高效異養(yǎng)硝化細菌的脫氮特性及其處理高氨氮廢水研究.pdf

1、由于含氮污水大量排入水體，導致水環(huán)境富營養(yǎng)化問題日益嚴重，去除水中氮素污染已經(jīng)成為當今水污染防治領域中的一個熱點問題。在城市污水處理廠，應用最廣泛的傳統(tǒng)生物脫氮技術采用兩階段的好氧硝化–缺氧反硝化工藝，然而，由于硝化速率低以及好氧池和缺氧池的分離，此工藝存在流程長、脫氮效率低、運行費用高、抗沖擊負荷能力差等問題。為克服上述缺點，近年來一些新型脫氮工藝的開發(fā)和脫氮菌株的發(fā)現(xiàn)，為生物脫氮提供了新的思路。尤其是異養(yǎng)硝化菌的發(fā)現(xiàn)，這類細菌生長速

2、率快、增殖底物廣泛、可以利用有機碳源進行生長和脫氮作用，從而使得硝化和反硝化過程在同一反應器內(nèi)高效進行成為可能。本文采用序批式反應器（SBR）培養(yǎng)出具有同步硝化反硝化（SND）效果的好氧活性污泥，從中篩選出三株具有高效脫氮能力的異養(yǎng)硝化菌株，并對其生理生化特性、異養(yǎng)硝化性能、好氧反硝化性能、脫氮機理以及實際應用潛能進行研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴利用SBR成功培養(yǎng)出具有高效脫氮除碳能力的好氧活性污泥，COD、NH4+–N、T

3、N去除率達96％、99%和70%以上。在培養(yǎng)過程中，活性污泥絮凝沉淀性能逐漸增強，絮體結構變得密實規(guī)則。胞外聚合物（EPS）分析發(fā)現(xiàn)，活性污泥中蛋白質(zhì)、DNA和TOC都較接種污泥有所減少，而多糖有所增加，三維熒光圖譜表明類腐殖酸熒光峰有明顯減弱。⑵DO和進水COD/N對SBR污泥系統(tǒng)脫氮效果和污泥絮凝性能有顯著影響。較低或者較高的DO都不利于污泥的脫氮和絮凝，過高的COD/N嚴重影響活性污泥脫氮效率和絮凝沉淀性能。控制曝氣量為160 L

4、/h和進水COD/N為12時，可以獲得較高的脫氮除碳效果和絮凝沉淀性能。根據(jù)DO和COD/N對污泥系統(tǒng)同步硝化反硝化影響，以及活性污泥細菌數(shù)量統(tǒng)計結果，推測活性污泥SND脫氮作用的主要機理是微環(huán)境理論和好氧反硝化理論。⑶從SBR中分離得到三株具有高效脫氮能力的異養(yǎng)硝化細菌，分別命名為YB、YH和YL。菌株YB、YH和YL均為革蘭氏陰性菌，呈桿狀，無鞭毛。經(jīng)生理生化和16S rRNA鑒定及同源性比對，確定菌株YB、YH和YL分別屬于瓊氏不

5、動桿菌、惡臭假單胞菌和銅綠假單胞菌，其GenBank數(shù)據(jù)庫登錄號分別為KJ623740、KJ765710和KJ765709。⑷異養(yǎng)硝化菌株YB、YH和YL的最佳生長和脫氮條件為：溫度為37℃、pH為7、轉(zhuǎn)速為200 r/min、碳源為琥珀酸鈉、C/N為10。異養(yǎng)硝化菌株能夠適應較寬范圍的氨氮負荷，在高氨氮負荷下仍然有較高的細胞生長和氮去除能力。在起始氨氮濃度為100 mg/L時，菌株YB、YH和YL的最大比生長速率分別為0.34 h-1

6、、0.49 h-1和0.26 h-1，TOC和氨氮隨著分離菌株的生長顯著降低，48 h內(nèi)TOC、NH4+–N和TN去除率均達到90%以上。氮平衡分析表明分離菌株菌體生長合成的內(nèi)源氮占去除TN的51-57%，剩余損失TN通過好氧反硝化作用去除。⑸異養(yǎng)硝化菌株YB、YH和YL均能夠以羥胺、亞硝酸鹽和硝酸鹽作為單一氮源進行生長和代謝脫氮，在降解羥胺、亞硝酸鹽和硝酸鹽過程中檢測到不同形態(tài)氮之間的相互轉(zhuǎn)化。分離菌株YB、YH和YL在氨氮亞硝態(tài)氮和

7、氨氮硝態(tài)氮混合培養(yǎng)基中均優(yōu)先利用氨氮進行異養(yǎng)硝化作用，然后再利用亞硝酸鹽和硝酸鹽進行反硝化作用，在異養(yǎng)硝化培養(yǎng)基中加入亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮非但沒有抑制異養(yǎng)硝化作用，反而加速了氨氮的異養(yǎng)硝化速率。⑹對五種關鍵的異養(yǎng)硝化和好氧反硝化酶功能基因進行PCR擴增檢測，結果顯示菌株YB、YH和YL基因組內(nèi)均能擴增到特異的amoA、hao和napA功能基因，nirS基因在菌株YB細胞中表達，而菌株YH和YL成功檢測到nirK基因。菌株YB、YH和YL的羥

8、胺氧化酶活性依次為0.0195、0.0431和0.0314 U/mg protein，亞硝酸鹽還原酶比活力分別為0.0386、0.0489和0.0439 U/mg protein，硝酸鹽還原酶比活力分別為0.0095、0.0186和0.0117 U/mg protein。根據(jù)分離菌株對不同氮源的代謝利用、功能基因的檢測以及酶活性分析，多方面研究表明瓊氏不動桿菌YB、惡臭假單胞菌YH和銅綠假單胞菌YL具有異養(yǎng)硝化-好氧反硝化能力，推測其脫

9、氮途徑為完全有序的異養(yǎng)硝化和好氧反硝化過程。⑺瓊氏不動桿菌YB在氨氧化、亞硝酸鹽和硝酸鹽三種培養(yǎng)基中均有良好的自絮凝能力，培養(yǎng)過程中可見絮凝度、重絮能力、相對疏水性、Zeta電位和平均粒度都呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。將菌株YB添加到活性污泥中，生物強化后污泥系統(tǒng)脫氮效率顯著提高，能夠維持較長時間的高效脫氮能力，說明菌株YB具有潛在的生物強化作用。此外，以純菌YB為種源培養(yǎng)的異養(yǎng)型同步脫氮污泥具有高效同步脫氮除碳效果，經(jīng)過60天穩(wěn)定運行后，TO