氨氧化菌混培物在微量NO2气氛下的氨代谢特性

中国环境科学2005,25(3)：ChinaEnvironmentalScience氨氧化菌混培物在微量NO2气氛下的氨代谢特性张代钧1,2*,卢培利1,李小鹏1,祖波1(1.重庆大学环境科学系,重庆400030；2.重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室,重庆400030)摘要：用普通活性污泥经120d富集,得到氨氧化菌混培物,氨氧化菌浓度提高300倍.在NO2/O2混合气氛下进行氨氧化试验,结果表明,无分子氧时,氨氧化菌能以NO2为电子受体氧化氨,并产生NO;加入氧气后,氨氧化速率明显提高,最高速率[33µmolNH4+-N/(gMLSS⋅h)]发生在混合气体中NO2和O2浓度分别为1.79µmol/L和9.38mmol/L时;在NO2浓度为0.89~1.79µmol/L范围内,O2能够强化基于NO2的氨氧化反应,但随着NO2浓度增大至6.71µmol/L,氨氧化速率却降低.部分NO被O2氧化,使得反应器出口气体中NO2浓度高于进口.试验过程中产生了最大约20%氮损失,这与氨氧化和厌氧氨氧化相互耦合产生气态含氮产物(N2、NO、N2O)有关.关键词：氨氧化菌混培物；微量NO2；氨氧化；厌氧氨氧化中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2005)03-TheammoniametaboliccharacteristicofmixedammoniaoxidizercultureintheatmosphereoftraceNO2.ZHANGDai-jun1,2*,LUPei-li1,LIXiao-peng1,ZUBo1(1.DepartmentofEnvironmentalScience,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China；2.KeyLaboratoryfortheResourceExploitationandtheEnvironmentalDisasterControlEngineeringinSouthwestChina,StateMinistryofEducation,Chongqing400030,China).ChinaEnvironmentalScience,2005,25(3)：Abstract：Themixedammoniaoxidizerculturewasobtainedusingcommonactivatedsludgeenrichedfor120daysandtheconcentrationoftheammoniaoxidizersincreased300times.TheammoniaoxidationtestwasmadeunderthemixedatmosphereofNO2/O2andtheresultsshowedthatammoniaoxidizercoulduseNO2aselectronacceptortooxidizeammoniaandproduceNOwhentherewasnomoleculeoxygen.AfteraddingO2,theammoniaoxidationrateincreasedobviously.Themaximumammoniaoxidationrate,33µmolNH4+-N/(gMLSS⋅h)occurredwhentheconcentrationofNO2andO2inthemixedgaswas1.79µmolNO2/Land9.38mmolO2/Lrespectively.O2couldstrengthentheammoniaoxidationreactionbasedonNO2,whentheconcentrationofNO2wasintherangeof0.89~1.79µmol/L;butwithincreaseofNO2concentrationto6.71µmol/Ltheammoniaoxidationratedecreased.PartofNOwasoxidizedbyO2,causingNO2concentrationingasofreactoroutlethigherthanthatoftheinlet.About20%maximumNlossproducedinthetestprocess;thiswasrelatedwiththeproductionofgaseousproductscontainingN(N2,NOandN2O)duetocouplingammoniaoxidationandanaerobicammoniaoxidation.Keywords：mixedammoniaoxidizerculture；traceNO2；ammoniaoxidation；anaerobicammoniaoxidation长期以来,氨氧化菌被认为能从氨氧化为亚硝酸盐的反应中获取能量,以CO2作为碳源生长.近年来,在废水生物脱氮研究中的新发现表明,在该领域存在“新的微生物”和新的氮生物循环过程,如Anammox(Anaerobicammoniumoxidation)过程[1],OLAND(Oxygen-limitedautotrophicnitrification-denitrification)过程[2],SHARON(Singlereactorhighactivityammoniaremovalovernitrite)过程[3]和短程硝化反硝化过程[4].在这些过程中,氨氧化为亚硝酸的反应往往是限制步骤;此外,氨氧化的功能微生物—氨氧化菌有着更多样的生物代谢途径[5].纯菌种Nitrosomonaseutropha能够在无分子氧条件下以NO2为电子受体进行厌氧氨氧化,在空气中补充微量NO2使得比氨氧化活性增加,将约50%的氨氧化生成的亚硝酸反硝化,生成N2、微量收稿日期：2004-09-30基金项目：国家自然科学基金资助项目(50378094)*责任作者,教授,[e-mail][6].NO和NO2对好氧氨氧化和厌氧氧氨氧化有强化作用[7,8].本试验进行活性污泥富集氨氧化菌混合物在微量NO2气氛下的代谢性能研究,分析NO2气体对氨氧化菌氨氧化能力的影响,以及与其代谢途径的关系,为开发新型活性污泥脱氮工艺提供科学依据.1材料与方法1.1材料接种污泥取自重庆某污水厂曝气池出水处.合成废水初始NH4+-N浓度为50mg/L,其它主要组分(mg/L)为KH2PO4,30;KCl,110;MgSO4,50;微量元素溶液,0.4mL/L.微量元素溶液的组成(mg/L)为ZnSO4·5H2O,80;FeSO4·7H2O,100;CuCl2·2H2O,20;MgCl2·6H2O,50;H3BO3,20.MPN法的培养基为每900mL去离子水含(NH4)2SO4,500mg;KH2PO4,200mg;CaCl2⋅2H2O,40mg;MgSO4⋅7H2O,40mg;柠檬酸铁,0.5mg;酚红(pH6.2~8.4),0.5mg.好氧氨氧化菌显色剂:0.1%N-1-奈乙二胺盐酸溶液5mL和格里斯试剂5mL的混合液.1.2装置与方法2113459678图1氨氧化菌富集试验装置Fig.1Set-upforammoniaoxidizerenrichment1.控制柜2.DO传感器3.曝气头4.搅拌器5.pH值传感器6.温度传感器7.加热棒8.碱液池9.蠕动泵试验分2个阶段进行,第1阶段是氨氧化菌富集过程,试验装置见图1,其中SBR反应器有效容积10L,运行周期为1d,瞬间进水,曝气21.5h,沉淀2h,排水0.5h.pH值为7.8~8.5,DO0.8~1.2mg/L,温度30±2℃.试验时首先将污泥淘洗,空曝6h以除去毒性物质、消耗异养菌,待稳定后逐步增加进水氨氮浓度至250mg/L,每次增加50mg/L.试验持续120d.第2阶段是微量NO2气氛下氨氧化菌混培物的代谢性能试验,试验装置见图2.玻璃反应器有效容积2.5L,有气体入口、出口和取样口.用含NH4+-N250mg/L人工无机配水进行试验,反应器充水比1:3,污泥取自第1阶段的富集污泥,体积200mL,试验所需NO2混合气体由气瓶供给,混合气体组成见表1.试验温度30±2℃,气体流量60mL/min,水力停留时间60~80h.142365图2微量NO2气氛下氨氧化试验装置Fig.2Set-upforammoniaoxidationundertraceNO2atmosphere1.NO2气瓶2.流量计3.反应器4.恒温水浴加热器5.进气孔6.排气孔表1混合气体组分Table1Themixedgasconstitution序号NO2(µmol/L)CO2(µmol/L)O2(mmol/L)平衡气1#0.2213.390N22#0.8913.390N23#1.7913.390N24#*0.2213.390.89N25#0.8913.390.89N26#1.7913.390.89N27#1.7913.399.38N28#6.7113.399.38N29#11.1613.399.38N2注:*由于气瓶故障,未能进行该条件下的试验1.3分析方法分析方法参照文献[9,10]进行.NO2--N采用N-(1奈基)-乙二胺比色法;NO3--N采用酚二磺酸光度法;NH4+-N采用离子色谱法;NO2/NO采用分光光度计法;氨氧化菌计数采用MPN法.中国科技论文在线期张代钧等：氨氧化菌混培物在微量NO2气氛下的氨代谢特性2结果2.1氨氧化菌的富集培养2.1.1启动期内氨氧化效果运行7d后,定期测定出水中NH4+-N、NO2--N和NO3--N浓度,结果见图3.启动期按进水NH4+-N浓度的递增分为5个周期,每周期开始阶段由于系统受进水负荷冲击,出水NH4+-N浓度增加,以后随着微生物对进水NH4+-N浓度的适应,NH4+-N去除率得到恢复.出水NO2--N浓度从初期的8.6mg/L逐步增加到179.1mg/L,生成率最低为39%,最高为86%;NO3--N浓度从启动初期的13.4mg/L逐步增加到47.6mg/L.从第2个周期开始,NO3--N的生成率开始低于NO2—N,出水NH4+-N浓度小于25mg/L,NO2--N生成率大于80%,表明系统中氨氧化菌富集效果和系统亚硝化效果明显.从第121d开始进入稳定运行阶段.图3活性污泥法SBR启动期的运行状况Fig.3ThevariationofNH4+-N,NO2--NandNO3--NintheSBRreactor—◇—进水氨氮—□—出水氨氮—△—出水亚硝酸盐氨—×—出水硝酸盐氮2.1.2氨氧化菌的MPN法计数为定量判定富集过程中好氧氨氧化菌数目的增长情况,每隔15d对SBR反应器中的污泥进行MPN法测试和MLSS测试[10].结果显示,启动期内反应器中氨氧化菌浓度由最初的1.4×106个/gMLSS提高到4.3×108个/gMLSS.2.2NO2/O2混合气体下氨氧化菌混培物的代谢性能2.2.1不同混合气体组成下的氨氧化速率由表2可见,在NO2(0.22µmol/L/0.89µmol/L/1.79µmol/L)+CO2(13.39µmol/L)+N2条件下,混合菌能够利用NO2作为电子受体进行厌氧氨氧化;引入微量O2后,氨氧化速率增大,与Schmidt在纯菌种条件下观察到的现象基本一致[8].表2不同混合气体组成下的氨氧化速率(µmolNH4+-N/gMLSS⋅h)和氮损失(%)Table2TherateofammoniaoxidationandNlossintheammoniumoxidationprocessesunderthedifferentmixedgassesO2含量(mmol/L)00.899.38NO2(µmol/L