反硝化细菌的研究进展

反硝化细菌的研究进展

微生物反硝化过程是一种有效的经济有效盐酸盐去除方法。反硝化细菌在此过程中起非常重要的作用,它能够使NO3-逐步转变为NO2-、NO、N2O和N2,从而达到脱氮的目的。传统的反硝化细菌属于异养微生物,在厌氧条件下进行反硝化作用,后来又发现了好氧的反硝化细菌,最近有报道称反硝化细菌也有自养的。本文就反硝化细菌的研究情况作一概述。1异聚氧和反硝化细菌及其处理中的应用1.1设硝酸盐筛选工艺异养厌氧的反硝化细菌在转换硝酸盐为氮气时不需要氧气,并且需要有机碳作为碳源和电子供体。A/O工艺是缺氧-好氧(Anoxic/Oxic)生物处理系统的简称,它是随着废水脱氮要求的提高而出现的。A/O工艺所完成的生物脱氮在机制上主要由硝化和反硝化2个生化过程构成,污水先在好氧反应器中进行硝化,使含氮有机物被细菌分解成氨,然后在亚硝化细菌的作用下氨进一步转化为亚硝酸盐氮,再经硝化细菌作用而转化为硝酸盐氮。硝酸盐氮进入缺氧或厌氧反应器后,经过反硝化作用,利用或部分利用污水中原有的有机碳源为电子供体,以硝酸盐代替分子氧作为电子受体,进行无氧呼吸,分解有机质,同时将硝酸盐氮还原为氮气(图1)。通过这样的循环可取得高的COD和BOD去除率。单级A/O工艺是由一个缺氧反应器和另一个好氧反应器组成的联合系统,从好氧反应器出来的部分混合液靠回流泵回到缺氧反应器进水端,另一部分进入二沉淀池分离活性污泥后上清液作为出水。好氧段混合液回流的目的在于向缺氧段提供反硝化作用所需的氧化态氮,因此回流比的大小对反硝化效果具有较大影响。混合液回流比大时,返回到缺氧段的氧化态氮含量增加,若缺氧段有足够的碳源,则脱氮效率可得以提高。但相应增加动力消耗,而且还会造成缺氧段DO值升高,进而影响反硝化效果。由表1可见,要取得满意的脱氮率,必需保证足够大的混合液回流比,这势必增加系统的运行费用,因此是A/O工艺的一个缺点。表1表明,A/O工艺很难取得85%以上的脱氮率。1.2反硝化-生物脱氮法O/A工艺即好氧-缺氧(Oxic/Anoxic)工艺,是废水生物脱氮工艺的另一种形式,它与单级A/O工艺的不同之处在于直接将含有各种形态氮的废水通过好氧过程使其充分硝化,转变为硝酸盐氮后再进入缺氧反应器,经过反硝化过程达到脱氮的目的,整个工艺不需要回流(图2)。由于首先进行的好氧过程会使大部分BOD物质去除,为反硝化过程添加碳源成为必须,因此该工艺适合于处理碳源不足而以生物脱氮为主要目的的废水。O/A工艺与A/O工艺相比简单了许多。但是,由于先进行的好氧过程使得大部分的BOD物质去除,反硝化反应所需的碳源不足,要想使反硝化反应继续进行,就必需向反硝化反应器中投加有机碳作为碳源和电子供体,这样又增加了运行成本。所以这种工艺在处理污水时仍存在需要改进的地方。厌氧反硝化细菌只有在厌氧条件下进行反硝化作用,而硝化作用是在好氧条件下进行,因此硝化和反硝化作用必须分别在2个不同的反应器里进行,好氧反硝化细菌的发现可以改变微生物脱氮的工艺。2异质醇酸乙醇及其处理中的应用2.1好氧反硝化菌1980年Meiberg等报道HyphomicrobiumX能够在有氧的情况下进行反硝化作用。好氧的反硝化模型在一定情况下得到了讨论,各种各样的培养基,如细菌富集培养基能够产生厌氧的、允许反硝化进行的条件。然而,近来越来越多的实验表明,在同种细菌悬浮培养基中,溶解氧的浓度达到10%到20%的饱和,这说明好氧反硝化作用的确在发生。现已从污水中分离出一种好氧反硝化菌Thisphaerapantotropha,并且发现它有一个基本的硝酸盐还原酶。Bell和Ferguson已经证实在有氧的情况下这种酶具有活性。Rorberson等也报道了在周围环境有溶解氧的情况下,即使没有中间产物亚硝酸盐Thisphaerapantotropha也能够把氨转换为氮气。Kshirsagar等用Thisphaerapantotropha和活性污泥的混合物在完全有氧的条件下处理污水,证实了这种反硝化是的确存在的。台湾科学家Shwu-Ling、Nyuk-Chong和Chei-HsiangChen从水稻稻谷的沉淀中发现了3种反硝化细菌,既能够在有氧的条件下也能够在无氧的条件下转换硝酸盐生成氮气。2.2好氧生物脱氮过程将好氧反硝化细菌同硝化菌群混合培养,可在同一反应系统中实现硝化-反硝化过程,这样,硝化反应的产物可直接成为反硝化反应的底物,避免了培养过程NO3-的积累对硝化反应的抑制,加速了硝化反应的过程;而且,反硝化反应释放出的OH-可部分补偿硝化反应所消耗的碱,能使系统中的pH相对稳定;同时,硝化反应和反硝化反应可在相同的条件和系统下进行,可简化操作的难度,大大降低投资费用和运行成本。因此,国外已对好氧条件下的生物脱氮过程开展了较深入的研究。目前已知的好氧反硝化菌有Pseudomonasspp.、Alicaligenesfaecalis和Thiosphaerapantotropha等,Robertson等人还提出了好氧反硝化的工作模型,即Thiosphaerapantotropha和其他好氧反硝化菌使用硝酸盐/亚硝酸盐呼吸(好氧反硝化)和氨氧化,以及在最后一步作为过量还原能量的累积过程形成Poly-β-hydroxybuty-rate(PHB)。Gupta等研究了RBC(rotatingbiologicalcontactor)反应器中的同时硝化-反硝化现象,证实了Thiosphaerapantotropha细菌具有好氧反硝化的功能,并指出同时硝化-反硝化是最经济的脱氮方法;而国内在这方面的研究报道则较少。3利用自养反硝化菌的碱异养反硝化细菌在硝酸盐转换过程中是十分有效的,但是它需要有机碳作为碳源。然而当污水中的有机碳不足或者是没有有机碳的时候,要完成反硝化作用就必须要向污水中投放有机化合物,如甲醇或者简单的有机物等。由于这个原因,自养反硝化作用越来越受到人们的重视。自养反硝化细菌所需要的能量是从无机物作为电子供体的氧化-还原反应中释放出来的。自养反硝化细菌利用无机碳化合物(如CO2,HCO3-)作为它们的碳源,因此,不需要异养反硝化过程中必需的有机碳。它有两个优势:①不需要投放有机物作为碳源,节省开支;②产生极少量的污泥,因此将污泥的处理量降低到最小。自养反硝化细菌主要有利用氢的反硝化细菌和利用硫的反硝化细菌。由于很难收集氢气,并且生成氢气(如从甲醇中)又比较昂贵,所以近来主要的研究方向是利用硫的反硝化过程。利用硫的反硝化细菌有Thiobacillusdenitrificans和Thiomicrospiradenitrificans。脱氮硫杆菌(Thiobacillusdenitrificans)是一种自养反硝化菌,短杆菌,大小为0.5μm×1～3μm,革兰氏阴性,无孢子,能运动。它在将硫或硫的化合物氧化为硫酸盐的同时,将硝酸盐还原为氮气,该过程的反应式如下:55S+50NO3-+38H2O+20CO2+4NH4+→4C5H7O2N+25N2+55SO42-+64H+①反硝化过程产生的H+会降低环境的pH值,而脱氮硫杆菌生存的最优pH环境为中性,因此要想中和反应,就必须向反应中投加碱。CaCO3+H+=HCO3-+Ca2+HCO3-+H+=H2CO3H2CO3=H2O+CO2②根据反应①和②,每克NO3-N转换所需要的碱(如CaCO3)是4.57g(消耗碱的比例)。据报道,从试验中获得的碱的消耗比例是2.9～4.6,因此这样高的碱消耗率就会增加运行的成本。两个方法可以解决这个问题:一个是利用石灰石作为碱的来源,建立硫-石灰石自养反硝化系统(sulfurandlimestoneautotrophicdenitrificationsystems,SLAD)。虽然在自养的反硝化过程中利用石灰石看起来是一种经济有效的方法,但是它仍有不尽人意的地方,如增大了排出物中总溶解固体(totaldissolvedsolids,TDS)的量。同时,虽然这种方法对于NO3-N的含量低于100mg/L的污水处理是十分成功的,但是当处理高硝酸盐含量的污水(当污水中NO3-N的含量高于100mg/L)时,由于CaCO3在水中的溶解度很低,很难用石灰石提供碱,就会发现反硝化效率降低,并且有硝酸盐的积累。另一种减少碱的消耗的方法是利用异养反硝化作用产生的碱,也就是说将自养反硝化菌与异养反硝化菌混合培养,这样自养反硝化所需要的碱就可以从异养反硝化产生的碱中获得。根据USEPA报道,在异养反硝化中,每克NO3-N转换所产生的碱(以CaCO3计)是3.57g,见反应③:NO3-+1.08CH3OH+0.24H2CO3=0.056C5H7O2N+0.47N2+1.68H2O+HCO3-③Kim和Bae报道,当利用甲醇的异养反硝化转换了56%的硝酸盐的时候就不再需要额外投加碱了。因此,如果能够恰当地控制异养反硝化消耗的硝酸盐的量,就可以不必再向利用硫的自养反硝化系统中投加碱了。但是想得到这个最合适的量并不是一件容易的事,还需要进行大量的实验。总之,反硝化细菌能够把污水中的硝酸盐转换为氮气释放出来,这在污水处理系统中是十分重要的。异养反硝化细菌有厌氧和好氧的两种类型,它们都需要有机碳作为碳源和电子供体,一旦污水中的有机碳含量极低或者不含有有机