菌包括硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌兩個(gè)生理菌群，其主要特征是生長(zhǎng)速率低、具有好氧性、依附性和產(chǎn)酸性等。

3.1硝化細(xì)菌的主要特點(diǎn)

硝化過(guò)程中硝化細(xì)菌起著關(guān)鍵的作用。大部分硝化細(xì)菌是專一性的化能自養(yǎng)菌，能利用亞硝態(tài)氮獲得合成反應(yīng)所需的化學(xué)能，在體內(nèi)制成糖類，這一過(guò)程需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，對(duì)底物的要求具有很強(qiáng)的專一性。同時(shí)，因硝化細(xì)菌由自身合成糖類，這一過(guò)程需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，因而生長(zhǎng)速度慢，平均代時(shí)在10 h以上。它是一種專性好氣菌，以O(shè)2為最終電子受體。大多硝化細(xì)菌無(wú)芽·孢，是革蘭氏陰性菌，繁殖方式為無(wú)形的二均分裂，只有維氏硝化細(xì)菌為芽殖方式。在生態(tài)分布上，有些屬分布較廣，有的則較局限。如硝化球菌和硝化刺菌的種僅分布在海水中，而大多數(shù)普遍的存在于中性或微堿性，通氣良好、含氨態(tài)氮的土壤中或淡水中[4]。

3.2硝化細(xì)菌的作用原理

硝化細(xì)菌通過(guò)硝化作用氧化無(wú)機(jī)化合物從而獲取能量來(lái)滿足自身的代謝要求，并且以CO2作為唯一碳源，是典型的化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌。與此同時(shí)，王祖農(nóng)在化能自養(yǎng)菌簡(jiǎn)介[5]中將化能自養(yǎng)菌特點(diǎn)歸納為：①利用無(wú)機(jī)化合物的氧化取得生活必需能量；②用CO2作為碳源合成自己的細(xì)胞物質(zhì)；③不能像異氧菌一樣的利用現(xiàn)成的有機(jī)物質(zhì)?？梢娮责B(yǎng)性硝化細(xì)菌是嚴(yán)格意義上的自養(yǎng)菌，它不會(huì)影響廢水中有機(jī)物的濃度。

4　NH3-N濃度對(duì)硝化作用的影響

生物法脫氮主要是去除污水中的含氮化合物，主要包括：有機(jī)氮，氨氮，亞硝酸鹽氮與硝酸鹽氮。研究發(fā)現(xiàn)污水中NH3-N濃度會(huì)對(duì)硝化作用產(chǎn)生一定的影響。

劉芳[6]等人利用間歇式活性污泥反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)硝化系統(tǒng)中自養(yǎng)菌動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定及其影響因素的研究得出結(jié)論，隨著污水中起始NH3-N濃度的增加，自養(yǎng)細(xì)菌最大增長(zhǎng)速率值呈下降趨勢(shì)，表明較高的NH3-N濃度會(huì)對(duì)自養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，從而影響硝化作用的進(jìn)行。

周鍵[7]等通過(guò)SBBR反應(yīng)器，考察NH3-N質(zhì)量濃度對(duì)SBBR反應(yīng)器短程硝化效能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)水NH3-N質(zhì)量濃度逐步提高時(shí)，出水NH3-N質(zhì)量濃度在反應(yīng)器初期均有所升高，但隨著反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的時(shí)間的延長(zhǎng)，出水NH3-N質(zhì)量濃度均逐漸降低，去除率逐漸增加直至穩(wěn)定。隨著進(jìn)水NH3-N質(zhì)量負(fù)荷的增大，NH3-N去除率逐漸下降。當(dāng)進(jìn)水NH3-N質(zhì)量濃度為3000mg/L時(shí)，NH3-N的平均去除率為1700.8 mg/L·d達(dá)到最大，系統(tǒng)中亞硝化菌轉(zhuǎn)化效能最高。隨著進(jìn)水NH3-N質(zhì)量濃度繼續(xù)增加，NH3-N平均去除率迅速下降。

王春英[8]利用自制好氧裝置進(jìn)行硝化實(shí)驗(yàn)，考察堿度、氨氮負(fù)荷和COD對(duì)以硝化菌群為優(yōu)勢(shì)菌群的獨(dú)立硝化的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氨氮負(fù)荷影響硝化速率，氨氮濃度過(guò)低時(shí)硝化菌受底物抑制，氨氮濃度太高對(duì)硝化菌有毒害作用以致硝化作用不完全。因此實(shí)際脫氮時(shí)應(yīng)控制進(jìn)水氨氮濃度，實(shí)現(xiàn)硝化作用的最大效率。

5　BOD、COD等有機(jī)物濃度對(duì)硝化作用的影響

BOD是生物化學(xué)需氧量，它代表了可生物降解的有機(jī)物的含量。COD是化學(xué)需氧量，它代表了可生物降解和難生物降解的有機(jī)物的含量。硝化細(xì)菌對(duì)環(huán)境很敏感，為了使硝化反應(yīng)進(jìn)行正常，保證脫氮效果，脫氮系統(tǒng)的BOD/TKN應(yīng)在4～6以上，表1[9]為參考資料所推薦的比值。在研究有機(jī)物濃度對(duì)硝化作用的影響過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，其實(shí)有機(jī)物本身并不影響硝化細(xì)菌的性能，有機(jī)物對(duì)于硝化細(xì)菌的影響主要是通過(guò)由它所引起的異氧菌的生長(zhǎng)而產(chǎn)生的。異氧菌在有機(jī)物存在的情況下，會(huì)與同一環(huán)境中生長(zhǎng)的硝化細(xì)菌爭(zhēng)奪溶解氧、氨等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)速率緩慢，因而不利于硝化細(xì)菌生長(zhǎng)，進(jìn)而影響硝化作用的效果。有文獻(xiàn)[10]記載當(dāng)進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷較高時(shí)，在活性污泥系統(tǒng)中占優(yōu)勢(shì)的異養(yǎng)氧化菌將會(huì)首先利用氨物質(zhì)進(jìn)行合成代謝，大量消耗溶解氧，從而抑制硝化作用的進(jìn)行。另文獻(xiàn)資料顯示[11]，只有當(dāng)污水中的碳源大大消耗，BOD降至20mg/L以下時(shí)，自養(yǎng)型的硝化細(xì)菌才能逐漸取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，硝化反應(yīng)才得以進(jìn)行。可見，在硝化過(guò)程中需要較好的控制有機(jī)物的濃度，尤其是BOD濃度，為硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)創(chuàng)造有利的生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)其生長(zhǎng)，進(jìn)而促進(jìn)硝化作用的進(jìn)行。

表1　不同C/N比的脫氮效果

6　共代謝作用在生物脫氮中的應(yīng)用

共代謝是指生長(zhǎng)基質(zhì)存在時(shí)，生長(zhǎng)基質(zhì)在為微生物代謝提供足夠的碳源和能源的同時(shí)，誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生關(guān)鍵酶降解非生長(zhǎng)基質(zhì)，但是非生長(zhǎng)基質(zhì)的降解不能為微生物提供能量也不能合成為細(xì)胞物質(zhì)[12]。例如一些難降解有機(jī)物，某些重金屬、絡(luò)合離子和有毒有機(jī)物不僅不能被普通微生物降解，且對(duì)硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌有毒害作用，從而影響脫氮效果(難降解物質(zhì)不能被代謝到要求程度都是由于微生物體缺乏降解該物質(zhì)或該物質(zhì)中間產(chǎn)物的酶[13])。

只有當(dāng)污水中的碳源大大消耗，BOD降至20mg/L以下時(shí)，自養(yǎng)型的硝化細(xì)菌才能逐漸取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，硝化反應(yīng)才得以進(jìn)行?；谖⑸锏墓泊x機(jī)理，可通過(guò)將共代謝型微生物接種于普通活性污泥中，利用共代謝型微生物降解難降解微生物，使得BOD值大程度降低，為自養(yǎng)型硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)奠定良好基礎(chǔ)。

能進(jìn)行共代謝的微生物有無(wú)色桿菌、節(jié)桿菌、黑曲霉、固氮菌、芽孢桿菌、短桿菌、黃色桿菌、微桿菌、微球菌、紅色微球菌、黃色假單胞菌、黃色鏈霉葡等[14]。在實(shí)際利用共代謝作用降解有機(jī)污染物的操作過(guò)程中往往選擇混合微生物進(jìn)行共培養(yǎng)，從而達(dá)到將目標(biāo)污染物徹底降解的目的。如李成都[15]在研究烷基苯磺酸鹽共代謝降解過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在同樣實(shí)驗(yàn)條件下，分別用甲烷培養(yǎng)菌共培養(yǎng)物和從該培養(yǎng)物中分離出一株降解菌共代謝降解烷基苯磺酸鹽，共培養(yǎng)能夠更徹底的降解目標(biāo)污染物，而純培養(yǎng)只能進(jìn)行烷基苯磺酸鹽的起始幾步氧化。這表明了在共代謝過(guò)程中，混合菌之間存在相互作用，可以促進(jìn)目標(biāo)菌株的生長(zhǎng)，有利于目標(biāo)污染物的徹底降解，避免了可能有毒性的中間產(chǎn)物在環(huán)境中的累積。同時(shí)文獻(xiàn)[16]顯示，實(shí)際工程中常選用一些廉價(jià)且易得的共代謝物質(zhì)(生長(zhǎng)基質(zhì)),如葡萄糖和生活污水(城市污水)。因此，可以利用共降解微生物的共降解作用首先去除污水中的部分難降解有機(jī)物和有毒物質(zhì)，為硝化作用創(chuàng)造適宜的條件，促進(jìn)硝化作用的順利進(jìn)行。

7　結(jié)論

(1)自養(yǎng)型硝化細(xì)菌是完全的自養(yǎng)型微生物，利用CO2作為碳源合成自己的細(xì)胞物質(zhì)，不會(huì)與異氧菌爭(zhēng)奪現(xiàn)成有機(jī)物質(zhì)。也就是說(shuō)，在硝化作用中，自養(yǎng)型硝化細(xì)菌不會(huì)利用污水中現(xiàn)成的有機(jī)物如COD、BOD等合成自身的細(xì)胞物質(zhì)，它不會(huì)影響污水的有機(jī)物濃度。

(2)硝化作用的影響因素中，①隨著NH3-N濃度的增加，對(duì)自養(yǎng)菌產(chǎn)生抑制作用，從而不利于硝化作用的進(jìn)行。②BOD本身并不影響硝化細(xì)菌的性能。它對(duì)于硝化細(xì)菌的影響主要通過(guò)由它所引起的異氧菌的生長(zhǎng)而產(chǎn)生的。異氧菌在有機(jī)物存在的情況下，與硝化細(xì)菌爭(zhēng)奪溶解氧、氨等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，由于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)速率緩慢，從而不利于硝化細(xì)菌生長(zhǎng)，進(jìn)而影響硝化作用的效果。只有當(dāng)污水中的碳源大大消耗，BOD降至20mg/L時(shí)，自養(yǎng)型的硝化細(xì)菌才能逐漸取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，硝化反應(yīng)才得以進(jìn)行。

(3)從共代謝機(jī)理應(yīng)用來(lái)說(shuō)，含難降解化合物的工業(yè)污水和生活污水合流處理是個(gè)方向。這樣可為硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)創(chuàng)造有利條件，有利于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，從而促進(jìn)硝化作用的順利進(jìn)行。

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Analysis and Discussion on the Characteristics of Nitrification

Sun Qinchuan, Quan Hairong, Wang Baoshan

(SchoolofEnvironmentandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

When using biological method to remove nitrogen, the effect of nitrification is an important step in the process of nitrogen removal . This paper, based on the mechanism of denitrification , focused on ammonia nitrogen autotrophic bacteria, concentration of NH3-N and organic matter (BOD), analyzed and discussed the influence of nitrification. The mechanism of CO-metabolism was introduced, and its effect on the removal of nitrogen was also discussed. It provided theoretical basis and was helpful for the research and development of new technology,which improved the ability of nitrogen removal and its stable operation .

nitrification; nitrogen removal; dissolved oxygen; nitrifying bacteriar

2016-06-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51368029)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃子課題 (編號(hào)：2012BAC04B02)

孫秦川 (1990—)，男，蘭州交通大學(xué)碩士研究生。

王寶山(1978—)，男，博士，副教授，主要從事環(huán)境污染控制方面的研究工作。

X520.5

A

1674-9944(2016)14-0068-03