除氨氮菌在污水处理中的研究进展

·综述与专论·2013年第2期生物技术通报BIOTECHNOLOGYBULLETIN随着我国工农业的快速发展和人口的日益膨胀，污废水的排放量越来越大，特别是氨氮废水的排放，导致水中氨态氮、硝态氮和亚硝态氮的污染也越来越严重。因此，污水的脱氮处理成为近年来研究的热点之一。生物脱氮有脱氮彻底，易操作，经济安全等独特的优点［1］，其中硝化-反硝化是处理含氨氮废水的有效方法。但是，由于硝化环节条件要求苛刻，硝化和反硝化经常不能同步进行［2］。因此，从微生物学的角度筛选出能够较好地除氨氮的菌种，并接种于污水处理厂的处理工艺中，将会大大改善污水的处理效果。1除氨氮微生物的作用机理近年来的许多研究表明硝化作用可以由自养型收稿日期：2012-08-29基金项目：天津市滨海新区科技创新专项资金自主创新重大项目（2011-BK120042）作者简介：赵翠娟，女，硕士，研究方向：污水处理中优势菌的筛选及其产业化应用；E-mail：[e-mail]通讯作者：宋文军，教授，研究方向：代谢控制发酵；E-mail：[e-mail]除氨氮菌在污水处理中的研究进展赵翠娟1 宋文军1 朱高雄2 魏纪平3 李博志3 张军1（1.天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津300134；2.天津市兴源环境技术工程有限公司，天津300384；3.天津清鉴生物科技有限公司，天津300384）摘要：氨氮是污水中的主要污染物，其含量也是水质的一项重要指标。除氨氮菌可快速降解水中的氨氮，具有脱氮彻底、易操作、无二次污染等独特优点。综述近几年氨氮菌在除氨氮机理、筛选技术及工业应用的研究进展，并讨论该技术在污水治理过程中的发展前景。关键词：污水处理除氨氮菌除氮原理筛选DevelopmentofWastewaterTreatmentUsingAmmonia-degradingBacteriaZhaoCuijuan1SongWenjun1ZhuGaoxiong2WeiJiping3LiBozhi3ZhangJun1（1.TianjinUniversityofCommerceofBiotechnologyandFoodScienceInstitute，Tianjin300134；2.TianjinSpringEnvironmentalTechnology&EngineeringCO.LTD，Tianjin300384；3.TianjinQingjianBio-TechnologyCO.LTD，Tianjin300384）Abstract: Ammonianitrogenisthemainpollutantinwastewater，anddirectlyreflectsthedegreeofwaterpollution.Bio-treatmentofammonia-containingwastewaterusingbacteriahasshowngreatadvantages，suchastimelydegradation，easyoperation，nosecondarypollution.Thisariticalreviewoutlinestheammonia-degradingmechanism，separationtechniqueandtheapplicationofammonia-degradingbacteriaforwastewatertreatmentinrecentyears.Andfinallydiscussestheprospectsofwastewatertreatmentusingthetreatmentprocess.Key words: WastewatertreatmentAmmonia-degradingbacteriaAmmonia-degradingmechanismSeparation细菌或异养型细菌完成；反硝化作用可以在厌氧条件下，也可在好氧条件下进行；并且，一些好氧反硝化细菌同时也充当着异养型硝化细菌的角色。因此，近几年在传统生物氨氮去除理论的基础上，短程硝化反硝化、同步硝化反硝化和厌氧氨氧化等是研究得比较多的新型的生物脱氮工艺。下面具体介绍几种除氨氮工艺的作用机理。短程硝化反硝化作用是使氨氮氧化停留在亚硝化阶段，再进行反硝化。实现短程硝化反硝化的关键在于将NH4+的氧化控制在NO2-阶段。由荷兰Delft技术大学开发出的脱氮新工艺——SHARON工艺是目前较成功的新工艺［3］。此工艺是根据硝酸菌和亚硝酸菌生长速率的不同，即在较高温度（30-生物技术通报BiotechnologyBulletin2013年第2期3240℃）下，亚硝酸菌的生长速率明显高于硝酸菌。因此，通过反应器中温度和停留时间的控制，就可以淘汰掉硝酸菌，使亚硝酸菌占绝对优势，从而使氨氧化控制在亚硝化阶段。同步硝化反硝化又称为好氧反硝化，目前对其机理研究得较成熟的有微环境理论和生物学理论。从物理学角度可以用微环境理论进行解释，由于受氧扩散作用的限制，会在生物膜内或微生物絮体产生溶解氧梯度，即微生物絮体或生物膜的外表面以好氧硝化菌和氨化菌为主。因此，溶解氧浓度高，而由于氧传递受阻和外部氧的大量消耗，絮体内部会出现缺氧区，在此以反硝化菌为主，从而形成利于实现好氧反硝化的微环境。从生物学理论角度则可以用协同呼吸机理进行研究，即让电子流同时传输给反硝化酶及氧气，此时，氧和硝酸盐可以同时作为电子受体，所以该反应也能在好氧环境中发生。厌氧氨氧化（Anammox）是指在厌氧或缺氧条件下，微生物直接以NO3-或NO2-为电子受体，以NH4+为电子供体，将两种氮素同时转化为氮气的生物反应过程。Anammox的机理是，首先在NIR的作用下，NO2-被还原成NH2OH；然后在HH的作用下，NH2OH将NH3氧化成N2H4，可以看出NH2OH是厌氧氨氧化反应最可能的电子受体；最后N2H4被HZO氧化成N2，同时放出4H+和4e。这4e传递给NIR，开始新一轮的厌氧氨氧化。具体过程，如图1所示［4］。的去除率更高，为了使反应停留在亚硝酸盐阶段，亚硝酸盐能够尽可能多的得到积累，国内外许多学者对短程硝化反硝化进行了研究［5，6］。例如，史一欣等［7］用NaAc为外加碳源，提高C/N值为1.6-2.2时，测定出总氮的去除率达60％以上。当C/N值提高至4.5时，硝化菌会因受到异养菌的抑制而降低其活性，导致脱氮效果变差。此试验主要是通过控制溶解氧等条件来实现稳定的亚硝化，亚硝化速率平均值是硝化速率的21.5倍，氨氮的去除率达到90％左右。张华［8］用筛选培养基筛选出自养硝化菌，再利用其作为生物触媒处理高氨氮废水。试验过程中严格控制溶解氧使氨氧化仅进行到亚硝酸盐阶段，由于缺乏电子受体，硝化菌只能利用亚硝酸盐进一步氧化成氮气。2.2同步硝化反硝化近年来好氧反硝化作用受到人们的关注。污水处理系统中好氧反硝化细菌起着重要的作用，它是通过诱导产生硝酸还原酶和亚硝酸还原酶对硝酸盐和亚硝酸盐进行还原［9］。目前已知的好氧反硝化菌有Comamonastestosteroni［10］、Pseudomonasputida［11］等，有许多学者对好氧反硝化细菌进行了研究。王景峰等［12］利用极限稀释和平板划线法对好氧条件下能同步硝化或者反硝化的细菌进行筛选，他们所用的异养硝化培养是以硫酸铵为氮源、琥珀酸钠为碳源，最后分离到6株具有好氧脱氮效果的异养菌，其中YY-5菌具有高效的好氧脱氮能力。其采用16SrRNA同源性比对法对分离到的细菌进行分析，结果显示与不动杆菌属同源性较高。如易弋等［13］运用靛粉蓝-分光光度法测定发酵液中的氨态氮，采用比浊法测定菌体的生长情况。最后再用分子生物学方法对筛选出的菌进行鉴定。曾庆武等［1］用以硝酸钾为氮源、酒石酸钾钠为碳源的反硝化选择性培养基，从不同的水样、土样中分离筛选出一株反硝化能力强的菌株A13，经生理生化试验和16SrDNA序列分析，鉴定该菌株为地衣芽胞杆菌。张玉芹等［14］利用Giltay培养基（其中硝酸钾作为氮源、柠檬酸钠作为碳源）、反硝化细菌培养基、TB培养基筛选出具有较强反硝化作用能力的B88和B237，而且两菌株降解培养基中的硝酸盐和亚硝酸图1厌氧氨氧化CytoplasmAnammoxosomeNH2OHHZONR4eNO25H4HN2N2H4HHNH32除氨氮菌筛选除氨氮菌一般是从自然界中筛选、分离得到的具有特定功能的复合菌群，目前，在短程硝化反硝化、同步硝化反硝化和厌氧氨氧化菌种筛选方面，许多学者做了大量研究，具体如下。2.1短程硝化反硝化研究表明，与全程脱氮相比，短程脱氮对总氮2013年第2期33赵翠娟等：除氨氮菌在污水处理中的研究进展盐的效率都较高；于大禹等［15］利用以硝酸钾为氮源、琥珀酸钠为碳源的富集培养基，从用生活污水驯化后的活性污泥中筛选出一株具有好氧反硝化兼具除磷功能的细菌。通过形态学及生理生化指标鉴定其为假单胞菌属；张绍璐等［16］用以碳酸氢钠为碳源、硫酸铵为氮源初筛和复筛培养基筛选并驯化出了好氧脱氮的生物菌群；邵晴等［17］用以硝酸钠为氮源、琥珀酸钠为碳源的富集培养基、BTB平板初筛及反硝化培养基复筛得到好氧反硝化细菌A1，该菌对亚硝酸盐氮降解率高达99%。这些试验将会为今后进一步研究好氧反硝化作用提供较大帮助。2.3厌氧氨氧化厌氧氨氧化突破了传统硝化反硝化反应较繁琐的电子传递过程，而大大降低了能耗。它被认为是最为经济的生物脱氮途径之一，也是近几年来备受关注的一种新型生物脱氮反应，越来越多的学者投入到厌氧氨氧化反应的研究中。李祥等［18］用模拟的废水（氯化铵和亚硝酸钠为氮源、碳酸氢钠和碳酸氢钾为碳源）对厌氧氨氧化菌进行活性恢复和富集培养，而且在整个过程中厌氧氨氧化菌脱氮效果较好，NH+-N、NO--N的去除率均保持在98％以上；目前国内有关厌氧氨氧化菌富集培养的最高TN容积去除负荷为3.020kg/（m3·d）。该反应器为颗粒污泥膨胀床生物膜反应器，它是用竹炭作为厌氧氨氧化菌的附着载体［19］，运行时间为144d；Wang等［6］曾观察厌氧氨氧化细菌所用的寡核苷酸探针和适宜的PCR引物序列，一些针对厌氧氨氧化的某个种属细菌的引物具有一定的特异性，为厌氧氨氧化细菌的研究提供了参考。3工业应用的实例氨氮菌处理废水的过程首先是从受污染的环境中通过富集、筛选、驯化等技术分离出各种高效优势菌，再把它们混合投入受污染环境中培养，或者通过基因重组技术将已有高效优势菌制成新型工程菌，并通过分离、筛选得到目标污染物的菌株，经培养后投入到受污染环境中，以达到降解废水中氨氮的效果。刘超翔等［20］采用短程硝化反硝化作用处理焦化废水，此过程检测到氨氮的进水浓度为510.4mg/L时，这时焦化废水氨氮的出水平均浓度为14.2mg/L，其去除率高达97.2%。在此项研究中，进水时氯酸根离子可以抑制硝酸细菌的活性［21］。马军等［22］对曝气生物滤池的条件进行了优化，当水温为20.5-26.5℃、气水体积比3∶1、滤速1-2m/h时，总氮的去除能力为0.18∶0.42kg/（m3·d），而氨氮的去除能力为0.15-0.52kg/（m3·d）。于庆满等［23］采用内置填料的反应器处理含氮制药废水，氨氮和总氮的去除率分别高达90%和70%。研究表明当溶解氧含量为0.5mg/L时，同时硝化反硝化脱氮效果最佳［24］。Date等［25］利用各种污泥作为厌氧氨氧化接种污泥，富集成功后，对其多样性进行分析，得出结果是用生活污水污泥接种富集的反应器有着较高的厌氧氨氧化多样性。Tsushima等［26］具体定量了不同污泥中的厌氧氨氧化细菌，当反应器的总氮去除率达到了80%时，该细菌的生长周期也变为3.6-5.4d，从而大大缩短了厌氧氨氧化细菌的世代周期。4结论短程硝化反硝化、同步硝化反硝化、厌氧氨氧化是近几年发展比较快的除氨氮技术，也是众多研究者研究的热点，但其中一些技术的研究还处于起步阶段。目前大多短程硝化反硝化工艺还处于研究阶段，实际应用得比较少。因