生物脱氮过程中氮的转化途径的初探

1、.：.；生物脱氮过程中氮的转化途径的初探摘要 近些年来，出现了一些新的脱氮的工艺，对生物脱氮的原理的研讨也进一步深化，这使脱氮的实际不断地得到开展和完善。本文结合实验室小型SBR实验的结果，围绕脱氮过程中N2O的产生中对脱氮途径进展了引见，其目的在于使人们对这些不同的途径有更深的认识。其中很有必要的一项任务便是对这些脱氮途径作出了明确的定义，并将它们进展了区分。最后对一些尚未能解释的问题以及一些假设作了讨论。简介对氮元素转化途径的研讨来源于农业中对氮肥在土壤中的转化的讨论。土壤系统中氮元素总的输入和输出的不平衡使科学家们困惑了50多年e.g.Allison,1995，同样的情况也出如今许多水处

2、置的脱氮工艺中，这使得人们对氮元素其它转化途径的研讨产生了兴趣。最初人们对生物脱氮的认识是NH3或NH4在微生物的作用下转化为NO2-以及NO3-，后两者再转化为N2而到达氮的去除，如今看来这种认识是比较粗略的。对脱氮其它途径的研讨实践上可以归结为对脱氮过程中间产物以及他们产生的环境条件和微生物机理的研讨。这些中间产物包括NO 、N2O以及N2。N2O是一种对环境影响极大的温室气体，它的主要去向是在大气的同温层中原子态的氧反响生成NO，NO对臭氧层会呵斥破坏Bliefert,1994。这就使得许多水处置工艺虽然实现了水体中脱氮但却有能够对大气呵斥影响。实验结果的分析实验室中SBR反响器是一个有

3、效容积为4L的有机玻璃柱，每个周期10.5小时，实验工序为：进水厌氧搅拌3hr曝气8hr 厌氧搅拌1.5hr沉淀1hr排水，每个周期排水2L进水2L，曝气阶段溶解氧控制在2.53.0mg/L。在经过对照实验根本排除了游离氨被吹脱的能够之后，采用实验进水CODcr为720mg/L, NH4-N为110 mg/L，在系统稳定运转之后对一周期各阶段内水相中各种氮化合物的浓度进展跟踪实验。实验期间每间隔1hr测定一次数据。根据这些数据绘成图1。图1中，在前2个小时的缺氧搅拌中即02hrNOX-N有明显下降，但NH4+-N根本没有变化，阐明本系统中未发生厌氧氨氧化过程而是硝酸盐缺氧反硝化的结果。在运转周

4、期的第28小时的曝气形状下，NH4-N浓度迅速下降，由58.8 mg/L降为0.1mg/L，这主要是好氧硝化的结果。8小时曝气之后的缺氧阶段，NO3-N和NO2-N也有比较明显的减少，阐明再次发生缺氧反硝化。当然，在这三个阶段中其它途径对脱氮所作的奉献将在下文结合对各种途径的引见作进一步的论述。图1 运转过程中各种形状的氮的变化情况而在整个周期中TN从59.9 mg/L降为8.5mg/L，好氧反响期间各种含氮化合物的化学衡量计算得到：氨氮经硝态氮包括硝基氮和亚硝基氮脱氮途径所得脱氮量仅占同期脱氮总量的46.5%，在扣除生化合成反响所需氮素之外，尚有50%左右的氮在硝化之前便已去向不明,对此独一

5、的解释是在此过程中产物以气态方式进入周围的空气中。由于衡算过程比较复杂，不作详细引见。3.硝化3.1 自养型硝化硝化是指NH3或NH4经由NO2-被氧化为NO3-的过程。硝化过程通常是由自养或兼性微生物完成的Laanbroek 等1994。这些微生物可分为两类，第一类微生物将NH3或NH4氧化为NO2-，被称为初级硝化菌，典型的如Nitrosomonas europaea；第二类微生物将氧化为NO3-，被称为次级硝化菌，典型的如Nitrobacter winogradskyiMacdonald, 1986;Klemedtsson et al.,1999。通常利用基因探测针的方法可以对活性污泥中

6、参与硝化的微生物进展分析和检测Wagner等1996。需求强调的是目前还尚未发现一种单一的微生物能将NH3或NH4直接氧化为NO3-。硝化过程会产生一些中间产物。第一个NH3被氧化中间产物是NH2OH，这个反响的催化剂是氨单一氧酶Wood,1986。氨单一氧酶的催化作用会遭到一些底物的限制，这些底物经过共价键将酶结合到其活性区域从而会抑制酶对NH3的催化氧化功能。比如说C2H2会被转化为一种具有电抗性的不饱和环状化合物，这种化合物能经过共价键抑制氨单一氧酶的活性McCarty,1999。C2H2在浓度为0.1到10 Pa的范围内会抑制NH3的氧化Berg et al.,1982。CH3F是氨单

7、一氧酶的另一种抑制剂(Hyman et al.,1994)。但与C2H2相比它的优点是在较高浓度下10kPa不会影响反硝化过程(Oremland and Culbertson,1992)。第二步NH3的氧化过程是NH2OH转化为NO2，这一反响的催化剂是羟基氧化复原酶McCarty,1999，而联氨对这类酶有抑制Nicholas and Jones,1960。NO2氧化为NO3-的酶是亚硝酸盐氧化复原酶Bock et al.,1986。氯酸盐是这一反响的催化剂Belser and Mays,1980。另外，浓度过高的NH3会对硝化细菌产生毒性。有文献称：每1g干的Nitrosomonas sp

8、.的生成需求耗费30gNH3Schlegel,1992。因此，就算在硝化细菌数量并不多的环境中，它在氮的转化方面的作用是很大的。无论是最终产物NO3还是一些中间产物都会大量产生，然而后者在工艺过程中并不会产生积累。N2O的产生来源于价态介于NH4和NO2-之间的NH3的氧化物的化学分解作用，例如NH2OH或NO2本身。也有证听阐明NH2OH或NH3的不完全的氧化方式能导致N2O的产生Hooper and Terry,1979。因此，NH3氧化为NO2-的过程能够是产生N2O的一个源头。不仅如此，经过其产物NO2-和NO3-硝化与反硝化结合了起来，后者是N2O产生的另一个显著的过程，将在下面的文

9、章中对其进展更深化的论述。3.2 非自养型硝化与自养型硝化细菌利用硝化作用作为能量来源合成CO2不同，非自养型硝化细菌利用有机碳作为碳源和能量Robertson and Kuenen,1990;Castignetti,1990。虽然自养型硝化和非自养型硝化的底物、最终产物以及中间产物是一样的，但在两个过程中发生作用的酶是有区别的。在非自养型硝化过程中发生作用的氨单一氧酶并不受C2H2的抑制。非自养型硝化细菌不仅能氧化NH3，同样能氧化氮的其它有机物例如尿素Papen et al.,1989。有报导阐明自养型硝化将在有氧条件下产生NO3，能够在环境条件变得于之有利的条件下参与反硝化Casting

10、netti and Hollocher, 1984。与传统的反硝化细菌不同见下文，这些非自养型硝化细菌经常可以在有氧条件下进展反硝化Robertson et al.,1989。N2O作为NO2转化为的N2中间产物Anderson et al.,1993;Richardson et al.,1998在有氧环境下，每个细胞单位的非自养型硝化细菌比自养型硝化细菌产生更多的N2OPapen et al.,1989;Anderson et al.,1993。虽然普遍以为非自养型硝化是较小的N2O产生源，但在一定条件下非自养型硝化仍会产生大量的N2O，例如低PH值，较高的氧浓度以及有机物质较好的生物可利用

11、性Papen et al.,1989; Anderson et al.,1993。4. 反硝化denitrification反硝化是NO3-转化为N2的过程，这一过程中会产生一些中间产物如图2。反硝化由反硝化细菌完成，它们包括Pseudomonas, Bacillus,Thiobacillus,Propionibacterium以及其他的一些菌类Firestone,1982。这些占主导位置的微生物是特殊的厌氧微生物，在氧浓度较低或者厌氧条件下，它能以NO3-替代氧气作为电子受体。对反响起催化作用的酶是硝酸复原酶，亚硝酸复原酶，硝酸氧化复原酶以及亚硝酸氧化复原酶Hochstem and Toml

12、inson,1988,见图2。与硝化相比，N2O在反硝化过程中是一种中间物质。假设PH值低，那么N2O的释放就较多，由于N2O的复原在较低PH值下会遭到抑制Knowles,1982。假设NO3-较多N2O/N2的比例就会较高，由于NO3-是比N2O更强的电子受体Schlegel,1992假设水中有一定浓度的溶解氧那么这一比例还会升高，由于O2对亚硝酸氧化复原酶的抑制强于对其他反硝化过程中的复原酶的抑制Knowles,1982。在较高氧浓度下，反硝化细菌的好氧代谢会加强，这样NO3-就不会减少。除了这些环境要素，还没有发现C2H2以外的对反硝化以及N2O的转化有抑制造用的物质。假设C2H2的浓度

13、到达10kPa那么N2O便会成为反硝化独一的最终产物(Yoshinari et al.,1997)。概括的说，N2O是反硝化的一种中间产物，在低氧浓度、充足的NO3-以及可生化碳源的条件都会导致它的大量产生。5. 结合硝化反硝化(coupled nitrification-denitrification)之所以提到结合硝化反硝化是由于它经常会与硝化细菌反硝化混淆。英文中“coupled一词的意思是“结合或“结合。结合硝化反硝化不是一个分开的过程，这个术语是用来强调硝化过程中产生NO2-的或NO3-能被反硝化细菌所利用。假设微生物菌落所处的环境条件良好，硝化细菌和反硝化细菌都存在与于对方的微环境

14、中，就会出现这种在硝化和反硝化之间的结合(e.g.Arah,1997)。在对这些微环境的研讨之中，Khdyer 和Cho(1983)用一个土壤柱对硝化和反硝化的程度进展了实验，这个土壤柱中均匀地混合有尿素，并且其中氧的浓度是呈梯度的。结果是硝化发生在好氧层，而在厌氧区域反硝化占据的主要位置。而N2O产生于厌氧与好氧的交界部位，并能向土壤外表分散。这阐明N2O更多地产生于对硝化细菌和反硝化细菌都较为适宜的环境中。同时硝化反硝化被用来处置污水，经过环境条件使反响控制在硝化和反硝化的交界阶段而到达较好的脱氮效果dos Santors et al.,1996。6.硝化细菌反硝化硝化细菌反硝化是硝化的一

15、种途径。在硝化细菌反硝化中，NH4转化为NO2-然后NO2-再转化为N2O和N2图3。这一系列的反响仅仅在一类被称为自养型初级硝化菌的微生物群落作用下完成。在次级硝化菌中也存在一种进展硝化细菌反硝化类似的途径。据报导，以丙酮酸盐作为电子供体某些Nitrobacter可以在厌氧条件下由NO3-产生N2OFreitag et al.,1987。相对硝化细菌反硝化而言，目前国内外对这一途径的研讨并不多，还缺乏相关的信息，所以下文中将不另作引见。 硝化细菌反硝化的第一部分NH4+被氧化为NO2-可以看作一种硝化作用，反之NO2-的减少可被视为反硝化作用Poth and Focht,1985。对于反硝化

16、，NO2-将经由NO转化为N2OPoth and Focht,1985，然后进一步转化为N2Poth,1986。参与硝化细菌反硝化的有能够大都属于初级硝化菌Kuai and Verstraete,1998。进展硝化细菌反硝化的初级硝化菌的酶本质上与反硝化的酶是一样的。Hooper (1968)首先发现了一种亚硝基复原酶，并指出它对反响中NO2-的减少起到了作用。根据以上的定义，硝化细菌反硝化不同于非自养型硝化与好氧反硝化的结合。由于没有自养硝化细菌的参与以及不同的酶的参与作用，这些后续的过程并不被以为是硝化细菌反硝化。土壤中的硝化和反硝化包括那些反响在图4中作了阐明。为了使图4更为简约，非自养

17、型硝化和好氧反硝化没有作详细的阐明。由于硝化细菌反硝化是硝化的一个途径，硝化的方框与硝化细菌反硝化的方框出现了重叠，但从NO2-的转化开场分开。总的来说，只需硝化细菌进展硝化细菌反硝化，而硝化细菌和反硝化细菌那么参与了同时硝化反硝化。另外，NO3-不仅由硝化细菌反硝化产生，而且它能够还是同时硝化反硝化的中间产物。在硝化细菌反硝化方面一部比较经典的论著是由Ritchie和Nicholas(1972)完成的。他们对Nitrosomonas europaea 进展实验，并用15N对NH4、NO2或NH2OH进展现踪实验。他们发现，以NH2OH为电子供体，NO2-会在N. europaea的作用下转化

18、为N2O，这一景象在好氧及厌氧的条件下都同样发生。Poth和Focht (1985)发现N. europaea仅仅在一定的氧分压条件下才会经过硝化细菌反硝化产生N2O。被冲洗过的细胞悬浮液将15NO2转化为15N2O。N2O中15N与反硝化动力学是完全一致的，这阐明这一部分的硝化细菌反硝化与在反硝化中的实践上是完全一致的。硝酸盐不仅能被细胞悬浮物质所利用。这与硝化细菌反硝化的途径是吻合的，即NO2减少了但却没用来构成NO3见图3及4。Muller et al.(1995)指出硝化细菌反硝化作用是N2产生的根源之一。他还指出由于空气中背景气体N2的浓度太高，硝化细菌浓度太低以及选用的硝化细菌的种类不对，以致于以