螯台球菌TAD1在高温曝气生物滤池中的异养硝化反硝化性能

书书书第３１卷　第５期２０１２年　　５月环　境　化　学ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＣＨＥＭＩＳＴＲＹＶｏｌ．３１，Ｎｏ．５Ｍａｙ　　２０１２　２０１１年９月２１日收稿．　广东省教育部产学研结合项目（２０１１Ｂ０９０４００２８４）专项资金资助；广州市番禺区科技和信息化局项目（２０１１专０２４２３）；广东省科技厅项目（２０１１Ｂ０１０１０００２９）；广东省经济和信息化委员会粤港关键领域重点突破招标项目（２０１００１０６３）资助．　通讯联系人，ＴＥＬ：０２０３９３８０５８７；Ｅｍａｉｌ：[e-mail]螯台球菌ＴＡＤ１在高温曝气生物滤池中的异养硝化反硝化性能杨云龙１　黄少斌１，２　许辅乾１，３　黄慧星１　张永清１（１．华南理工大学环境科学与工程学院，广州，５１０００６；　２．污染控制与生态修复广东省普通高等学校重点实验室，广州，５１０００６；３．工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室，广州，５１０００６）摘　要　初步实验证实螯台球菌（Ｃｈｅｌａｔｏｃｏｃｃｕｓｄａｅｇｕｅｎｓｉｓ）ＴＡＤ１在高温下具有异养硝化反硝化的能力，为验证其可应用性，采用曝气生物滤池工艺，研究了ＴＡＤ１在温度为５０℃的异养硝化反硝化性能．结果表明，ＴＡＤ１在曝气生物滤池中可同时进行好氧反硝化和异养硝化．当分别以硝氮、氨氮及硝氮和氨氮为氮源时，１２ｈ的氮去除率均达到１００％，氮的去除能力分别为１２．６７ｍｇ·Ｌ－１·ｈ－１、３．６２ｍｇ·Ｌ－１·ｈ－１及１６．５３ｍｇ·Ｌ－１·ｈ－１．虽然在脱氮过程中，亚硝盐在６ｈ迅速积累到７６ｍｇ·Ｌ－１（硝氮为氮源）和５２．６ｍｇ·Ｌ－１（硝氮和氨氮为氮源），但在随后的几个小时内又快速降低至０（检测限之外）．因而，ＴＡＤ１具有应用于高温生物脱氮工艺的能力和优势．关键词　螯台球菌ＴＡＤ１，高温，生物滤池，好氧脱氮．经济的快速发展导致工业废水大量排放，发展低廉高效的废水处理技术已是迫在眉捷，其中脱氮就是处理废水的重要课题之一，而生物脱氮由于其经济有效成为众多学者的研究热点．近年来人们在研究生物转盘［１］、曝气生物滤池［２］、生物膜［３］等工艺时都不同程度地发现在好氧条件下有总氮的损失现象，这些充分证实了好氧反硝化的存在．由于好氧反硝化具有其特殊优势，使好氧脱氮技术受到极大关注．（１）好氧反硝化可以使硝化／反硝化即同时硝化反硝化在一个反应器内进行，从而大大减少占地面积和建设资金；（２）好氧反硝化与传统的反硝化不同，不需要严格的厌氧环境，因而在整个脱氮过程中更容易控制．然而，目前许多工业废水的温度都超过了４５℃，传统的生化处理所使用的常温菌已不能适用于高温废水的处理，同时由于冷却水的使用及冷却装置腐蚀等原因，常规的生物处理困难大大增加．而高温菌可以直接处理高温废水，从而节省设备及运行费用．更为重要的是，高温菌的代谢速度快，大约是常温过程的３—１０倍［４］，因而能够缩短废水处理时间，提高废水处理效率．温度是影响硝化反硝化的重要因子之一，一般认为，硝化的最适温度为３０℃，超过３８℃硝化作用将完全停止［５］．对于好氧反硝化而言，通常认为其发生的最佳温度在２０℃—４０℃之间［６７］，高温下的好氧反硝化研究并不多见．本文对螯台球菌（Ｃｈｅｌａｔｏｃｏｃｃｕｓｄａｅｇｕｅｎｓｉｓ）ＴＡＤ１在高温曝气生物滤池中的异养硝化反硝化性能的研究结果，对高温生物脱氮工艺具有一定的指导意义．１　材料与方法１．１　菌种螯台球菌（Ｃｈｅｌａｔｏｃｏｃｃｕｓｄａｅｇｕｅｎｓｉｓ）ＴＡＤ１分离于广州瑞明电厂生物滴滤塔内，初步实验证明在高温下具有很好的好氧反硝化能力，－２０℃保存于４０％甘油中．１．２　培养基种子培养基（ｇ·Ｌ－１）：丁二酸钠１．５，ＫＮＯ３１．５，蛋白胨８．６，ＮａＣｌ６．４，ｐＨ７．５．使用前于１１５℃高　５期杨云龙等：螯台球菌ＴＡＤ１在高温曝气生物滤池中的异养硝化反硝化性能６１１　　压灭菌２０ｍｉｎ．培养条件为１５０ｍＬ三角瓶装有５０ｍＬ的培养基于５０℃、２００ｒ·ｍｉｎ－１培养１２ｈ．好氧反硝化培养基（Ｍｅｄｉｕｍｆｏｒａｅｒｏｂｉｃｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＭＡＤ）（ｇ·Ｌ－１）：ＫＮＯ３１，乙酸钠２，ＭｇＳＯ４００５，ＫＨ２ＰＯ４０．５，Ｎａ２ＨＰＯ４０．５，ＦｅＳＯ４·７Ｈ２Ｏ０．０３，ＥＤＴＡ０．０３．异养硝化培养基（Ｍｅｄｉｕｍｆｏｒｈｅｔｅｒｏｔｒｏｐｈｉｃｎｉｔｒｉｆｉｃａｉｏｎ，ＭＨＮ）（ｇ·Ｌ－１）：ＮＨ４Ｃｌ０．１５，乙酸钠２，ＭｇＳＯ４０．０５，ＫＨ２ＰＯ４０．５，Ｎａ２ＨＰＯ４０．５，ＦｅＳＯ４·７Ｈ２Ｏ０．０３，ＥＤＴＡ０．０３．异养硝化反硝化培养基（Ｍｅｄｉｕｍｆｏｒｈｅｔｅｒｏｔｒｏｐｈｉｃｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＭＨＮＤ）（ｇ·Ｌ－１）：ＫＮＯ３１，ＮＨ４Ｃｌ０．１５，乙酸钠２，ＭｇＳＯ４０．０５，ＫＨ２ＰＯ４０．５，Ｎａ２ＨＰＯ４０．５，ＦｅＳＯ４·７Ｈ２Ｏ０．０３，ＥＤＴＡ０．０３．１．３　实验装置实验装置如图１所示．由有效容积为１．５Ｌ的有机玻璃容器和温度控制装置组成，容器内放有微生物的附着载体———聚丙烯多面空心球，容器底部设有曝气头．图１　高温曝气生物滤池示意图Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｅｒａｔｉｎｇｂｉｏｆｉｌｔｅｒ１．４　分析方法氨氮测定采用纳氏试剂分光光度法，亚硝酸盐氮采用Ｎ（１萘基）乙二胺分光光度法，硝酸盐氮采用紫外分光光度法，ｐＨ测定采用ｐＨ计．２　结果与讨论２．１　挂膜与启动反应器加入配好的营养液，培养好的种子液以１０％的接种量接入反应器内，在５０℃条件下曝气、挂膜．为使ＴＡＤ１始终成为优势菌种，每２ｄ更换一次新鲜的营养液，同时接入１０％的种子液．在挂膜前期，可能由于ＴＡＤ１占有绝对优势，直至１４ｄ才在填料上出现一层肉眼可见的黄色薄膜．图２　挂膜期间的硝酸盐去除率Ｆｉｇ．２　Ｔｅｍｐｏｒａｌｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｎｉｔｒａｔｅｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｓｔａｒｔｕｐｐｅｒｉｏｄ６１２　　环　　境　　化　　学３１卷图２显示了从１４ｄ开始直到膜成熟的硝态氮去除率的变化．可以看出，随着挂膜时间的延长，硝酸盐去除率从最初的４５％逐渐上升至２８ｄ的１００％，此后两天去除率均达到１００％，说明挂膜完成．２．２　好氧反硝化性能ＴＡＤ１在曝气生物滤池中的反硝化性能见图３．由图３可以看出，ＴＡＤ１具有快速的好氧反硝化能力，尤其是在前几小时内，硝氮从初始的１５２ｍｇ·Ｌ－１降到６ｈ的５５．６ｍｇ·Ｌ－１，１２ｈ降至０（检测限之外），即前６ｈ的反硝化能力明显高于后６ｈ，这可能由于随着反硝化的进行，各种细胞代谢产物逐渐积累，其中的某些物质部分抑制了硝酸还原酶的活性，从而导致反硝化能力降低．而就亚硝氮而言，可以看到一个“类三角趋势”，尽管硝氮在快速还原的同时，亚硝氮在６ｈ迅速积累到７６ｍｇ·Ｌ－１，但在接下来的几个小时又快速减少至０（检测限之外）．此外，在整个反硝化过程中，没有调控ｐＨ，因而ｐＨ值从最初的７．０逐渐升高至１２ｈ的９．２．２．３　异养硝化性能传统的生物脱氮理论认为，硝化和反硝化是两个独立的阶段，分别由硝化菌和反硝化菌完成．然而，随着近年来越来越多的好氧反硝化菌被发现，大量的研究表明［８，９］，大部分好氧反硝化菌同时也是硝化菌，但主要集中在常温下，而高温下的异养硝化研究报道相对较少．占国强等［１０］研究发现，利用筛选的耐高温亚硝化单胞菌结合适量的市政污水厂活性污泥，通过逐步提高温度进行曝气、驯化、挂膜，获得能够在３８℃—４７℃条件具有高氨氧化活性的硝化生物膜，在进水氨浓度１２０—１８０ｍｇ·Ｌ－１，氨氧化率达到９０％—９９．９％，结合大量的ＮＨ＋４Ｎ被氧化且氨氧化产物中又只有少量的ＮＯ－２Ｎ和ＮＯ－３Ｎ，以及碱度消耗明显下降的特征，推测在高温条件下发生了自养硝化反硝化脱氮现象．图４显示了异养硝化过程中的氮浓度变化趋势．虽然在整个过程中，没有检测到硝酸盐和亚硝酸盐的积累，但ｐＨ值从最初的７．０上升至１２ｈ的８．１．考虑到硝化是一个产酸过程，因此推测ＴＡＤ１在高温曝气生物滤池中具有异养硝化的能力，先把铵根氧化成亚硝酸根，接着发生好氧反硝化产碱来弥补硝化产酸，进而总体可能表现为ｐＨ的上升．图３　ＭＡＤ中的氮去除变化过程Ｆｉｇ．３　ＴｉｍｅｃｏｕｒｓｅｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｉｎＭＡＤ图４　ＭＨＮ中的氮去除变化过程Ｆｉｇ．４　ＴｉｍｅｃｏｕｒｓｅｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｉｎＭＨＮ２．４　异养硝化反硝化性能前述实验结果初步证实ＴＡＤ１在曝气生物滤池中可以同时硝化反硝化，在下面实验中考察了ＮＨ＋４Ｎ和ＮＯ－３Ｎ同时存在对ＴＡＤ１异养硝化反硝化性能的影响．从图５可以明显地看出，尽管ＮＨ＋４Ｎ的变化趋势与图４相似，但ＴＡＤ１的确发生了异养硝化反硝化，因为ｐＨ值由开始的７．０上升至结束时的９．５，其产碱度高于图３（不含ＮＨ＋４Ｎ）中的产碱度，说明ＮＨ＋４Ｎ首先被氧化成ＮＯ－２Ｎ，表现为总ＮＯ－２Ｎ增加，从而产生了更多的碱度．图５也显示出，ＭＨＮＤ的总体脱氮性能优于ＭＡＤ和ＭＨＤ：（１）ＮＯ－３Ｎ由初始的１５８．２ｍｇ·Ｌ－１降至９ｈ的０．８ｍｇ·Ｌ－１；（２）虽然同样出现了“类三角趋势”，但ＭＨＮＤ中积累的最高ＮＯ－２Ｎ浓度为５２．６ｍｇ·Ｌ－１，与ＭＡＤ相比显著降低．关于此现象的原因，将在２．５中详细讨论．　５期杨云龙等：螯台球菌ＴＡＤ１在高温曝气生物滤池中的异养硝化反硝化性能６１３　　图５　ＭＨＮＤ中的氮去除变化过程Ｆｉｇ．５　ＴｉｍｅｃｏｕｒｓｅｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｉｎＭＨＮＤ２．５　不同培养基中总脱氮性能的比较ＴＡＤ１在ＭＡＤ、ＭＨＤ和ＭＨＮＤ中的异养硝化反硝化性能如图６所示．３种情况下的氮去除率均达到了１００％，而ＭＡＤ、ＭＨＤ和ＭＨＮＤ的氮去除能力分别为１２．６７ｍｇ·Ｌ－１·ｈ－１、３．６２ｍｇ·Ｌ－１·ｈ－１和１６．５３ｍｇ·Ｌ－１·ｈ－１，ＭＨＮＤ的氮去除能力提高可能是由于（１）ＮＨ＋４Ｎ的加入使系统中的总氮负荷增加，同时，ＮＨ＋４Ｎ更容易被细胞利用，因而刺激了细胞的生长，导致生物膜中的活性生物质增多，表现为总脱氮能力上升；（２）ＮＨ＋４Ｎ被氧化成ＮＯ－２Ｎ使得系统中总ＮＯ－３Ｎ有所提高，从而进一步诱导了硝酸还原酶、亚硝酸还原酶等脱氮基因的表达［１１］．图６　不同培养基中的氮去除性能Ｆｉｇ．６　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｖｍｏｖａｌｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｕｌｔｕｒｅｍｅｄｉａ如前所述，亚硝酸盐在ＭＡＤ和ＭＨＤＮ中均出了“类三角趋势”，在两者中的最高积累浓度分别为７６ｍｇ·Ｌ－１和５２．６ｍｇ·Ｌ－１，表明硝酸盐在快速还原的同时，亚硝盐也快速积累，这主要是因为：一方面，ＴＡＤ１中的硝酸还原酶活性远远高于亚硝酸还原酶的活性；另一方面，亚硝酸需要积累到一定浓度才能诱导ＴＡＤ１亚硝酸还原酶基因的表达．这与前期实验结果基本一致，即在硝酸盐和亚硝酸盐同时存在时，ＴＡＤ１会优先利用硝酸盐［１２］．３　结论（１）ＴＡＤ１在高温曝气生物滤池中有明显的异养硝化反硝化性能，１２ｈ后在ＭＡＤ、ＭＨＤ和ＭＨＮＤ培养基中的氮去除率均达到１００％，氮去除能力分别为１２．６７ｍｇ·Ｌ－１·ｈ－１、３．６２ｍｇ·Ｌ－１·ｈ－１６１４　　环　　境　　化　　学３１卷及１６．５３ｍｇ·Ｌ－１·ｈ－１．（２）虽然在ＭＡＤ和ＭＨＮＤ培养基中亚硝氮快速积累到７６ｍｇ·Ｌ－１和５２．６ｍｇ·Ｌ－１，但在随后的几小时内又快速降到０（检测限之外）．（３）据实验结果可以推测氨氮的转化途径为：ＮＨ＋４→ＮＯ－２→ＮＯ→Ｎ２Ｏ→Ｎ２，但其内在的异养硝化好氧反硝化途径还需进一步研究．参　考　文　献［１］　ＷａｔａｎａｂｅＹ，ＭａｓｕｄａＳ，ＩｓｈｉｇｕｒｏＭ．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｎｍｉｃｒｏａｅｒｏｂｉｃｂ