单级好氧和限氧污水处理系统中总氮损失的微生物学机理张悦

应用与环境生物学报2009，15(3):399~404ChinJApplEnvironBiol=ISSN1006-687X2009-06-25DOI:10.3724/SP.J.1145.2009.00399传统生物脱氮理论认为生物脱氮包括硝化和反硝化两个阶段，相应的功能微生物分别是硝化细菌和反硝化细菌.硝化细菌通常是自养型好氧微生物，主要由亚硝化菌和硝化菌两类构成，分别从NH3-N和NO2-N的氧化过程中获得能量，需要O2作为呼吸的昀终电子受体；反硝化细菌大都是异养型兼性厌氧菌，在厌氧条件下从有机物的氧化过程中获取能量，将NO3-N(或NO2-N)作为无氧呼吸时的电子受体.由于硝化细菌和反硝化细菌各自适宜的生长条件不同，现行的生物脱氮工艺几乎都是将硝化和反硝化过程独立运行[1]，如昀具代表性的Bardenpho、A/O、A2O、UCT、双沟式氧化沟工艺(从空间上分开)和SBR工艺(从时间上分开).但是，近十余年来，在很多单级好氧或限氧的污水处理系统中都发现了总氮损失现象[2~5]，总氮损失率高达30%~51%，这一现象有悖于传统脱氮理论，其微生物学机理已成为研究热点.所谓“单级污水处理系统中的总氮损失”，就是通过脱氮微生物的协同作用，在同一空间、同一时间内完成氨氮(NH3-N)等化合态氮向氮气或气态氮氧化物转化的过程，由此，不仅氨氮得到去除，而且水处理系统中总氮浓度明显降低.目前，从物理学角度以“微环境理论”解释这种现象已被普遍接受.该理论认为，在单级系统中由于活性污泥絮体或者生物膜中的氧的浓度梯度使得硝化和反硝化同时进行.近年来，关于脱氮微生物种类和代谢途径多样性的研究有了很大进展，发现了几种新的脱氮途径和功能微生物，这不仅为单级系统中总氮损失现象提供了更加合理的解释，而且也为进一步探索新的生物脱氮技术奠定了理论基础.本文在传统脱氮理论的基础上，结合当前国内外研究现状，对引起单级污水处理系统中总氮损失的功能微生物及其微生物学机制进行阐述.1自养(亚)硝化菌脱氮传统脱氮理论认为，亚硝化菌在氨单加氧酶(AMO)的催单级好氧和限氧污水处理系统中总氮损失的微生物学机理*张悦1曾薇1**刘春兰2李磊1杨莹莹1彭永臻1(1北京工业大学环境与能源工程学院北京100124;2杭州市财政性投资项目评审中心杭州310009)MicrobiologicalMechanismofNitrogenLossinAerobicorOxygen-limitedWastewaterTreatmentSystem*ZHANGYue1,ZENGWei1**,LIUChunlan2,LILei1,YANGYingying1&PENGYongzhen1(1CollegeofEnvironmentalandEnergyEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)(2EvaluationCenterofHangzhouGovernmentInvestingProject,Hangzhou310009,China)AbstractInrecentyears,thephenomenonoftotalnitrogenlosswhichisfoundinsingleaerobicoroxygen-limitedwastewatertreatmentsystemshasattractedresearchers’concern.Microbiologicaltheoryandrelatedstudiesofnitrogenlosswerereviewedinthispaper.Itinvolvesthedifferentgroupsofbacteriaaloneorincooperation,includingnitrogenremovalbyautotrophicnitrifyingbacteriaandaerobicdenitrifyingbacteria,theinter-synthesisbetweennitrifyingbacteriaandaerobicdenitrifyingbacteria;andthecooperationofnitrifyingbacteriaandanaerobicammoniaoxidation(Anammox)bacteria.Thenewbiologicalnitrogenremovalmechanisms,whichhaveincomparableadvantagestothetraditionalnitrification-denitrificationnitrogenremovaltechnique,haveimportantsignificancetoenhancenitrogenremovalinwastewatertreatment.Fig8,Ref53Keywordsnitrogenloss;aerobicdenitrification;anaerobicammoniaoxidation(Anammox);oxygen-limitedCLCX703摘要近年来，单级好氧和限氧污水处理系统中总氮损失的现象引起了人们的普遍关注，本文对这种现象的微生物学机理及研究现状进行了阐述，主要是几类细菌的单独脱氮或者它们之间的协同脱氮，包括自养(亚)硝化菌单独脱氮、好氧反硝化菌单独脱氮、(亚)硝化菌和好氧反硝化菌的协同脱氮以及(亚)硝化菌和厌氧氨氧化菌的协同脱氮.与传统的硝化-反硝化脱氮工艺相比，这些脱氮新途径具有不可比拟的优越性，对于强化污水生物脱氮具有重要意义.图8参53关键词总氮损失；好氧反硝化；厌氧氨氧化；限氧CLCX703收稿日期:2008-03-14接受日期:2008-06-19*国家自然科学基金项目(Nos.50608001,50878005)、北京市自然科学基金项目(No.8072005)、北京市教委科技发展计划面上项目(No.KM200710005014)和北京工业大学研究生科技基金(No.ykj-2007-1649)资助SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(Nos.50608001,50878005),theNaturalScienceFoundationofBeijing,China(No.8072005),theEducationCommitteeofBeijing,China(No.KM200710005014)andtheGraduateStudentFoundationofBeijingUniversityofTechnology,China(No.ykj-2007-1649)**通讯作者Correspondingauthor(E-mail:[e-mail])40015卷应用与环境生物学报ChinJApplEnvironBiol化作用下将NH3-N转化为NH2OH，然后在羟氨氧化酶(HAO)的催化作用下将NH2OH氧化为NO2-N(式①、②)；硝化菌在亚硝酸氧化酶(NOR)的催化作用下将NO2-N氧化为NO3-N(式③).上述传统脱氮理论在自然界氮物质循环中发挥着重要的作用.传统理论认为，无论是亚硝化菌还是硝化菌都不能单独将NH3-N转化为N2或气态氮氧化物.但随着研究的不断深入，发现了某些(亚)硝化菌具有不同于传统脱氮理论的其他脱氮途径，从而为污水生物脱氮的强化开辟了新途径.1.1自养(亚)硝化菌的反硝化脱氮研究表明，某些亚硝化菌和硝化菌具有部分或者全部的反硝化功能.在相关研究中对亚硝化菌具有反硝化功能的报道相对多一些，但不排除某些硝化菌也具有反硝化功能.早在1972年就有研究报道，在微藻类条件下某些自养硝化菌可以在好氧或厌氧条件下还原亚硝酸盐产生N2O[6].Bock等分别在1988和1995年先后证实了硝化细菌中的亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)和硝化杆菌属(Nitrobacter)在厌氧条件下具有反硝化能力[7,8].近年有研究表明Nitrosomonas菌属中的N.europaea[9]和N.eutropha[10]具有反硝化能力，能够在低氧量的状态下氧化NH3-N产生N2O、NO或N2.Wrage等的研究同样表明，NH4-N被氧化为NO2-N后可以被自养亚硝化菌的还原酶系还原生成N2O和N2，整个过程由自养菌完成[11].Wrage[11]、Shrestha[12]等先后对亚硝化菌的硝化–反硝化脱氮的代谢途径进行研究，认为亚硝化菌的硝化–反硝化过程是在一系列氧化酶系(硝化过程)和还原酶系(反硝化过程)的催化作用下分别进行的，这和传统硝化–反硝化理论相似，不同的是整个过程由亚硝化菌单独完成.其总结的代谢途径如图1所示.与上述理论不同，有研究者将自养(亚)硝化菌的单独脱氮归结为硝化–反硝化的耦合作用(图2)[10,14]，即认为硝化过程和反硝化过程相互依赖于微生物体内的NADH呼吸链.Naqvi采用氮的同位素示踪法研究阿拉伯海域内N2O的产生机理，观察到当硝化反应和反硝化反应分别发生时没有产生被标记的N2O，因此得出同样结论，即N2O很有可能是由某些硝化菌的硝化–反硝化耦合作用产生的[13].相对于传统反硝化来说，自养(亚)硝化菌的反硝化效率非常低.Ralf等的试验证明，在高氨溶液[氨氮浓度700mg(N)L-1]中单独培养的Nitrosomonas将NH3-N转化为NO2-N后，仅能将0.28%的NO2-N还原[15]；Tallec的研究表明，当DO浓度为0.4~1.1mg(O2)/L时，由某些硝化菌反硝化产生的N2O占总N2O产量的60%，N2O总量占NO3-N损失的0.4%[16]；Wrage认为由硝化菌反硝化产生的N2O仅占总N2O产量的30%[11].另有研究者对亚硝化系统的研究结果表明，自养亚硝酸菌能将总氮的0.2%转化为NO，1.7%转化为N2O[17].1.2基于NOx循环模型的氨氧化过程脱氮Schmidt等对硝化过程中释放NO等氮氧化物的现象进行了大量研究，揭示此现象是基于亚硝化菌中Nitrosomonas类细菌的作用，提出缺氧条件下的NOx循环模型(图3)[18].NO和NO2之间不断循环转化，在缺氧条件下活性更强的NO2代替O2作为电子受体，从而实现AMO对NH3-N的氧化过程.现在已经确认的是N.eutropha、N.europaea和Nitrosolobusmultiformis都能进行上述反应途径.Schmidt等将其反应方程式归纳为：NH3+N2O4+H++2e-→NH2OH+2NO+H2O对于反应式中N2O4(NO2)的来源，有研究者认为，在限氧条件下，硝化单胞菌可在菌体内先形成NO，NO被溶解氧氧化为N2O4，然后在缺氧环境下NH3-N被N2O4氧化，终产物为NO、N2O、N2[19].也有研究者直接向反应系统内通入痕量的NO2(N2O4)气体来促进氨氮的去除.李小鹏通过实验也证明，在无分子氧情况下，亚硝化菌能发生基于NO2的氨氧化，并且低浓度NO2(体积分数5×10-6)条件下氨氧化速率较高，总氮损失也较大[20].2好氧反硝化菌脱氮20世纪80年代，Robertson等昀早观察到好氧反硝化现象，并报道了好氧反硝化菌和好氧反硝化酶系的存在[21].许图1亚硝化菌的硝化–反硝化代谢途径[11,12]Fig.1Nitrificationanddenitrificationcarriedoutbyammonia-oxidizingbacteria[11,12]图2自养硝化菌脱氮的假设途径[10,14]Fig.2Hypotheticalmodelofautotrophicnitrifyingbacteria[10,14]图3NOx循环作用下Nitrosomonas类细菌的缺氧氨氧化假设模型[18]Fig.3Hypotheticalmodelofanoxicammoniaoxidationby